CN102053105A - 利用光纤光栅检测激光与物质相互作用热效应的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光纤光栅传感技术领域，特别涉及利用Bragg光纤光栅检测激光与透明介质相互作用区域热效应的方法。该方法基于Bragg光纤光栅的温度灵敏性和高温稳定性，将入射激光束通过透镜聚焦后直接照射到写有光栅的光纤区域，温度敏感区域应整体置于激光可及的范围内。激光作用产生的热效应将会导致光栅光谱的变化，通过光谱分析仪进行检测得到Bragg谐振波长变化量，并结合光栅等时退火实验给出的波长-温度灵敏度，进而得到激光作用区域的等效温度，这样便可实现对激光与透明介质相互作用区域热效应的检测。本发明中光栅本身是温度检测器件和激光作用介质的有机结合体，能更有效的提高热效应检测的响应时间和效果。
Description
技术领域
本发明属于光纤光栅传感技术领域，特别涉及利用Bragg光纤光栅检测激光与透明介质相互作用区域热效应的方法。
背景技术
短脉冲激光尤其是飞秒激光具有超短持续时间和超强峰值功率，可实现对透明介质的超精细、低损伤和超高空间分辨率的非热熔性“冷”加工，使其在微光学、微机械、微流控和微传感等诸多领域展现了广阔的应用前景。这种“冷”加工的实现是由于飞秒激光脉冲能够在短于晶格热扩散的时间(ps量级)内将能量作用到介质中具有高度空间选择的区域，而绝大部分激光能量被材料以多光子形式吸收，并以等离子喷发的形式释放掉，使激光作用区域温度快速下降，避免了附近区域的热熔化。然而，实际上在激光与介质相互作用过程中还有部分能量转化为热量引起材料升温。这种作用区域热量的积累与扩散除与介质本身有关外，还受到激光工作条件的影响，如：重复频率和脉冲能量，对于高重复频率或高脉冲能量的情况，热积累效应尤为显著，产生的热影响将会向作用区域以外扩展。
在飞秒激光微纳加工中，利用这种热效应可以减轻因强烈的非线性作用导致材料的破坏，比如，加工中形成的微裂纹等，这一特性对于玻璃等脆性介质加工尤为明显，特别是对于制备波导及其阵列、三维波导分束器和衍射光栅等光学器件格外重要。为了掌握和应用超短脉冲激光与介质相互作用时产生的热效应，近些年来，部分学者对此进行了相关研究。更多的集中在对热效应现象的研究上，主要从激光重复频率(MHz)和脉冲能量(nJ)情况下考虑热效应对介质折变和热熔化区域的影响。然而对于激光作用区域热效应所引起温升的检测却比较困难，在已有的研究中，F.Ladieu等人在研究飞秒激光诱导介质材料损伤时，利用光刻技术在石英样品表面制作出微型金属热电偶，测量了高脉冲能量(2mJ)作用下介质局部温度的变化，并证明了热效应产生的高温是引起材料损伤的重要因素。该研究中要求使用高的脉冲能量，以使热扩散时间(ms)和热影响区域都显著增大，达到测量热量积累与扩散时温度变化的目的。但这种方法制备工艺比较复杂成本高，而且温度敏感元件与激光作用介质属不同材质，彼此分立不能有机的结合为一个整体对测温有较大的影响，并且热电偶也容易被激光所损坏。
综上所述，检测激光尤其是超短脉冲激光与物质相互作用时的热效应成为亟待解决的问题，同时需要一种崭新的温度检测方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用Bragg光纤光栅检测激光与物质相互作用热效应的方法。
该方法是基于温度敏感元件Bragg光纤光栅的温度敏感性和高温稳定性，Bragg光纤光栅既是作为温度检测器件又是作为激光作用的物质，两种元素有机的结合为一体有助于提高热效应检测的响应时间和效果。
为了达到上述检测热效应的目的，本发明是通过如下技术方案予以实施的：首先制备作为温度敏感元件的Bragg光纤光栅，并通过等时退火研究确定所制备光栅的波长-温度灵敏度；然后采用所搭建的反射式或透射式热效应检测系统，使激光与写有Bragg光栅的光纤或者波导区域相互作用；再利用光谱分析仪检测Bragg谐振波长并结合波长-温度灵敏度即可分析得到激光作用区域的等效温度。
此方法的原理如下所述：当激光照射到写有Bragg光栅的光纤或者波导区域时，在作用区域能量的沉积会引起热量的积累和扩散，导致光栅区域整体温度的增加，而光栅介质的热光效应和热膨胀效用会引起光纤的有效折射率和体积等特性的改变，产生一个Bragg谐振波长λB的变化量ΔλB，再根据光栅所具有的波长-温度灵敏特性计算出温度。这种效果类似于处于恒温场中的光栅，其谐振波长随温度的变化为ΔλB＝λB(ζ+α)ΔT，其中，参数ζ和α分别为热光系数和热膨胀系数，ΔT为温升。因此，便可以将热效应引起的温度等效视为光纤光栅处于恒温场中的温度，即等效温度Teq，它是激光作用区域热积累和热扩散相对平衡状态下的平均化温度，并且由入射激光的重复频率和脉冲能量等参数所决定。所以，可以通过检测激光与Bragg光栅介质相互作用时引起的Bragg谐振波长的变化量ΔλB，结合光栅的高温测试给出的波长-温度灵敏度，既可以得到作用区域的等效温度，这样便可以实现对激光与物质相互作用热效应的检测。
本发明所述的方法，其更为具体的实施步骤如下：
(1)制备作为温度敏感元件的Bragg光纤光栅
制备Bragg光纤光栅的方法可以是相位掩模法、逐点扫描直写法以及全息干涉法等。曝光光源可以选择准分子激光器和飞秒激光器，还可以进一步采用飞秒激光微纳加工技术实现高温稳定性好的温度敏感元件。飞秒激光诱导光纤折射率变化是由于超快超短脉冲的多光子吸收和多光子电离效应产生的，所制备的光栅温度稳定性可以达到材料的热熔化转变温度(制备方法参考“Formation of Type I-IR and Type II-IR gratings with an ultrafast IR laser and a phase mask”，Christopher W.Smelser，Optics Express，2005，13，5377-5386)。如使用工作波长为800nm，脉冲宽度为100fs，重复频率为1～1000Hz，单脉冲能量大于0.4mJ/pulse的飞秒激光制备的红外II型Bragg光纤光栅(Type II-IR FBG)，其温度稳定性可以达到1150℃，波长-温度灵敏度达到15pm/℃。
所述的制备Bragg光栅所需的光纤材料可以是纯石英光纤、掺杂石英光纤、蓝宝石光纤、氟化玻璃光纤、光子晶体光纤等各种晶体或类玻璃材料制备的光纤，但不限于这些材料。
关于Bragg光纤光栅的温度稳定性和光纤材质的要求，可以根据热效应检测中所选择的激光器种类以及与何种透明介质相互作用来决定。
(2)绘制温度敏感元件的波长-温度敏感特性曲线
上述步骤制备的Bragg光纤光栅进行等时退火实验以分析温度敏感元件的温度灵敏特性，并绘制出波长-温度敏感特性曲线。
等时退火实验过程为：将Bragg光纤光栅自然放置在普通高温炉中，在普通大气环境下进行退火，退火温度从室温到1000℃，升温速度控制在10℃/min，每次温度增加100℃，共选取11个测试点进行测试。Bragg光纤光栅在每个测试点保持1小时，待光谱稳定后用光谱分析仪检测Bragg光纤光栅的光谱，在光谱中读取谐振峰的峰值波长即Bragg光纤光栅的谐振波长，其与室温时光栅谐振波长的差值即为退火温度引起的Bragg光纤光栅谐振波长的变化量，对测试得到的11组温度及对应波长变化量的数据使用Origin软件进行分析，并通过线性拟合绘制出波长-温度敏感特性曲线，拟合曲线的斜率即为该Bragg光纤光栅的波长-温度灵敏度，该敏感特性曲线及灵敏度将被用于后续对热效应引起的平均化等效温度的定标。
(3)搭建反射式或透射式热效应检测系统
搭建基于Bragg光纤光栅的激光与物质相互作用热效应的检测系统。所述的热效应的检测系统主要包括：作为温度敏感元件的Bragg光纤光栅、宽带光源、以及用于记录反射谱或透射谱变化的光谱分析仪(Optical Spectrum Analyzer)。
Bragg光纤光栅的一端通过光纤环行器或耦合器连接宽带光源和光谱分析仪，另一端置于折射率匹配液(如折射率为1.52的香柏油)中，构成反射式热效应检测系统，通过光谱分析仪用以检测和分析Bragg光纤光栅反射谱的变化；
Bragg光纤光栅的两端分别连接宽带光源和光谱分析仪，构成透射式热效应检测系统，通过光谱分析仪用以检测和分析Bragg光纤光栅透射谱的变化。
(4)使激光与温度敏感元件相互作用，检测Bragg光纤光栅的谐振波长并通过波长-温度敏感特性曲线实现对激光与物质相互作用热效应的检测
采用上述搭建的反射式或透射式热效应检测系统，使激光与Bragg光纤光栅相互作用。所述的激光光源可以是飞秒脉冲激光器(波长范围为200～2600nm，脉冲宽度范围为10～100fs，重复频率范围为1～80MHz，单脉冲能量范围为10pJ～1mJ)、皮秒脉冲激光器(波长范围为200～2600nm，脉冲宽度范围为10～900ps，重复频率范围为1～80MHz，单脉冲能量范围为1nJ～1J)，或者纳秒脉冲激光器(波长范围为200～2000nm，脉冲宽度范围为10～900ns，重复频率范围为1～10KHz，单脉冲能量范围为10pJ～1J)。
激光作用于温度敏感元件的方式可以是直接照射或者通过球面透镜、柱面透镜等聚焦透镜聚焦后照射到Bragg光纤光栅区域。无论是何种激光照射方式，都应将Bragg光纤光栅的温度敏感区域整体置于激光可及的范围内，以保证对热效应的有效检测。
采用上述搭建的反射式或透射式热效应检测系统，并使激光与Bragg光纤光栅相互作用后，再利用光谱分析仪检测光栅的反射谱或透射谱，光谱中的峰值波长为Bragg谐振波长，其与未经激光作用时Bragg光纤光栅谐振波长的差值即为热效应导致的谐振波长变化量ΔλB，并结合等温退火实验得到的波长-温度敏感特性曲线即可分析获得激光作用区域的等效温度Teq。
附图说明
图1：本发明采用的基于温度敏感元件的反射式热效应检测系统示意图；
图2：本发明采用的基于温度敏感元件的透射式热效应检测系统示意图；
图3：本发明的激光经透镜聚焦后与Bragg光纤光栅相互作用示意图；
图4：本发明中温度敏感元件的波长-温度敏感特性曲线；
图5：不同参数激光照射导致Bragg谐振峰漂移的光谱图；
图6：不同参数激光引起的Bragg谐振波长变化量和等效温度的曲线图；
图7：谐振波长变化量与激光重复频率和脉冲能量的函数关系曲面；
图8：不同参数激光引起作用区域的等效温度的等温分布曲线。
如图所示，本发明的检测装置各部件名称分别为：温度敏感元件(Bragg光纤光栅)1、宽带光源2、光谱分析仪3、光纤环行器或者耦合器4、折射率匹配液5、激光光束6、柱面透镜7、球面透镜8。
其中，如图1所示，温度敏感元件1的一端由光纤环行器或耦合器(三端口，工作于C波段(1530nm～1565nm)和L波段(1565nm～1625nm))与宽带光源和光谱分析仪相连接，温度敏感元件1的另一端置于折射率匹配液中，构成反射式热效应检测系统；而如图2所示，温度敏感元件1的两端分别与宽带光源2和光谱分析仪3相连接，构成透射式热效应检测系统。
图4为具体实施例1中，利用红外飞秒激光结合相位掩模法制备的Bragg光纤光栅经过等时退火实验得到的透射谱随温度(室温至1000℃)的变化情况，读取每个测试温度及对应的Bragg谐振波长变化量，得到的11组数据使用Origin软件进行分析，并通过线性拟合绘制出波长-温度敏感特性曲线，如插图所示，拟合曲线的斜率即为该光栅的波长-温度灵敏度。
图5为具体实施例1中，利用图3-(a)所示的飞秒激光经柱面透镜聚焦后照射到Bragg光纤光栅上，使用图2所示的透射式热效应检测系统得到的不同参数(激光重复频率、单脉冲能量)激光导致的Bragg谐振峰漂移的光谱图。而不同参数激光导致的Bragg谐振波长变化量表示在图6中，而其对应的平均化等效温度示于图6的右侧坐标，这是根据图4中的波长-温度灵敏度定标得到的。
而图7和图8分别为具体实施例1中，利用Matlab软件对实验结果进行拟合得到的谐振波长变化量与激光重复频率和脉冲能量的函数关系曲面，以及等效温度的等温分布曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施为例来对本发明进行详细说明。
实施例1：
首先，温度敏感元件选择Bragg光纤光栅，它是利用红外飞秒激光结合相位掩模法(制备方法参考“Formation of Type I-IR and Type II-IR gratings with an ultrafast IR laser and a phase mask”，Christopher W.Smelser，Optics Express，2005，13，5377-5386)在通信用SMF-28光纤中制备的温度稳定性较高的Type II-IRFBG。光栅的制备条件为：激光工作波长800nm，重复频率为100Hz，单脉冲能量为0.7mJ/pulse，相位掩模板周期为3.33μm。
其次，对上述条件制备的Bragg光纤光栅进行等时退火实验(从室温到1000℃)，得到透射谱随温度的变化情况如图4所示，并绘制出波长-温度敏感特性曲线如插图所示，经线性拟合分析可知其呈现的函数关系为ΔλB＝0.015T-0.49，其中，T为退火温度，ΔλB为Bragg光纤光栅谐振波长变化量，波长-温度灵敏度约为15pm/℃。该曲线将被用于热效应引起的平均化等效温度的定标。
然后，采用如图2所示的透射式热效应检测系统来检测激光与透明介质即Bragg光纤光栅相互作用区域的热效应。Bragg光纤光栅的两端分别接有宽带光源(丹麦NKT Photonics公司，Superk Compact)和光谱分析仪(日本Yokogawa公司，AQ6370B)，用以探测和记录光栅经激光照射时候的光谱变化情况。
在此实例中分析飞秒激光与透明介质相互作用区域的热效应，飞秒脉冲激光是通过美国Spectra-Physics公司制造的钛蓝宝石锁模激光器产生的，其工作波长为800nm，脉冲宽度为100fs。飞秒激光与Bragg光纤光栅相互作用的方式如图3-(a)所示，激光脉冲通过焦距为40mm的柱面透镜聚焦后直接照射到Bragg光纤光栅，写有Bragg光栅的温度敏感区域要整体置于激光可及的范围内，以保证对热效应的有效检测。
本实例中选择不同参数的飞秒激光进行分析，脉冲能量在0.2～1.1mJ/pulse间变化，重复频率在5～1000Hz可调。光谱分析仪对不同参数激光作用下引起热效应所导致的Bragg谐振波长的变化情况进行记录，分析的结果示于图5、图6中。其中图5-(a)为脉冲能量0.8mJ/pulse时，不同激光重复频率的飞秒激光引起的透射谱漂移情况；图5-(b)为激光重复频率1kHz时，不同脉冲能量的飞秒激光引起的透射谱漂移情况。
此外，根据透射谱漂移情况可以得到不同参数激光所对应的Bragg谐振波长变化量ΔλB，绘制的二者关系曲线如图6所示。由图4给出的波长-温度灵敏度对热效应所导致的等效温度进行定标，进一步计算出不同参数激光对应的等效温度Teq，并表示在图6的右侧坐标。图6-(a)表示在相同的脉冲能量下依次提高重复频率对ΔλB及Teq的影响趋势，结果表明二者随着重复频率的增加成线性递增的关系，并且脉冲能量越高二者的增加量d(ΔλB)/dRlrr和dTeq/dRlrr也越大。图6-(b)表示在相同的重复频率下依次提高脉冲能量对ΔλB及Teq的影响趋势，结果表明二者随着脉冲能量的增加呈现一个非线性的递增关系，即在低脉冲能量的情况下，ΔλB变化非常小；当脉冲能量增加时，ΔλB及Teq先增大后趋于平稳。以上实验及分析过程既实现了对飞秒激光与石英光纤介质相互作用热效应的检测，并可给出热效应所引起的平均化等效温度。最后为了进一步分析不同参数激光所引起的等效温度的区别，进行如下分析。
最后，对图6的数据进一步分析可以得到不同重复频率Rlrr和脉冲能量Ein的激光与石英光纤相互作用区域等效温度的等温分布曲线。利用Matlab软件对图6中检测到的重复频率Rlrr和脉冲能量Ein对应的谐振波长变化量ΔλB进行拟合，得到如图7所示的ΔλB＝f(Rlrr，E)函数关系曲面。进而结合波长-温度灵敏度曲线，绘制出不同重复频率和脉冲能量组合(Rlrr，E)时，飞秒激光作用区域等效温度的等温线分布，如图8所示，分别绘出了50、100、150、......、500℃时的等温线分布。
综上所述，本发明公开了一种利用Bragg光纤光栅检测激光与物质相互作用热效应的方法。上述描述的应用场景和实施例，并非用于限定本发明，本发明可以适用于检测任何激光与各种光纤或波导等透明介质相互作用时的热效应。凡采用上述方法进行热效应的检测，均属于本发明专利公开的内容，因此本发明的保护范围视权利要求范围所界定。
Claims (5)
1.利用光纤光栅检测激光与物质相互作用热效应的方法，其步骤如下：
(1)制备作为温度敏感元件的Bragg光纤光栅
制备Bragg光纤光栅的方法是相位掩模法、逐点扫描直写法或全息干涉法，制备Bragg光纤光栅所需的光纤材料是纯石英光纤、掺杂石英光纤、蓝宝石光纤、氟化玻璃光纤或光子晶体光纤；
(2)绘制温度敏感元件的波长-温度敏感特性曲线
上述步骤制备的Bragg光纤光栅进行等时退火实验以分析温度敏感元件的温度灵敏特性，并绘制出波长-温度敏感特性曲线；
(3)搭建反射式或透射式热效应检测系统
检测系统包括作为温度敏感元件的Bragg光纤光栅、宽带光源、以及用于记录反射谱或透射谱变化的光谱分析仪；
Bragg光纤光栅的一端通过光纤环行器或耦合器连接宽带光源和光谱分析仪，另一端置于折射率匹配液中，构成反射式热效应检测系统，通过光谱分析仪用以检测和分析Bragg光纤光栅反射谱的变化；
Bragg光纤光栅的两端分别连接宽带光源和光谱分析仪，构成透射式热效应检测系统，通过光谱分析仪用以检测和分析Bragg光纤光栅透射谱的变化；
(4)使激光与温度敏感元件相互作用，检测Bragg光纤光栅的谐振波长并通过波长-温度敏感特性曲线实现对激光与物质相互作用热效应的检测。
2.如权利要求1所述的利用光纤光栅检测激光与物质相互作用热效应的方法，其特征在于：步骤(2)中等时退火实验过程是将Bragg光纤光栅自然放置在普通高温炉中，在普通大气环境下进行退火，退火温度从室温到1000℃，升温速度控制在10℃/min，每次温度增加100℃，共选取11个测试点进行测试；Bragg光纤光栅在每个测试点保持1小时，待光谱稳定后用光谱分析仪检测Bragg光纤光栅的光谱，在光谱中读取谐振峰的峰值波长即Bragg光纤光栅的谐振波长，其与室温时光栅谐振波长的差值即为退火温度引起的Bragg光纤光栅谐振波长的变化量，对测试得到的11组温度及对应波长变化量的数据使用Origin软件进行分析，并通过线性拟合绘制出波长-温度敏感特性曲线，拟合曲线的斜率即为该Bragg光纤光栅的波长-温度灵敏度，该敏感特性曲线及灵敏度将被用于后续对热效应引起的平均化等效温度的定标。
3.如权利要求1所述的利用光纤光栅检测激光与物质相互作用热效应的方法，其特征在于：步骤(4)中采用上述搭建的反射式或透射式热效应检测系统，使激光与Bragg光纤光栅相互作用，所述的激光光源是飞秒脉冲激光器、皮秒脉冲激光器或者纳秒脉冲激光器。
4.如权利要求3所述的利用光纤光栅检测激光与物质相互作用热效应的方法，其特征在于：激光作用于Bragg光纤光栅的方式是直接照射、或通过球面透镜聚焦后照射、或通过柱面透镜聚焦后照射到Bragg光纤光栅区域。
5.如权利要求1所述的利用光纤光栅检测激光与物质相互作用热效应的方法，其特征在于：步骤(4)中使激光与Bragg光纤光栅相互作用后，再利用光谱分析仪检测光栅的反射谱或透射谱，光谱中的峰值波长为Bragg光纤光栅的谐振波长，其与未经激光作用时Bragg光纤光栅谐振波长的差值即为热效应导致的谐振波长变化量ΔλB，并结合Bragg光纤光栅的波长-温度敏感特性曲线即可分析获得激光作用区域的等效温度Teq。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20110511 |