光谱测量过程中激光的热效应监测

1、光谱测量过程中激光的热效应监测第1页，共16页，2022年，5月20日，5点14分，星期一主要内容1 研究背景及意义2 实验及其理论3 总结4 致谢第2页，共16页，2022年，5月20日，5点14分，星期一1 研究背景及意义 激光作为一种应用很广泛的光源，无论军用还是民用，现在社会都离不开激光。在国内外都有对激光的热效应的研究，如激光热效应对光束控制系统发射光束质量的影响；王学孟和沈辉等研究的激光热效应在高效太阳电池工艺中的应用；FIR进行激光诱导加热的分析等等。虽然都有对激光的热效应进行研究，但都未对如何监测激光的热效应进行专门研究。 激光的热效应被广泛使用在激光焊接，切割，打标，表面处理

2、等工艺生产上。这些工艺生产都对激光有严格的要求。医学上也使用激光的热效应的进行切除肿瘤等，而切除肿瘤是属于对精度要求非常高的，因为一不小心就会伤及到健康组织或者无法完全切除肿瘤。监测激光的热效应就变得极为重要。 光谱测量过程中对激光的热效监测，通过监测激光的热效应不但可以对工艺进行改进，还能把激光的热效应应用到不同的环境中。第3页，共16页，2022年，5月20日，5点14分，星期一2 实验及其理论2.1 实验理论图2-1 离子能级的FIR温度传感 0 (4I15/2)1 (4S3/2)2 (2H11/2)v10 v204I11/2980nm980nm第4页，共16页，2022年，5月20日，

3、5点14分，星期一 图2-1就是离子能级的荧光强度比温度传感。在图2-1中，能级1跃迁到能级0的频率V10，能级2跃迁到能级0的频率V20，由于不同能级之间的跃迁率不同，从而激发的光子数也不同。 能级2和能级1自然跃迁到能级0。激发强度Iij(i=2、1，j=0)与自然转移概率，发射频率光子和总体数目Ni其中i(i=2、1): IijAijVijNij 2.1 转换的强度比R是状态2到状态0与状态1到状态0的比值： R=I20/I10 =A20V20N20 /A10V10N10 2.2 由于能级2和能级1之间热耦合是彼此接近。所以在热平衡状态下，N2/N1服从波尔兹曼分布： N2 /N1=ex

4、p(-E21/KBT) 2.3其中T为开尔文温度，是能级2和能级1之间的能源差距。对于荧光粉，E20和 E20跃迁能量没有明显依赖于温度，即E21几乎是恒定的。 第5页，共16页，2022年，5月20日，5点14分，星期一其中E21=E20-E10=h(V20 V10)可以得到E21 结合式（2-2）与式（2-3）得到： R=C1(-E21/KBT) 2-4 其中C1是一个常数。 通过（2-4）两边取对数： lnR=lnC1-E21/KBT 2-5 因此，在标准温度校正强度比R，温度可根据1/TlnR图来计算。第6页，共16页，2022年，5月20日，5点14分，星期一2.2 实验条件 激光

5、光谱仪10%90%10:90光纤耦合毛细管水荧光粉激励散发 图2-2 测量荧光温度光纤光导的设置 第7页，共16页，2022年，5月20日，5点14分，星期一 图2-2所示是光谱测量过程中激光的热效应的监测光纤配置图，它是由激光源，光纤，光谱仪，毛细管，介质等组成。 荧光粉（Y2O3：Er，Yb）通过在实验室用液体燃烧的方法得到。掺杂浓度Er3+是2mol%，Yb3+是0.5mol%，经过一段时间的燃烧可以得到颗粒的大小为200nm左右的荧光粉。 光谱测量有两种配置：1）荧光粉直接暴露在空气中，2）荧光粉粉末附加到光学纤维里。 （）在空气中，用酒精混合荧光粉，涂在表面粗糙的电热板上，用热电偶温

6、度计监测和控制热板温度。（）在光纤配置中（图2-2），用荧光粉浆料填补一个（ID）0.9mm/（OD）1.1mm的玻璃毛细管。切平多模光纤耦合器的一只光纤，然后塞入毛细管直到接近毛细管顶端，此时切割的光纤端面和荧光粉紧密压紧接触在一起。最后火焰融合密封光纤端面附近的毛细管末端（待酒精完全挥发后），毛细管的另一开口端用环氧树脂密封。光纤探针和融熔毛细管末端之间的荧光粉厚度小于0.1mm。这样，荧光粉涂抹的光纤耦合器形成一个非本征的光纤温度传感器。这里用水的沸点和三相点作为温度标准检验该光纤温度传感器。第8页，共16页，2022年，5月20日，5点14分，星期一2.3 实验结果及分析图2-3 Y2

7、O3：Er，Yb在980纳米激光激发下的荧光光谱（样品温度不同时） 第9页，共16页，2022年，5月20日，5点14分，星期一 在980nm的激光激发下对Er3+光谱测量，主要是红色和绿色光范围（图2-3）。在510nm-570nm的绿色范围，激发峰顶是能级2H11/2跃迁到4I15/2和4S3/2跃迁到4I15/2（图3-3）。根据粒子转换理论,峰值1在563.6 nm峰值2在538.9 nm是我们所要研究的。他们分别来自和能级的跃迁。在能级和能级有一个狭窄的差距（E210.1eV），使得他们室温下就可以热耦合（室温下使KB T=0.026eV）。掺铒激发强度比与温度有关，随温度的变化明显

8、。图2-3可以看出峰2的强度随着温度的升高几乎不变，与此同时峰1下降明显。强度比的对数I（538.9nm）/I（563.6nm）与温度的倒数基本成线性关系。在式（2-5）中，1167K是理论使用值。在实验设置中，在空气中拟合直线的斜率（图2-4）是1162130 K，这与理论斜坡相当符合。这间接表明热板和荧光粉之间有足够的热交换。荧光粉的温度是实验中热电偶的温度。因此，图2-4作为温度传感校正功能函数曲线:lnR=3.17381167/T。第10页，共16页，2022年，5月20日，5点14分，星期一图2-4 不同激励强度下的点温度（插图：温度计算使用特征函数）第11页，共16页，2022年，

9、5月20日，5点14分，星期一 相对于空气，水能更好的与毛细管进行热交换。因为有了足够的热交换，所以在冰水或开水中激光加热对荧光粉的温度没有明显影响（虚线的影响图2-4）。在冰水中的测量温度几乎保持不变。当拿掉2个超出平均水平的数据线，在冰水中平均温度计算为2611K的，沸水为3462K。当考虑校准功能的不确定性，温度测量误差约为20K。虽然测量有误差，冰水和开水的温度计算是稳定的，但不与水的温度标准一致，结果却表明校准功能失效。必须重新校准水的温度标准，从而取代之前校准功能。校准功能依赖于工作环境可以定性地解释一个事实，自发跃迁率依赖于荧光粉周围介质的折射率。介质影响如式（6）： Aij3n

10、r2/(2nr2+1)2nr 2-6 nr =xnY2O3+(1-x)nglassnY2O3 2-7 第12页，共16页，2022年，5月20日，5点14分，星期一图2-5 荧光光纤温度计的校准曲线（重新标定的功能函数是lnR=2.839-1131/T.插图:重新计算不同的激励电源下光纤端面荧光粉的温度）第13页，共16页，2022年，5月20日，5点14分，星期一 式（2-1）中自发跃迁概率Aij。相对折射率有不同的值，在监测荧光粉Y2O3 :Er，Yb两个波长（538.9nm和563.6nm）。转换率不成比例，但是如果忽略温度引起的折射率变化，式（2-5）将有不同，但保持恒定的斜率不变。绘

11、制水温特性线（图2-5中的实线）慢慢靠近坐标轴，曲线比较接近空气中的荧光粉的温度曲线（图2-5中的虚线）。这些实线可以重新校准荧光粉温度线。再次拿掉2和3两条超出平均斜率的曲线，然后算出斜线1-8的平均线，将重新校准为：lnR=2.839-1131/T，得到的平均斜率1131K，从而接近理想值1167K。在重新校准功能的基础上，空气中荧光粉点温度计算和绘制（图2-5的实线）。激光热效应的影响（图2-5插图中虚线）。 在实验中，稀土离子Er3+离子被用作纳米温度探头，通过稀土离子温度探头监测的光谱测量过程中的样品温度。稀土离子探针不但有很宽的温度范围，而且还有较高的稳定性，使得其可以应用到不同环境中。近年来，稀土近红外荧光材料在光纤通讯、激光系统、生物分析传感器及生物成像等方面的应用价值日渐突显。第14页，共16页，2022年，5月20日，5点14分，星期一3 总结 监测荧光光谱测量过程中激光的热效应发现，如果荧光粉和环境之间有足够的热交换，那么低密度激发或脉冲激光激发可减小激光热效应的影响，从而提高荧光光谱温度探测的精度。荧光粉周围介质的折射率将影响荧光粉热压力式温度计的温度传感功能，因此把探针放在水里面，水不但可以给荧光光纤探头提供一个折射率恒定的外界环境，而且水与