CN108362394A - 基于飞秒激光写入的晶体光波导散斑温度测量方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于飞秒激光写入的晶体光波导散斑温度测量方法及系统，其技术特点在于：包括以下步骤：步骤1、采用飞秒激光写入技术在立方系晶体中写入通道型包层光波导；步骤2、采用端面耦合技术将不同波长的激光耦合进入所述步骤1的通道型包层光波导，并在改立方系晶体温度的同时记录温度变化过程中通道型包层光波导出射端的散斑图；步骤3、对步骤2中不同温度下所收集的散斑图样进行计算处理来解析温度变化。本发明利用飞秒激光写入技术制备的不同几何形状的晶体波导可以提高温度测量的测量精度，扩大温度测量的动态范围。
Description
技术领域
本发明属于温度测量技术领域，涉及晶体光波导散斑温度测量，尤其是一种基于飞秒激光写入的晶体光波导散斑温度测量方法及系统。
背景技术
散斑普遍存在于激光照明和相干成像系统，它由大量细微的高反差亮斑构成，是激光与物体相互作用后光强随机分布的现象，由于物体的位移或变形等状态变化必然引起散斑场的变化，因此通过测量散斑场的变化就可以获取物体的状态变化信息。
目前，温度测量技术是人类生产生活中不可或缺的技术之一，多模光纤散斑传感技术作为一种新兴传感技术也可用于环境温度的测量，它基于光纤中光传导模式的分布随外界温度变化而改变的原理，具有高灵敏度、低成本等优点。但是由于光纤的几何长度较长，绕圈之后固定较为麻烦，且占用体积较大，测量过程中测量精度和稳定性极易受震动影响；另一方面，散斑统计法只适用于较小的温度变化，所以此技术对于温度测量的动态范围较小，虽然通过建立新的参考散斑可以提升其动态范围，但这又会带来新的测量误差。
因此，如何研发一种温度测量精度高、稳定性强且测量的动态范围大的晶体光波导散斑温度测量方法及系统是本领域技术人员需要解决的技术难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种设计合理、温度测量的动态范围大且测量精度高的基于飞秒激光写入的晶体光波导散斑温度测量方法及系统。
本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：
一种基于飞秒激光写入的晶体光波导散斑温度测量方法，包括以下步骤：
步骤1、采用飞秒激光写入技术在立方系晶体中写入不同几何形状的通道型包层光波导，且该通道型包层光波导的芯径取值范围为50μm-100μm；
步骤2、采用端面耦合技术将不同波长的激光耦合进入所述步骤1的通道型包层光波导，并在改立方系晶体温度的同时记录温度变化过程中通道型包层光波导出射端的散斑图；
步骤3、对步骤2中不同温度下所收集的散斑图样进行计算处理来解析温度变化。
而且，所述步骤1的立方系晶体为铌酸锂晶体，在铌酸锂晶体中写入半圆形的通道型包层光波导，且该通道型包层光波导的芯径取值范围为60μm。
而且，所述步骤3的具体方法为：设置初始温度下的散斑图为参考，采用如下公式计算出温度变化之后的散斑图与参考散斑图之间的平均强度变化，并将温度变化与对应的散斑强度变化进行线性拟合，并根据此线性关系来解析温度变化；
上式中，AIV表示温度变化之后的散斑图与参考散斑图之间的平均强度变化，X·Y表示散斑图的像素大小，(x,y)表示散斑图中某个像素的坐标， 代表初始散斑图在(x,y)坐标处的像素灰度值，则为第i个温度状态下所拍摄散斑图在对应位置处的像素灰度值。
一种用于实现步骤1的采用飞秒激光写入技术在立方系晶体中写入不同几何形状的通道型包层光波导的实验系统，包括飞秒激光器、半波片、格兰泰勒棱镜、中性滤波片、分色镜、三维电动平台、控制器、计算机、电动快门、照明光源、CCD、透镜和分束镜；所述飞秒激光器射出的飞秒激光依次经过半波片、格兰泰勒棱镜、中性滤波片和分色镜后由显微物镜聚焦在立方系晶体样品表面或内部，用于形成通道型包层光波导；所述电动快门设置在中性滤波片和分色镜之间，其一端与计算机相连接，用于控制飞秒激光器的开关；该计算机还通过控制器与三维电动平台连接，该三维电动平台上放置有立方系晶体样品，用于调控晶体样品的写入速率和写入深度的参数；所述照明光源依次经过分束镜、分色镜和显微物镜照射到立方系晶体样品上，反射光再依次经过显微物镜、分色镜、分束镜和透镜后投射到CCD，并将CCD与计算机连接，用于对通道型包层光波导刻制过程进行实时观察。
一种用于实现步骤2的采用端面耦合技术将不同波长的激光耦合进入通道型包层光波导，并在改立方系晶体温度的同时记录温度变化过程中通道型包层光波导出射端的散斑图的实验系统，包括三台波长不同的激光器、反射镜、分束镜、半波片、显微物镜、通道型包层光波导、半导体制冷片和CCD；所述三台波长不同的激光器平行放置，其出射激光分别经反射镜和分束镜置于同一水平轴，再经过半波片和显微物镜耦合进通道型包层光波导，该通道型包层光波导出射端的光经过显微物镜投射到CCD，用于散斑图的拍摄；所述半导体制冷片置于立方系晶体下方，用于对该立方系晶体施加温度变化。
本发明的优点和有益效果：
1、本发明利用飞秒激光写入技术制备的不同几何形状的通道型包层光波导，在保障测量精度的同时，可以提升温度测量的动态范围，例如，在实验中，利用飞秒激光写入技术制备的钇铝石榴石通道型包层光波导用于温度传感的精度可达0.05℃，并且半圆形通道型包层光波导对于温度传感的动态范围可达10℃，明显优于矩形通道型包层光波导的动态范围通常为3℃。
2、本发明采用相较于多模光纤几何尺寸更小的通道型包层光波导制备成各种几何结构，并且可以应用于多种材料(例如钇铝石榴石晶体、铌酸锂晶体等)，这对于我们进行不同环境下的多种测试，并得到最优性能(诸如动态范围、传感精度等)提供了良好的选择，实验证明，在铌酸锂晶体中刻制的芯径为60μm的通道型包层光波导对于温度传感的动态范围可达20℃。
附图说明
图1是本发明的步骤1的利用飞秒激光技术加工通道型包层光波导的实验系统结构示意图；
图2(a)-(c)是本发明的通道型包层光波导显微图与散斑图；
图3是本发明的步骤2的采用端面耦合技术将不同波长的激光耦合进入通道型包层光波导的试验系统结构示意图；
图4(a)-(f)是本发明的散斑强度变化随温度变化的关系的实验结果图；
图5(a)是本发明的散斑强度变化在不同波长激光作用下随温度增加的变化趋势的半圆形通道型包层光波导实验结果图；
图5(b)是本发明的散斑强度变化在不同波长激光作用下随温度增加的变化趋势的矩形通道型包层光波导实验结果图；
图6(a)是本发明的在不同强度的激光作用下散斑强度变化随温度增加的变化趋势的半圆形通道型包层光波导实验结果图；
图6(b)是本发明的在不同强度的激光作用下散斑强度变化随温度增加的变化趋势的矩形通道型包层光波导实验结果图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：
一种基于飞秒激光写入的晶体光波导散斑温度测量方法，包括以下步骤：
步骤1、采用飞秒激光写入技术在立方系晶体中写入不同几何形状的通道型包层光波导，且该通道型包层光波导的芯径取值范围为50μm-100μm；
所述立方系晶体可为钇铝石榴石晶体或铌酸锂晶体等，在本实施例中，所述采用飞秒激光写入技术在钇铝石榴石晶体(Nd:YAG晶体)中写入通道型包层光波导，这将为步骤2的温度测量提供最重要的感应元件。并根据需要将该通道型包层光波导制备成不同几何形状(我们这里制备成矩形和半圆形)以便比较其对动态范围的影响，且该通道型包层光波导的芯径应该在50-100μm左右以保证光在其中传输时呈现多种模式，从而为步骤2散斑图的采集提供良好的前提条件。
在本实施例中，所述步骤1的采用飞秒激光写入技术在立方系晶体中写入通道型包层光波导的实验系统如图1所示，包括飞秒激光器、半波片、格兰泰勒棱镜(用作偏振器)、中性滤波片、分色镜、三维电动平台、控制器、计算机、电动快门、照明光源、CCD(图像传感器)、透镜和分束镜；所述飞秒激光器射出的飞秒激光依次经过半波片、格兰泰勒棱镜(用作偏振器)、中性滤波片和分色镜后由显微物镜聚焦在晶体样品表面或内部，用于形成通道型包层光波导；所述电动快门设置在中性滤波片和分色镜之间，其一端与计算机相连接，用于控制飞秒激光器的开关；该计算机还通过控制器与三维电动平台连接，该三维电动平台上放置有立方系晶体样品，用于调控晶体样品的写入速率和写入深度的参数；所述照明光源依次经过分束镜、分色镜和显微物镜照射到立方系晶体样品上，反射光再依次经过显微物镜、分色镜、分束镜和透镜后，投射到CCD，并将CCD与计算机连接，用于对通道型包层光波导刻制过程进行实时观察。
利用该实验系统在钇铝石榴石晶体(Nd:YAG晶体)中写入通道型包层光波导的加工过程为：将样品放置在水平方向(XY方向)分辨率为100nm，垂直方向(Z方向)分辨率为1μm的XYZ三维电动平台上，由飞秒激光器射出的飞秒激光依次经过半波片、格兰泰勒棱镜(用作偏振器)、中性滤波片和分色镜的光学元件后由显微物镜聚焦在样品表面或内部；并通过调节光学元件可以实现对飞秒激光的偏振、脉冲能量等参数进行调整，焦点处材料折射率升高或降低，最终经过一次或数次扫描，形成通道光波导。
在本实施例中，与计算机连接的电动快门配合写入加工程序，用来控制飞秒激光器的开关。CCD可以提供直观、实时的加工图像，为实现精细加工提供保障。三维电动平台由计算机软件控制，可以根据实验需求编写程序代码，调控写入速率、写入深度等参数。
在本实施例中，飞秒激光的工作中心波长为800nm，脉宽为120fs，重复频率为1kHz，最高脉冲能量为1mJ。飞秒激光经过40×的显微物镜(Leica，N.A.＝0.65)聚焦在Nd：YAG晶体表面(10×10mm2)或内部开始写入。
并为避免写入过程中激光能量过高形成晶体裂痕或能量过低无法形成明显的折射率改变，飞秒激光经中性滤波片、半波片以及线偏振片等光学元件后，其单脉冲能量被设定为0.2～0.4μJ，并以700μm/s的扫描速率对样品进行扫描。通过多次扫描过程中调整激光聚焦深度，在晶体内部形成大量间隔为3～4μm、不同深度的写入痕迹。这些写入痕迹处折射率降低，其包裹区域折射率相对升高，该区域即为通道型包层光波导。
图2为晶体光波导显微图与散斑图，其中图2(a)和图2(b)分别为半圆形和矩形波导的显微镜截面图及其460nm波长下的散斑图，图2(c)为矩形波导的显微镜俯视图像，可以很清楚地观察到飞秒激光在晶体中写入的痕迹。
步骤2、采用端面耦合技术将不同波长的激光耦合进入所述步骤1的通道型包层光波导，在通道型包层光波导的出射端面会出现由于多模式干涉而形成的散斑图，并在改变立方系晶体样本温度的同时用图像传感器记录温度变化过程中通道型包层光波导出射端的散斑图；
在本实施例中，所述步骤2的实验系统如图3所示，包括波长不同的三台激光器(波长分别为633nm、532nm和460nm)、反射镜、分束镜、半波片、显微物镜、通道型包层光波导、半导体制冷片和CCD；所述波长不同的三台激光器平行放置，其出射激光分别经反射镜和分束镜置于同一水平轴，再经过半波片和显微物镜耦合进通道型包层光波导，该通道型包层光波导出射端的光经过显微物镜投射到CCD，用于散斑图的拍摄；所述半导体制冷片置于立方系晶体下方，用于对该立方系晶体施加温度变化。
利用反射镜和分束镜将三台不同波长的激光束同轴放置(用来验证不同波长激光对于系统灵敏度的影响)，激光束经物镜聚焦并耦合到通道型包层光波导中，并在通道型包层光波导中激发多种模式，这些模式在通道型包层光波导出射端相互干涉形成的散斑图经物镜成像到图像传感器(CCD)，并由CCD记录下来，半导体制冷片主要用于对晶体施加温度变化。
所述步骤2的工作原理为：
采用端面耦合技术，利用显微物镜将入射激光汇聚后，经波导入射端面垂直耦合进入波导内，经传输后由对应波导端面出射，出射光经过物镜收集后可以进行测量。不同波长的激光耦合进波导后，会在波导中激发多种传播模式，这些模式的随机干涉会在波导出射端形成含有亮暗斑点的散斑图，半导体制冷器对晶体施加的温度变化会引起热膨胀效应从而导致晶体的微小形变以及折射率的微小变化，使得光波导中的模式重新分布，最终导致光波导出射端散斑图产生变化，图像传感器(CCD)则用来记录温度变化过程中通道型包层光波导出射端的散斑图样。
步骤3、对步骤2中不同温度下所收集的一系列散斑图样进行计算处理来解析温度变化，我们设置初始温度下的散斑图为参考，计算出温度变化之后的散斑图与参考散斑图之间的平均强度变化(即两张散斑图对应像素间的灰度差值的绝对值取平均)，并将温度变化与对应的散斑强度变化进行线性拟合，根据此线性关系来解析温度变化。
在本实施例中，所述步骤3的具体方法是：对不同温度下所收集的一系列散斑图样进行计算处理，我们设置初始温度下的散斑图为参考，采用MATLAB软件和如下公式计算出温度变化之后的散斑图与参考散斑图之间的平均强度变化(Average intensityvariation,AIV)，即两张散斑图对应像素间的灰度差值的绝对值取平均，算法如公式1所示，并将温度变化与对应的散斑强度变化进行线性拟合，并根据此线性关系来解析温度变化。
上式中，AIV表示温度变化之后的散斑图与参考散斑图之间的平均强度变化，X·Y表示散斑图的像素大小，(x,y)表示散斑图中某个像素的坐标， 代表初始散斑图在(x,y)坐标处的像素灰度值，则为第i个温度状态下所拍摄散斑图在对应位置处的像素灰度值。
图4为散斑强度变化随温度变化的关系的实验结果图，其中，图4(a)-(c)为半圆形波导的计算结果，(a)、(b)、(c)分别为不同温度变化幅度下的实验结果，(d-f)为矩形波导的计算结果。由图可以看出平均强度变化随温度增加呈稳定良好的线性变化关系，其中半圆形波导的动态范围可达10℃(见图4(a))，而矩形波导的动态范围只有3℃左右(见图4(d))，此外，两种形状的波导的传感精度都能达到0.05℃(见图4(c),(f))。如图4所示的实验结果表明，散斑强度变化在一定范围内随温度增加呈稳定良好的线性关系，而这个范围(即动态范围)会因为晶体波导的形状不同而略有差异，其中矩形波导的动态范围为3℃，而半圆形波导的动态范围可达10℃，这意味着我们可以通过制备不同形状的波导来提升散斑传感器的动态范围，这种方法相较于建立新的参考散斑来说具有更小的误差。
图5是采用不同波长的激光得到的实验结果图；其中，图5(a)是本发明的散斑强度变化在不同波长激光作用下随温度增加的变化趋势的半圆形通道型包层光波导实验结果图；图5(b)是本发明的散斑强度变化在不同波长激光作用下随温度增加的变化趋势的矩形通道型包层光波导实验结果图；
理论上入射激光波长越短，光波导中的模式越多，温度变化引起的模间的相位差越大，从而使得由于模间干涉而形成的散斑图的强度变化更大，有利于提高晶体光波导温度传感器的灵敏度。如图5所示，在不同激光作用下，平均强度变化仍然随温度增加呈线性变化，并且系统所选的入射激光波长越短，散斑的平均强度变化越大，意味着波导的传感灵敏度越高。这一现象与理论分析相符。
入射激光的光强也是影响波导传感灵敏度的一个因素，图6是采用460nm激光以不同强度入射波导得到的实验结果；其中，图6(a)是本发明的在不同强度的激光作用下散斑强度变化随温度增加的变化趋势的半圆形通道型包层光波导实验结果图；图6(b)是本发明的在不同强度的激光作用下散斑强度变化随温度增加的变化趋势的矩形通道型包层光波导实验结果图。如图所示，入射激光光强越大，散斑图之间的平均强度变化越大，这意味着适度增大入射光强可以提升波导的传感灵敏度，适当增加入射激光的强度也会提升其灵敏度，这对于传感系统的优化提供了良好的选择条件。但是需要注意的是光强一般被限制在不使CCD的像素灰度值出现饱和的范围内，如果测试光强较高，可以通过添加衰减片的方式降低光强，防止CCD设备遭受损坏。
本发明的工作原理是：
飞秒激光写入技术是目前制备光波导最有效的技术之一，它不需要结合光刻掩膜技术，加工过程快速高效，对实验环境等条件要求低；该技术适用性广泛，可以应用于玻璃、晶体、陶瓷等多种材料中制备光波导；其空间分辨率较高，可以达到几十纳米加工精度，实现精准维纳加工，且加工过程中热效应不明显，不易对材料产生损坏；另外，飞秒激光加工技术是一项真正的三维加工技术，它可以在衬底材料内任意深度完成具有任意长度和角度的波导结构制备，便于制备不同几何形状的光波导器件。
飞秒激光写入制备光波导主要是通过具有较强穿透能力近红外超短脉冲激光在透明光学材料中进行激光诱导从而改变材料的折射率，完成制备工作。激光诱导过程中，飞秒激光脉冲能量主要通过非线性光学过程被材料吸收，如双光子或多光子吸收，并在短时间内引起隧穿电离和雪崩电离，从而引起应力场改变，致使焦点处材料折射率升高或降低，最终经过一次或数次扫描，形成通道光波导。
采用飞秒激光写入技术在晶体(如：钕掺杂钇铝石榴石晶体，铌酸锂晶体等)中制备的较大尺寸的包层光波导，激光在波导结构中传输时通常呈现多种模式，这种现象显然不利于激光晶体在波导激光方面的应用，但是由于多种模式干涉引起的散斑现象恰好属于散斑计量技术范畴，因此我们可以借助散斑计量技术，基于大尺寸包层光波导结构中的散斑模式，实现对晶体所处环境温度变化的高精度传感测量。
需要强调的是，本发明所述实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。
Claims (5)
1.一种基于飞秒激光写入的晶体光波导散斑温度测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、采用飞秒激光写入技术在立方系晶体中写入不同几何形状的通道型包层光波导，且该通道型包层光波导的芯径取值范围为50μm-100μm；
步骤2、采用端面耦合技术将不同波长的激光耦合进入所述步骤1的通道型包层光波导，并在改立方系晶体温度的同时记录温度变化过程中通道型包层光波导出射端的散斑图；
步骤3、对步骤2中不同温度下所收集的散斑图样进行计算处理来解析温度变化。
2.根据权利要求1或2所述的一种基于飞秒激光写入的晶体光波导散斑温度测量方法，其特征在于：所述步骤1的立方系晶体为铌酸锂晶体，在铌酸锂晶体中写入半圆形的通道型包层光波导，且该通道型包层光波导的芯径取值范围为60μm。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于飞秒激光写入的晶体光波导散斑温度测量方法，其特征在于：所述步骤3的具体方法为：设置初始温度下的散斑图为参考，采用如下公式计算出温度变化之后的散斑图与参考散斑图之间的平均强度变化，并将温度变化与对应的散斑强度变化进行线性拟合，并根据此线性关系来解析温度变化；
上式中，AIV表示温度变化之后的散斑图与参考散斑图之间的平均强度变化，X·Y表示散斑图的像素大小，(x,y)表示散斑图中某个像素的坐标，代表初始散斑图在(x,y)坐标处的像素灰度值，则为第i个温度状态下所拍摄散斑图在对应位置处的像素灰度值。
4.如权利要求1至3的任一项权利要求所述步骤1的采用飞秒激光写入技术在立方系晶体中写入不同几何形状的通道型包层光波导的实验系统，其特征在于：包括飞秒激光器、半波片、格兰泰勒棱镜、中性滤波片、分色镜、三维电动平台、控制器、计算机、电动快门、照明光源、CCD、透镜和分束镜；所述飞秒激光器射出的飞秒激光依次经过半波片、格兰泰勒棱镜、中性滤波片和分色镜后由显微物镜聚焦在立方系晶体样品表面或内部，用于形成通道型包层光波导；所述电动快门设置在中性滤波片和分色镜之间，其一端与计算机相连接，用于控制飞秒激光器的开关；该计算机还通过控制器与三维电动平台连接，该三维电动平台上放置有立方系晶体样品，用于调控晶体样品的写入速率和写入深度的参数；所述照明光源依次经过分束镜、分色镜和显微物镜照射到立方系晶体样品上，反射光再依次经过显微物镜、分色镜、分束镜和透镜后投射到CCD，并将CCD与计算机连接，用于对通道型包层光波导刻制过程进行实时观察。
5.如权利要求1至3的任一项权利要求所述步骤2的采用端面耦合技术将不同波长的激光耦合进入通道型包层光波导,并在改立方系晶体温度的同时记录温度变化过程中通道型包层光波导出射端的散斑图的实验系统，其特征在于：包括三台波长不同的激光器、反射镜、分束镜、半波片、显微物镜、通道型包层光波导、半导体制冷片和CCD；所述三台波长不同的激光器平行放置，其出射激光分别经反射镜和分束镜置于同一水平轴，再经过半波片和显微物镜耦合进通道型包层光波导，该通道型包层光波导出射端的光经过显微物镜投射到CCD，用于散斑图的拍摄；所述半导体制冷片置于立方系晶体下方，用于对该立方系晶体施加温度变化。
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