[發明專利]利用光纖光柵檢測激光與物質相互作用熱效應的方法

無效

• 申請號: 201010554953.4
• 申請日: 2010-11-23
• 公開（公告）號: CN102053105A
• 公開（公告）日: 2011-05-11
• 發明（設計）人: 于永森;孫洪波;陳超;楊睿;陳岐岱
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G01N25/48
• 分類號: G01N25/48;G01K11/30
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司 22201
• 代理人: 張景林;劉喜生

技術領域

本發明屬于光纖光柵傳感技術領域，特別涉及利用Bragg光纖光柵檢測激光與透明介質相互作用區域熱效應的方法。

背景技術

短脈沖激光尤其是飛秒激光具有超短持續時間和超強峰值功率，可實現對透明介質的超精細、低損傷和超高空間分辨率的非熱熔性“冷”加工，使其在微光學、微機械、微流控和微傳感等諸多領域展現了廣闊的應用前景。這種“冷”加工的實現是由于飛秒激光脈沖能夠在短于晶格熱擴散的時間(ps量級)內將能量作用到介質中具有高度空間選擇的區域，而絕大部分激光能量被材料以多光子形式吸收，并以等離子噴發的形式釋放掉，使激光作用區域溫度快速下降，避免了附近區域的熱熔化。然而，實際上在激光與介質相互作用過程中還有部分能量轉化為熱量引起材料升溫。這種作用區域熱量的積累與擴散除與介質本身有關外，還受到激光工作條件的影響，如：重復頻率和脈沖能量，對于高重復頻率或高脈沖能量的情況，熱積累效應尤為顯著，產生的熱影響將會向作用區域以外擴展。

在飛秒激光微納加工中，利用這種熱效應可以減輕因強烈的非線性作用導致材料的破壞，比如，加工中形成的微裂紋等，這一特性對于玻璃等脆性介質加工尤為明顯，特別是對于制備波導及其陣列、三維波導分束器和衍射光柵等光學器件格外重要。為了掌握和應用超短脈沖激光與介質相互作用時產生的熱效應，近些年來，部分學者對此進行了相關研究。更多的集中在對熱效應現象的研究上，主要從激光重復頻率(MHz)和脈沖能量(nJ)情況下考慮熱效應對介質折變和熱熔化區域的影響。然而對于激光作用區域熱效應所引起溫升的檢測卻比較困難，在已有的研究中，F.Ladieu等人在研究飛秒激光誘導介質材料損傷時，利用光刻技術在石英樣品表面制作出微型金屬熱電偶，測量了高脈沖能量(2mJ)作用下介質局部溫度的變化，并證明了熱效應產生的高溫是引起材料損傷的重要因素。該研究中要求使用高的脈沖能量，以使熱擴散時間(ms)和熱影響區域都顯著增大，達到測量熱量積累與擴散時溫度變化的目的。但這種方法制備工藝比較復雜成本高，而且溫度敏感元件與激光作用介質屬不同材質，彼此分立不能有機的結合為一個整體對測溫有較大的影響，并且熱電偶也容易被激光所損壞。

綜上所述，檢測激光尤其是超短脈沖激光與物質相互作用時的熱效應成為亟待解決的問題，同時需要一種嶄新的溫度檢測方法。

發明內容

本發明的目的是提供一種利用Bragg光纖光柵檢測激光與物質相互作用熱效應的方法。

該方法是基于溫度敏感元件Bragg光纖光柵的溫度敏感性和高溫穩定性，Bragg光纖光柵既是作為溫度檢測器件又是作為激光作用的物質，兩種元素有機的結合為一體有助于提高熱效應檢測的響應時間和效果。

為了達到上述檢測熱效應的目的，本發明是通過如下技術方案予以實施的：首先制備作為溫度敏感元件的Bragg光纖光柵，并通過等時退火研究確定所制備光柵的波長-溫度靈敏度；然后采用所搭建的反射式或透射式熱效應檢測系統，使激光與寫有Bragg光柵的光纖或者波導區域相互作用；再利用光譜分析儀檢測Bragg諧振波長并結合波長-溫度靈敏度即可分析得到激光作用區域的等效溫度。

此方法的原理如下所述：當激光照射到寫有Bragg光柵的光纖或者波導區域時，在作用區域能量的沉積會引起熱量的積累和擴散，導致光柵區域整體溫度的增加，而光柵介質的熱光效應和熱膨脹效用會引起光纖的有效折射率和體積等特性的改變，產生一個Bragg諧振波長λ_B的變化量Δλ_B，再根據光柵所具有的波長-溫度靈敏特性計算出溫度。這種效果類似于處于恒溫場中的光柵，其諧振波長隨溫度的變化為Δλ_B＝λ_B(ζ+α)ΔT，其中，參數ζ和α分別為熱光系數和熱膨脹系數，ΔT為溫升。因此，便可以將熱效應引起的溫度等效視為光纖光柵處于恒溫場中的溫度，即等效溫度T_eq，它是激光作用區域熱積累和熱擴散相對平衡狀態下的平均化溫度，并且由入射激光的重復頻率和脈沖能量等參數所決定。所以，可以通過檢測激光與Bragg光柵介質相互作用時引起的Bragg諧振波長的變化量Δλ_B，結合光柵的高溫測試給出的波長-溫度靈敏度，既可以得到作用區域的等效溫度，這樣便可以實現對激光與物質相互作用熱效應的檢測。

本發明所述的方法，其更為具體的實施步驟如下：

(1)制備作為溫度敏感元件的Bragg光纖光柵