光譜測(cè)量過(guò)程中激光的熱效應(yīng)監(jiān)測(cè)

光譜測(cè)量過(guò)程中激光的熱效應(yīng)監(jiān)測(cè)第一頁(yè)，共十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日主要內(nèi)容1研究背景及意義2實(shí)驗(yàn)及其理論3總結(jié)4致謝第二頁(yè)，共十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日1研究背景及意義激光作為一種應(yīng)用很廣泛的光源，無(wú)論軍用還是民用，現(xiàn)在社會(huì)都離不開(kāi)激光。在國(guó)內(nèi)外都有對(duì)激光的熱效應(yīng)的研究，如激光熱效應(yīng)對(duì)光束控制系統(tǒng)發(fā)射光束質(zhì)量的影響；王學(xué)孟和沈輝等研究的激光熱效應(yīng)在高效太陽(yáng)電池工藝中的應(yīng)用；FIR進(jìn)行激光誘導(dǎo)加熱的分析等等。雖然都有對(duì)激光的熱效應(yīng)進(jìn)行研究，但都未對(duì)如何監(jiān)測(cè)激光的熱效應(yīng)進(jìn)行專(zhuān)門(mén)研究。激光的熱效應(yīng)被廣泛使用在激光焊接，切割，打標(biāo)，表面處理等工藝生產(chǎn)上。這些工藝生產(chǎn)都對(duì)激光有嚴(yán)格的要求。醫(yī)學(xué)上也使用激光的熱效應(yīng)的進(jìn)行切除腫瘤等，而切除腫瘤是屬于對(duì)精度要求非常高的，因?yàn)橐徊恍⌒木蜁?huì)傷及到健康組織或者無(wú)法完全切除腫瘤。監(jiān)測(cè)激光的熱效應(yīng)就變得極為重要。光譜測(cè)量過(guò)程中對(duì)激光的熱效監(jiān)測(cè)，通過(guò)監(jiān)測(cè)激光的熱效應(yīng)不但可以對(duì)工藝進(jìn)行改進(jìn)，還能把激光的熱效應(yīng)應(yīng)用到不同的環(huán)境中。第三頁(yè)，共十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日2實(shí)驗(yàn)及其理論2.1實(shí)驗(yàn)理論圖2-1離子能級(jí)的FIR溫度傳感0(4I15/2)1(4S3/2)2(2H11/2)v10

v204I11/2980nm980nm第四頁(yè)，共十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日?qǐng)D2-1就是離子能級(jí)的熒光強(qiáng)度比溫度傳感。在圖2-1中，能級(jí)1躍遷到能級(jí)0的頻率V10，能級(jí)2躍遷到能級(jí)0的頻率V20，由于不同能級(jí)之間的躍遷率不同，從而激發(fā)的光子數(shù)也不同。能級(jí)2和能級(jí)1自然躍遷到能級(jí)0。激發(fā)強(qiáng)度Iij(i=2、1，j=0)與自然轉(zhuǎn)移概率，發(fā)射頻率光子和總體數(shù)目Ni其中i(i=2、1):Iij∝AijVijNij2.1轉(zhuǎn)換的強(qiáng)度比R是狀態(tài)2到狀態(tài)0與狀態(tài)1到狀態(tài)0的比值：R=I20/I10=A20V20N20/A10V10N102.2由于能級(jí)2和能級(jí)1之間熱耦合是彼此接近。所以在熱平衡狀態(tài)下，N2/N1服從波爾茲曼分布：N2/N1=exp(-E21/KBT)2.3其中T為開(kāi)爾文溫度，是能級(jí)2和能級(jí)1之間的能源差距。對(duì)于熒光粉，E20和E20躍遷能量沒(méi)有明顯依賴(lài)于溫度，即E21幾乎是恒定的。

第五頁(yè)，共十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日其中E21=E20-E10=h(V20–V10)可以得到E21結(jié)合式（2-2）與式（2-3）得到：R=C1(-E21/KBT)2-4其中C1是一個(gè)常數(shù)。通過(guò)（2-4）兩邊取對(duì)數(shù)：lnR=lnC1-E21/KBT2-5因此，在標(biāo)準(zhǔn)溫度校正強(qiáng)度比R，溫度可根據(jù)1/T～lnR圖來(lái)計(jì)算。第六頁(yè)，共十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日2.2實(shí)驗(yàn)條件

激光

光譜儀10%90%10:90光纖耦合毛細(xì)管水熒光粉激勵(lì)散發(fā)圖2-2測(cè)量熒光溫度光纖光導(dǎo)的設(shè)置第七頁(yè)，共十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日?qǐng)D2-2所示是光譜測(cè)量過(guò)程中激光的熱效應(yīng)的監(jiān)測(cè)光纖配置圖，它是由激光源，光纖，光譜儀，毛細(xì)管，介質(zhì)等組成。熒光粉（Y2O3：Er，Yb）通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室用液體燃燒的方法得到。摻雜濃度Er3+是2mol%，Yb3+是0.5mol%，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的燃燒可以得到顆粒的大小為200nm左右的熒光粉。光譜測(cè)量有兩種配置：1）熒光粉直接暴露在空氣中，2）熒光粉粉末附加到光學(xué)纖維里。（１）在空氣中，用酒精混合熒光粉，涂在表面粗糙的電熱板上，用熱電偶溫度計(jì)監(jiān)測(cè)和控制熱板溫度。（２）在光纖配置中（圖2-2），用熒光粉漿料填補(bǔ)一個(gè)（ID）0.9mm/（OD）1.1mm的玻璃毛細(xì)管。切平多模光纖耦合器的一只光纖，然后塞入毛細(xì)管直到接近毛細(xì)管頂端，此時(shí)切割的光纖端面和熒光粉緊密壓緊接觸在一起。最后火焰融合密封光纖端面附近的毛細(xì)管末端（待酒精完全揮發(fā)后），毛細(xì)管的另一開(kāi)口端用環(huán)氧樹(shù)脂密封。光纖探針和融熔毛細(xì)管末端之間的熒光粉厚度小于0.1mm。這樣，熒光粉涂抹的光纖耦合器形成一個(gè)非本征的光纖溫度傳感器。這里用水的沸點(diǎn)和三相點(diǎn)作為溫度標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)該光纖溫度傳感器。第八頁(yè)，共十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日2.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析圖2-3Y2O3：Er，Yb在980納米激光激發(fā)下的熒光光譜（樣品溫度不同時(shí)）第九頁(yè)，共十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日在980nm的激光激發(fā)下對(duì)Er3+光譜測(cè)量，主要是紅色和綠色光范圍（圖2-3）。在510nm-570nm的綠色范圍，激發(fā)峰頂是能級(jí)2H11/2躍遷到4I15/2和4S3/2躍遷到4I15/2（圖3-3）。根據(jù)粒子轉(zhuǎn)換理論,峰值1在563.6nm峰值2在538.9nm是我們所要研究的。他們分別來(lái)自和能級(jí)的躍遷。在能級(jí)和能級(jí)有一個(gè)狹窄的差距（E21?0.1eV），使得他們室溫下就可以熱耦合（室溫下使KBT=0.026eV）。摻鉺激發(fā)強(qiáng)度比與溫度有關(guān)，隨溫度的變化明顯。圖2-3可以看出峰2的強(qiáng)度隨著溫度的升高幾乎不變，與此同時(shí)峰1下降明顯。強(qiáng)度比的對(duì)數(shù)I（538.9nm）/I（563.6nm）與溫度的倒數(shù)基本成線(xiàn)性關(guān)系。在式（2-5）中，1167K是理論使用值。在實(shí)驗(yàn)設(shè)置中，在空氣中擬合直線(xiàn)的斜率（圖2-4）是1162±130K，這與理論斜坡相當(dāng)符合。這間接表明熱板和熒光粉之間有足夠的熱交換。熒光粉的溫度是實(shí)驗(yàn)中熱電偶的溫度。因此，圖2-4作為溫度傳感校正功能函數(shù)曲線(xiàn):lnR=3.1738–1167/T。第十頁(yè)，共十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日?qǐng)D2-4不同激勵(lì)強(qiáng)度下的點(diǎn)溫度（插圖：溫度計(jì)算使用特征函數(shù)）第十一頁(yè)，共十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日相對(duì)于空氣，水能更好的與毛細(xì)管進(jìn)行熱交換。因?yàn)橛辛俗銐虻臒峤粨Q，所以在冰水或開(kāi)水中激光加熱對(duì)熒光粉的溫度沒(méi)有明顯影響（虛線(xiàn)的影響圖2-4）。在冰水中的測(cè)量溫度幾乎保持不變。當(dāng)拿掉2個(gè)超出平均水平的數(shù)據(jù)線(xiàn)，在冰水中平均溫度計(jì)算為261±1K的，沸水為346±2K。當(dāng)考慮校準(zhǔn)功能的不確定性，溫度測(cè)量誤差約為20K。雖然測(cè)量有誤差，冰水和開(kāi)水的溫度計(jì)算是穩(wěn)定的，但不與水的溫度標(biāo)準(zhǔn)一致，結(jié)果卻表明校準(zhǔn)功能失效。必須重新校準(zhǔn)水的溫度標(biāo)準(zhǔn)，從而取代之前校準(zhǔn)功能。校準(zhǔn)功能依賴(lài)于工作環(huán)境可以定性地解釋一個(gè)事實(shí)，自發(fā)躍遷率依賴(lài)于熒光粉周?chē)橘|(zhì)的折射率。介質(zhì)影響如式（6）：Aij∝｛3nr2/(2nr2+1)2nr2-6nr=[xnY2O3+(1-x)nglass]nY2O32-7

第十二頁(yè)，共十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日?qǐng)D2-5熒光光纖溫度計(jì)的校準(zhǔn)曲線(xiàn)（重新標(biāo)定的功能函數(shù)是lnR=2.839-1131/T.插圖:重新計(jì)算不同的激勵(lì)電源下光纖端面熒光粉的溫度）第十三頁(yè)，共十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日式（2-1）中自發(fā)躍遷概率Aij。相對(duì)折射率有不同的值，在監(jiān)測(cè)熒光粉Y2O3:Er，Yb兩個(gè)波長(zhǎng)（538.9nm和563.6nm）。轉(zhuǎn)換率不成比例，但是如果忽略溫度引起的折射率變化，式（2-5）將有不同，但保持恒定的斜率不變。繪制水溫特性線(xiàn)（圖2-5中的實(shí)線(xiàn)）慢慢靠近坐標(biāo)軸，曲線(xiàn)比較接近空氣中的熒光粉的溫度曲線(xiàn)（圖2-5中的虛線(xiàn)）。這些實(shí)線(xiàn)可以重新校準(zhǔn)熒光粉溫度線(xiàn)。再次拿掉2和3兩條超出平均斜率的曲線(xiàn)，然后算出斜線(xiàn)1-8的平均線(xiàn)，將重新校準(zhǔn)為：lnR=2.839-1131/T，得到的平均斜率1131K，從而接近理想值1167K。在重新校準(zhǔn)功能的基礎(chǔ)上，空氣中熒光粉點(diǎn)溫度計(jì)算和繪制（圖2-5的實(shí)線(xiàn)）。激光熱效應(yīng)的影響（圖2-5插圖中虛線(xiàn)）。在實(shí)驗(yàn)中，稀土離子Er3+離子被用作納米溫度探頭，通過(guò)稀土離子溫度探頭監(jiān)測(cè)的光譜測(cè)量過(guò)程中的樣品溫度。稀土離子探針不但有很寬的溫度范圍，而且還有較高的穩(wěn)定性，使得其可以應(yīng)用到不同環(huán)境中。近年來(lái)，稀土近紅外熒光材料在光纖通訊、激光系統(tǒng)、生物分析傳感器及生物成像等方面的應(yīng)用價(jià)值日漸突顯。第十四頁(yè)，共十六頁(yè)，編輯于2023年，星期日3總結(jié)監(jiān)測(cè)熒光光譜測(cè)量過(guò)程中激光的熱效應(yīng)發(fā)現(xiàn)，如果熒光粉和環(huán)境之間有足夠的熱交換，那么低密度激發(fā)或脈沖激光激發(fā)可減小激光熱效應(yīng)的影響，從而提高熒光光譜溫度探測(cè)的精度。熒光粉周?chē)橘|(zhì)的折射率將影響熒光粉熱壓