[发明专利]利用光纤光栅检测激光与物质相互作用热效应的方法

说明书

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λ_B的变化量Δλ_B，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Δλ_B＝λ_B(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T_eq，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Δλ_B，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