一种材料光致热效应的温度测量方法与流程

本发明涉及温度测量技术领域，尤其涉及一种材料光致热效应的温度测量方法。

背景技术

光热效应是材料的一种重要性质。材料的光热效应在医学治疗、磁存储等领域具有良好的应用前景。

传统的材料光致热效应的温度变化测量一般可利用热电偶、热敏电阻温度计、热成像仪等设备，这类传感器敏感度较低、无法实现微区局域温度测量。为了实现材料光热导致的微区局部温度的测量，人们开发出了测量方法，主要有光学干涉法、热透镜法、光热外差法，这三种方法分别采用了局部温度升高所导致的相位、折射率等变化所导致的干涉信号和散射和投射光信号的变化来监测，精度较高，但设备精密昂贵。此外还有荧光和拉曼分子探针法，利用敏感分子的荧光和拉曼信号对温度敏感的特点实现局部温度的间接测量。这种方法的测量需要对探针分子要求很高，需要对温度进行精确的标定。

综上所述，目前材料光致热效应的温度变化测量方法具有如下缺陷：测量的敏感度较低、无法实现微区局域温度测量，测量设备昂贵或实现难度高。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述不足，提出一种材料光致热效应的温度测量方法，结构简单、易于实现，测量精度高，适用于对材料与光纤等衬底界面处局部光致热效应的温度变化的实时检测。

为了解决上述技术问题，本申请提出了一种材料光致热效应的温度测量方法。

所述材料光致热效应的温度测量方法包括：

使用激光照射光纤光栅，测量光纤光栅在激光照射下温度升高引起的共振波长的第一偏移量δλ1；

将待测材料包覆在光纤光栅的表面，并使用同样的激光照射光纤光栅，测量光纤光栅共振波长的第二偏移量δλ2；

根据第一偏移量δλ1和第二偏移量δλ2，确定激光照射使待测材料产生的温度变化量。

可选地，所述共振波长为经过光纤光栅反射的反射光的波长。

可选地，所述第一偏移量δλ1和第二偏移量δλ2的测量方式为：宽带光源发出的光经光纤光栅反射输入光谱分析仪，光谱分析仪测量出反射光的偏移量。

可选地，激光照射使待测材料产生的温度变化量计算公式如下：

其中，δt为激光照射使待测材料产生的温度变化量；δλ1为共振波长的第一偏移量；δλ2为共振波长的第二偏移量；s为光纤光栅波长温度敏感系数，即外界温度每变化1℃光纤光栅共振波长产生的偏移量。

可选地，所述光纤光栅为布拉格光栅或长周期光栅。

可选地，所述待测材料为金属、半导体微纳米结构或薄膜。

可选地，所述将待测材料包覆在光纤光栅的表面具体为：

通过涂敷法、提拉法、滴加法、物理或化学气相沉积将待测材料包覆在光纤光栅的表面。

本发明提出了一种材料光致热效应的温度测量方法，结构简单、易于实现、测量精度高，适用于对材料与光纤等衬底界面处局部光热温度变化的实时检测。本申请的测量方法尤其适应于在光热效应下微纳米材料的局部温度的测量。

附图说明

图1是根据一示例性实施例示出的材料光致热效应的温度测量方法的应用场景图。

图2是根据一示例性实施例示出的材料光致热效应的温度测量方法的流程图。

图3是根据一示例性实施例示出的光纤光栅的反射波长与温度关系的曲线图。

图4是根据一示例性实施例示出的包覆于光纤光栅表面的待测材料银纳米粒子的扫描电镜图。

图5是根据一示例性实施例示出的光纤光栅包覆银纳米粒子前后的共振波长偏移量随激光照射时间的变化曲线图。

图6是根据一示例性实施例示出的包覆于光纤光栅表面的银纳米棒的扫描电镜图。

图7是根据一示例性实施例示出的光纤光栅包覆银纳米棒前后的共振波长偏移量随激光照射时间的变化曲线图。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

还应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于理解本发明，并不用于限定本发明。

图1是根据一示例性实施例示出的材料光致热效应的温度测量方法的应用场景图，涉及宽带光源11、光纤光栅13、光谱分析仪12、待测材料14、激光15。

激光15用于照射光纤光栅13和待测材料14，使光纤光栅13和待测材料14因光热效应温度升高。

宽带光源11发出的光经光纤光栅13反射输入光谱分析仪12，光谱分析仪12测量出反射光的波长偏移量。

在包覆待测材料14前后，使用激光15照射光纤光栅13，并通过光谱分析仪12测量出反射光的波长偏移量，进而计算出待测材料14的温度变化量。

图2是根据一示例性实施例示出的材料光致热效应的温度测量方法的流程图，详述如下：

步骤s201，使用激光照射光纤光栅，测量光纤光栅在激光照射下温度升高引起的共振波长的第一偏移量。

在本实施例中，可使用激光器照射光纤光栅；由于光纤光栅在激光照射下，产生光热效应，导致温度升高，使得光纤光栅的共振波长产生偏移。

步骤s202，将待测材料包覆在光纤光栅的表面，并使用同样的激光照射光纤光栅，测量光纤光栅共振波长的第二偏移量。

在本实施例中，所述待测材料为金属、半导体微纳米结构或薄膜。

在本实施例中，所述将待测材料包覆在光纤光栅的表面具体为：

通过涂敷法、提拉法、滴加法、物理或化学气相沉积将待测材料包覆在光纤光栅的表面。

当再次使用同样的激光照射光纤光栅时，待测材料因光热效应产生温度改变。

需要说明的是，第二偏移量为光纤光栅和待测材料共同引起的。

在本实施例中，第一偏移量记为δλ1，第二偏移量记为δλ2；第一偏移量δλ1为光纤光栅的光热效应引起的温升所导致的共振波长的偏移；第二偏移量δλ2为光纤光栅和待测材料的光热效应引起的温升所导致的共振波长的偏移。

步骤s203，根据第一偏移量和第二偏移量，确定激光照射使待测材料产生的温度变化量。

需要说明的是，光纤光栅的共振波长在外界温度改变时发生偏移，通过共振波长的偏移量可计算温度变化量。

第一偏移量δλ1由光纤光栅光热效应的引起，第二偏移量δλ2由光纤光栅和待测材料的光热效应共同引起。第二偏移量δλ2减去第一偏移量δλ1可得到待测材料的光热效应引起的共振波长的偏移。

进一步地，激光照射使待测材料产生的温度变化量计算公式如下：

其中，δt为激光照射使待测材料产生的温度变化量；δλ1为共振波长的第一偏移量；δλ2为共振波长的第二偏移量；s为光纤光栅波长温度敏感系数，即外界温度每变化1℃光纤光栅共振波长产生的偏移量。

在本实施例中，所述共振波长为经过光纤光栅反射的反射光的波长。

在本实施例中，所述第一偏移量δλ1和第二偏移量δλ2的测量方式为：宽带光源发出的光经光纤光栅反射输入光谱分析仪，光谱分析仪测量出反射光的偏移量。

在本实施例中，所述光纤光栅为布拉格光栅或长周期光栅。

在本实施例中，可采用布拉格光栅，图3是根据一示例性实施例示出的光纤光栅的反射波长与温度关系的曲线图；在该曲线图中，横坐标为温度，纵坐标为共振波长；由此，光纤光栅波长温度敏感系数s为0.0042nm/℃，即外界温度每变化1℃光纤光栅共振波长产生的偏移量0.0042nm/℃。

为了便于说明，本实施例提供了两个测量实例，详述如下：

图4是根据一示例性实施例示出的包覆于光纤光栅表面的待测材料银纳米粒子的扫描电镜图。图5是光纤光栅包覆银纳米粒子前后的共振波长偏移量随激光照射时间的变化曲线图。

在图5中，fbg曲线为光纤光栅表面包覆银纳米粒子前，共振波长偏移量随激光照射时间的变化曲线；fbg+`agnps曲线为光纤光栅表面包覆银纳米粒子后，共振波长偏移量随激光照射时间的变化曲线。

在本申请实施例中，激光的功率为135nw，波长为442nm。

根据测量结果，根据测量结果计算得出待测材料银纳米粒子在光纤表面的光热致温度变化为3.18℃。

此外，将待测银纳米粒子用滴加法包覆在光纤光栅表面，其表面形貌如图4所示。

图6是根据一示例性实施例示出的包覆于光纤光栅表面的银纳米棒的扫描电镜图。图7是光纤光栅包覆银纳米棒前后的共振波长偏移量随激光照射时间的变化曲线图。

在图7中，fbg曲线为光纤光栅表面包覆银纳米棒前，共振波长偏移量随激光照射时间的变化曲线；fbg+agnr曲线为光纤光栅表面包覆银纳米棒后，共振波长偏移量随激光照射时间的变化曲线。

在本申请实施例中，激光的功率为135nw，波长为442nm。

根据测量结果，根据测量结果计算得出待测材料银纳米棒在光纤表面的光热致温度变化为8.13℃。

此外，将待测银纳米棒用滴加法包覆在光纤光栅表面，其表面形貌如图6所示。

本申请将待测材料通过涂敷、滴加、提拉、物理或气相沉积的方法包覆在光纤光栅表面。外加激光激发，记录光纤光栅共振峰位的变化，获得温度变化后去除光纤光栅本身的光热致温度变化，最终获得待测材料光热效应引起的界面处局部温度变化。

本发明提出了一种材料光致热效应的温度测量方法，结构简单、易于实现、测量精度高，适用于对材料与光纤等衬底界面处局部光热温度变化的实时检测。本申请的测量方法尤其适应于在光热效应下微纳米材料的局部温度的测量。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。