测量时空温度分布及温度相位分布的拉曼光谱方法和装置与流程
本发明涉及光学温度测量技术领域，尤其涉及一种测量时空温度分布及温度相位分布的拉曼光谱方法和装置。
背景技术：
随着通信技术和信息技术的不断发展，信息设备的体积逐渐缩小，然而信息设备的功耗却逐渐上升，由此将导致高热流密度散热问题。为了解决信息设备的散热问题，研究人员尝试开发新型纳米材料，但是纳米材料投入使用的先决条件为需准确确定纳米材料的热物理性质。
然而，测定纳米材料的热物理性质，首先需要测定纳米材料的温度分布，但由于纳米材料体积小、热容小，传统的接触式方法，如热电偶、热电阻测温，已经无法满足测量的需求。因此，可以通过非接触式方法，测量纳米材料温度。常用的非接触式方法包括飞秒激光热反射法和红外热成像法，其中，飞秒激光热反射法，可以测量纳米材料温度随时间的变化，但这一方法难以获得纳米材料温度在空间的温度分布，且此方法仅适用于厚度超过10nm的纳米薄膜，局限性较高，使用受到限制。而红外热成像法，可以获得纳米材料温度在空间的稳态温度分布，但其空间分辨率受到光的波长限制，不适用于高空间分辨率要求下的温度分布测量，此外，红外热成像法响应速度慢，主要被用于测量稳态的温度场，难以测定纳米材料温度随时间的变化，无法获得瞬态空间温度分布。
综上所述，现有的温度测量方法尚不能实现纳米材料的瞬态空间温度分布测量，因此，如何实现同时测量稳态和瞬态空间温度分布及温度相位分布，成为亟待解决的难题。
技术实现要素：
本发明提出一种测量时空温度分布及温度相位分布的拉曼光谱方法和装置，以实现非接触式、高分辨率的同时测量稳态和瞬态空间温度分布及温度相位分布，用于解决现有技术中无法实现同时测量稳态和瞬态空间温度分布及温度相位分布的技术问题。
本发明第一方面实施例提出了一种测量时空温度分布及温度相位分布的拉曼光谱方法，包括：
s1，通过连续加热激光，加热待测样品，以构造稳态温度场，并采用连续探测激光，探测所述待测样品温度，及调整所述连续探测激光的光斑中心位置，以获取所述待测样品温度在空间维度上的稳态空间温度分布；其中，所述连续探测激光的波长与所述连续加热激光的波长不同；
s2，通过脉冲加热激光，加热所述待测样品，以构造瞬态温度场，采用脉冲探测激光，探测所述待测样品温度，调整所述脉冲探测激光的光斑中心位置，并调整所述脉冲加热激光和所述脉冲探测激光之间的时间延迟，以获取所述待测样品温度在任意时刻的瞬态空间温度分布；其中，所述脉冲探测激光的波长与所述脉冲加热激光的波长不同；
s3，通过所述脉冲加热激光，加热所述待测样品，以构造被测温度场，并固定所述脉冲探测激光的光斑中心位置，及调整所述脉冲加热激光和所述脉冲探测激光之间的时间延迟，以获取所述待测样品在所述脉冲探测激光的光斑中心位置处温度随所述时间延迟变化的曲线，并计算所述曲线与所述脉冲加热激光的相位差，以及调整所述脉冲探测激光的光斑中心位置，以获取所述待测样品温度在不同空间位置的相位分布。
本发明实施例的测量时空温度分布及温度相位分布的拉曼光谱方法，可以通过连续加热激光，加热待测样品，以构造稳态温度场，并采用连续探测激光，探测待测样品温度，及调整连续探测激光的光斑中心位置，以获取待测样品温度在空间维度上的稳态空间温度分布；可以通过脉冲加热激光，加热待测样品，以构造瞬态温度场，采用脉冲探测激光，探测所述待测样品温度，调整脉冲探测激光的光斑中心位置，并调整脉冲加热激光和脉冲探测激光之间的时间延迟，以获取待测样品温度在不同时刻的瞬态空间温度分布；可以通过脉冲加热激光，加热待测样品，以构造被测温度场，并固定脉冲探测激光的光斑中心位置，及调整脉冲加热激光和脉冲探测激光之间的时间延迟，以获取待测样品在脉冲探测激光的光斑中心位置处温度随时间延迟变化的曲线，并计算曲线与脉冲加热激光的相位差，以及调整脉冲探测激光的光斑中心位置，以获取待测样品温度在不同空间位置的相位分布。由此，通过设置不同的激光波长、激光光斑中心位置，即可分别控制双激光束实现非接触式、高分辨率的同时测量稳态和瞬态空间温度分布及温度相位分布。
本发明第二方面实施例提出了一种测量时空温度分布及温度相位分布的拉曼光谱装置，包括：
稳态测量模块，用于通过连续加热激光，加热待测样品，以构造稳态温度场，并采用连续探测激光，探测所述待测样品温度，及调整所述连续探测激光的光斑中心位置，以获取所述待测样品温度在空间维度上的稳态空间温度分布；其中，所述连续探测激光的波长与所述连续加热激光的波长不同；
瞬态测量模块，用于通过脉冲加热激光，加热所述待测样品，以构造瞬态温度场，采用脉冲探测激光，探测所述待测样品温度，调整所述脉冲探测激光的光斑中心位置，并调整所述脉冲加热激光和所述脉冲探测激光之间的时间延迟，以获取所述待测样品温度在任意时刻的瞬态空间温度分布；其中，所述瞬态探测激光的波长与所述瞬态加热激光的波长不同；
相位测量模块，用于通过所述脉冲加热激光，加热所述待测样品，以构造被测温度场，并固定所述脉冲探测激光的光斑中心位置，及调整所述脉冲加热激光和所述脉冲探测激光之间的时间延迟，以获取所述待测样品在脉冲探测激光的光斑中心位置处温度随所述时间延迟变化的曲线，并计算所述曲线与所述脉冲加热激光的相位差，以及调整所述脉冲探测激光的光斑中心位置，以获取所述待测样品温度在不同空间位置的相位分布。
本发明实施例的测量时空温度分布及温度相位分布的拉曼光谱装置，可以通过连续加热激光，加热待测样品，以构造稳态温度场，并采用连续探测激光，探测待测样品温度，及调整连续探测激光的光斑中心位置，以获取待测样品温度在空间维度上的稳态空间温度分布；可以通过脉冲加热激光，加热待测样品，以构造瞬态温度场，并采用脉冲探测激光，探测待测样品温度，调整脉冲探测激光的光斑中心位置，及调整脉冲加热激光和脉冲探测激光之间的时间延迟，以获取待测样品温度在任意时刻的瞬态空间温度分布；可以通过脉冲加热激光，加热待测样品，以构造被测温度场，并固定脉冲探测激光的光斑中心位置，及调整脉冲加热激光和脉冲探测激光之间的时间延迟，以获取待测样品在脉冲探测激光的光斑中心位置处温度随时间延迟变化的曲线，并计算曲线与脉冲加热激光的相位差，以及调整脉冲探测激光的光斑中心位置，以获取待测样品温度在不同空间位置的相位分布。由此，通过设置不同的激光波长、激光光斑中心位置，即可分别控制双激光束实现非接触式、高分辨率的同时测量稳态和瞬态空间温度分布及温度相位分布。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明实施例一所提供的测量时空温度分布及温度相位分布的拉曼光谱方法的流程示意图；
图2为本发明实施例二所提供的测量时空温度分布及温度相位分布的拉曼光谱系统的结构示意图；
图3为本发明实施例三所提供的测量稳态空间温度分布的拉曼光谱方法的流程示意图；
图4为本发明实施例中测量稳态空间温度分布过程示意图；
图5为本发明实施例四所提供的测量瞬态空间温度分布的流程示意图；
图6为本发明实施例中脉冲加热激光和脉冲探测激光的序列，以及待测样品温度变化示意图；
图7为本发明实施例中测量瞬态空间温度分布过程示意图；
图8为本发明实施例五所提供的测量温度相位分布的拉曼光谱方法的流程示意图；
图9为本发明实施例中测量温度相位分布过程示意图；
图10为本发明实施例中在不同位置测量的温度周期性变化的相位差示意图；
图11为本发明实施例六所提供的测量时空温度分布及温度相位分布的拉曼光谱装置的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
现有技术中，接触式方法难以测量纳米尺度温度分布，非接触式方法可以用于测量纳米材料温度分布，普通非接触式方法难以实现高空间分辨率和高时间分辨率的温度测量。
拉曼光谱法作为一种非接触式方法，可以测量单原子层厚度的纳米样品，是一种理想的纳米尺度测温工具。其中，拉曼光谱法通过测量待测样品的拉曼特征峰峰位的偏移，来进一步确定待测样品的温度。目前，拉曼光谱法已经可以实现高时间分辨率的温度变化测量，但是，传统拉曼光谱法的空间分辨率受到光斑大小的影响，而高分辨率的针尖增强拉曼光谱法，在实际中主要适用于金或银基底的待测样品，不具备普遍性，且针尖增强拉曼光谱法的分辨率直接依赖于针尖制备，实际测量中操作困难。同时，现有的拉曼光谱法也无法实现在同一热源基础上，不同位置的温度变化的相位分布测量。
因此，本发明主要针对现有技术中无法实现同时测量稳态和瞬态空间温度分布及温度相位分布的技术问题，提出一种测量时空温度分布及温度相位分布的拉曼光谱方法。
本发明实施例的测量时空温度分布及温度相位分布的拉曼光谱方法，可以通过连续加热激光，加热待测样品，以构造稳态温度场，并采用连续探测激光，探测待测样品温度，及调整连续探测激光的光斑中心位置，以获取待测样品温度在空间维度上的稳态空间温度分布；可以通过脉冲加热激光，加热待测样品，以构造瞬态温度场，采用脉冲探测激光，探测待测样品温度，调整脉冲探测激光的光斑中心位置，并调整脉冲加热激光和脉冲探测激光之间的时间延迟，以获取待测样品温度在任意时刻的瞬态空间温度分布；可以通过脉冲加热激光，加热待测样品，以构造被测温度场，并固定脉冲探测激光的光斑中心位置，及调整脉冲加热激光和脉冲探测激光之间的时间延迟，以获取待测样品在脉冲探测激光的光斑中心位置处温度随时间延迟变化的曲线，并计算曲线与脉冲加热激光的相位差，以及调整脉冲探测激光的光斑中心位置，以获取待测样品温度在不同空间位置的相位分布。由此，通过设置不同的激光波长、激光光斑中心位置，即可分别控制双激光束实现非接触式、高分辨率的同时测量稳态和瞬态空间温度分布及温度相位分布。
下面参考附图描述本发明实施例的测量时空温度分布及温度相位分布的拉曼光谱方法和装置。
图1为本发明实施例一所提供的测量时空温度分布及温度相位分布的拉曼光谱方法的流程示意图。
如图1所示，该测量时空温度分布及温度相位分布的拉曼光谱方法可以包括以下步骤：
s1，通过连续加热激光，加热待测样品，以构造稳态温度场，并采用连续探测激光，探测待测样品温度，及调整连续探测激光的光斑中心位置，以获取待测样品温度在空间维度上的稳态空间温度分布；其中，连续探测激光的波长与连续加热激光的波长不同。
本发明实施例中，待测样品可以为具有拉曼特征峰的非金属材料，上述温度可以为以连续探测激光光斑中心位置为中心的高斯积分的平均温度。
本发明实施例中，连续加热激光可以为加热激光器产生的，连续探测激光可以为探测激光器产生的，连续探测激光的波长与连续加热激光的波长不同。连续加热激光和连续探测激光可以分别通过激光功率计测定激光总能量，并通过扫描碳管，而后观测碳管拉曼峰强度分布，来确定激光能量密度分布，其中，连续探测激光照射在待测样品表面的强度小于3mw。
本发明实施例中，使用了两个波长不同的激光器产生两束连续激光，分别作为连续加热激光和连续探测激光，连续加热激光和连续探测激光通过不同的光路，进入同一个物镜后聚焦在同一待测样品上，之后，使用连续加热激光加热样品，可以构造稳态温度场，并使用连续探测激光探测待测样品温度，之后，使用振镜二维扫描器改变连续探测激光的光斑中心位置，可以获得获取待测样品温度在空间维度上的稳态空间温度分布。
s2，通过脉冲加热激光，加热待测样品，以构造瞬态温度场，并采用脉冲探测激光，探测待测样品温度，调整脉冲探测激光的光斑中心位置，及调整脉冲加热激光和脉冲探测激光之间的时间延迟，以获取待测样品温度在任意时刻的瞬态空间温度分布；其中，脉冲探测激光的波长与脉冲加热激光的波长不同。
本发明实施例中，上述温度可以为以脉冲探测激光的光斑中心位置为中心的高斯积分的平均温度。
本发明实施例中，可以通过信号发生器控制电光调制器，将连续加热激光和连续探测激光分别调制为脉冲加热激光(或者可以称为瞬态加热激光)和脉冲探测激光(或者可以称为瞬态探测激光)。
本发明实施例中，通过脉冲加热激光加热待测样品，可以构造瞬态温度场，并采用脉冲探测激光，探测待测样品温度，通过振镜二维扫描器改变脉冲探测激光的光斑中心位置，并通过双通道信号发生器调整脉冲探测激光和脉冲加热激光之间的时间延迟，可以获得待测样品温度在任意时刻的瞬态空间温度分布。
举例而言，假设脉冲加热激光将待测样品加热t1秒时，待测样品上的温度分布是t1(x,y)。具体地，保持脉冲探测激光和脉冲加热激光的时间延迟为t1，然后改变脉冲探测激光的光斑中心的位置，可以测量得到温度分布t1(x,y)。如果需要测量待测样品被加热到t2秒时的温度分布t2(x,y)，则可以将脉冲探测激光和脉冲加热激光的时间延迟调整为t2，然后改变脉冲探测激光的光斑中心的位置，可以测量得到温度分布t2(x,y)。如此，可以测量到任意时刻(任意脉冲探测激光和脉冲加热激光的时间差)对应的瞬态空间温度分布。
作为一种示例，参见图2，图2为本发明实施例的测量空间温度分布及温度相位分布的拉曼光谱系统的结构示意图。其中，测量空间温度分布及温度相位分布的拉曼光谱系统包括：待测样品000、温控平台010、加热激光器101、探测激光器102、双通道信号发生器200、第一电光调制器301、第二电光调制器302、物镜400、延迟线500、振镜二维扫描器600、光栅70、图像传感器701、拉曼光谱信号处理模块702、第一带通滤光片801、第二带通滤光片802、截止滤光片803、陷波滤光片804、平面反射镜900以及半透半反镜901。
其中，温控平台010，用于控制待测样品000所处的环境温度。
加热激光器101，用于产生连续加热激光。
探测激光器102，用于产生连续探测激光。其中，激光探测器102产生的连续探测激光的波长不同于加热激光器101产生的连续加热激光的波长。
第一电光调制器301，用于将连续加热激光调制为脉冲加热激光。
第二电光调制器302，用于将连续探测激光调制为脉冲探测激光。
其中，在开启第一电光调制器301和第二电光调制器302时，聚焦于待测样品表面的激光为脉冲加热激光和脉冲探测激光，而在关闭第一电光调制器302和第二电光调制器303时，聚焦在待测样品表面的为连续加热激光和连续探测激光。
双通道信号发生器200，用于向第一电光调制器301和第二电光调制器302发送控制命令，以使第一电光调制器301和第二电光调制器302根据控制命令，设置脉冲加热激光的脉冲宽度th、脉冲探测激光的脉冲宽度tp及脉冲加热激光和脉冲探测激光之间的时间延迟td，时间延迟分辨率可达100ps。
其中，控制命令为用户触发的，用户可以根据实际需求，设置脉冲加热激光和脉冲探测激光对应的参数值。
物镜400，用于将连续探测激光、连续加热激光、脉冲探测激光和脉冲加热激光聚焦在待测样品000上。
延迟线500，用于消除连续加热激光光路和连续探测激光光路之间的光程差，以及消除脉冲加热激光光路和脉冲探测激光光路之间的光程差。
其中，在消除光程差后，一般不需再调整延迟线500。需要说明的是，也可通过调整延迟线500，来改变脉冲探测激光和脉冲加热激光之间的时间延迟。
振镜二维扫描器600，用于改变脉冲探测激光的光斑中心位置以及连续探测激光的光斑中心位置。
其中，通过调整振镜二维扫描器600中反射镜角度和位置，可以改变探测激光(脉冲探测激光或连续探测激光)进入物镜400的位置和角度，进而改变探测激光的光斑中心位置，其空间分辨率可达50nm。
光栅700，用于将光线分光，获得待测样品000的拉曼光谱。
图像传感器701，用于测量拉曼光谱。
其中，图像传感器可以为电荷耦合器件(chargecoupleddevice，简称ccd)、互补金属氧化物半导体(complementarymetaloxidesemiconductor，简称coms)等图像传感器，对此不作限制。
拉曼光谱信号处理模块702，用于对拉曼光谱进行处理，得到待测样品000对应的温度。
第一带通滤光片801，用于提高连续加热激光和脉冲加热激光的单色性。
第二带通滤光片802，用于提高连续探测激光和脉冲加热激光的单色性。
截止滤光片803和陷波滤光片804进行组合，用于同时消除连续探测激光和连续加热激光的瑞利散射，进而可以同时获得连续探测激光激发的拉曼光谱和连续加热激光激发的拉曼光谱，从而得到更完整的温度分布信息。并且，截止滤光片803和陷波滤光片804进行组合，还用于同时消除脉冲探测激光和脉冲加热激光的瑞利散射，进而可以同时获得脉冲探测激光激发的拉曼光谱和脉冲加热激光激发的拉曼光谱。
平面反射镜900和半透半反镜901，用于构成光路。
s3，通过脉冲加热激光，加热待测样品，以构造被测温度场，并固定脉冲探测激光的光斑中心位置，及调整脉冲加热激光和脉冲探测激光之间的时间延迟，以获取待测样品在脉冲探测激光的光斑中心位置处温度随时间延迟变化的曲线，并计算曲线与脉冲加热激光的相位差，以及调整脉冲探测激光的光斑中心位置，以获取待测样品温度在不同空间位置的相位分布。
本发明实施例中，通过脉冲加热激光加热待测样品，可以构造被测温度场，之后固定脉冲探测激光的光斑中心位置，通过调整脉冲探测激光和脉冲加热激光之间的时间延迟，可以获得待测样品在脉冲探测激光的光斑中心位置处温度随时间延迟变化的周期性变化曲线，并通过锁相处理，获得该曲线与脉冲加热激光的相位差，之后，再改变脉冲探测激光的光斑中心位置，可以获得待测样品温度在不同空间位置的相位分布。
举例而言，在某一位置(x1，y1)，测量得到这一位置温度随时间的周期性变化曲线(脉冲探测激光的光斑中心位置固定于(x1，y1)，多次改变脉冲探测激光和脉冲加热激光的时间延迟)，然后，对这一曲线做锁相处理，得到了一个相位
需要说明的是，步骤s1、s2和s3为并列执行的，也就是说，实际应用时，测量温度的稳态空间温度分布、瞬态空间温度分布和温度相位分布，这三项功能是并列的关系，图1仅以步骤s2在步骤s1之后执行，且步骤s3在步骤s2之后执行示例。
本发明实施例中，使用一束加热激光(连续加热激光或脉冲加热激光)加热待测样品，使用另一束不同波长的探测激光(连续探测激光或脉冲探测激光)来探测待测样品温度，由于探测激光对每一个测量点造成的加热效应一致，通过求取每个测量点温度的差值，可以完全消除探测激光对待测样品温度分布的影响。并且，通过拉曼光谱测温，对待测样品表面粗糙度的要求较低，因此，可以实现非接触式的无损测量。另外，分离加热激光和探测激光的拉曼光谱信号，通过振镜二维扫描器，改变探测激光的光斑中心与加热激光的光斑中心的相对位置，可以得到温度场的空间分布，且空间分辨率可优于50nm。此外，将连续加热激光和连续探测激光转换为脉冲加热激光和脉冲探测激光后，通过控制脉冲加热激光和脉冲探测激光之间的时间延迟td，测量时间精度可优于100ps。从而，该方法可以高空间、时间分辨率的测量温度分布。
本发明实施例的测量时空温度分布及温度相位分布的拉曼光谱方法，可以通过连续加热激光，加热待测样品，以构造稳态温度场，并采用连续探测激光，探测待测样品温度，及调整连续探测激光的光斑中心位置，以获取待测样品温度在空间维度上的稳态空间温度分布；可以通过脉冲加热激光，加热待测样品，以构造瞬态温度场，采用脉冲探测激光，探测待测样品温度，调整脉冲探测激光的光斑中心位置，并调整脉冲加热激光和脉冲探测激光之间的时间延迟，以获取待测样品温度在任意时刻的瞬态空间温度分布；可以通过脉冲加热激光，加热待测样品，以构造被测温度场，并固定脉冲探测激光的光斑中心位置，及调整脉冲加热激光和脉冲探测激光之间的时间延迟，以获取待测样品在脉冲探测激光的光斑中心位置处温度随时间延迟变化的曲线，并计算曲线与脉冲加热激光的相位差，以及调整脉冲探测激光的光斑中心位置，以获取待测样品温度在不同空间位置的相位分布。由此，通过设置不同的激光波长、激光光斑中心位置，即可分别控制双激光束实现非接触式、高分辨率的同时测量稳态和瞬态空间温度分布及温度相位分布。
作为一种可能的实现方式，参见图3，在图1所示实施例的基础上，步骤s1具体可以包括以下子步骤：
s11，通过连续加热激光，将待测样品加热至稳态。
s12，通过光斑中心位置为(x’,y’)的连续探测激光，探测待测样品温度，其中，获取待测样品在(x’,y’)位置处的拉曼光谱，并根据拉曼光谱的特征峰偏移值与温度的一一对应关系，确定待测样品在(x’,y’)位置处的温度t1(x’,y’)。
其中，温度为以探测激光的光斑中心为中心的高斯积分的平均温度。
本发明实施例中，拉曼光谱的特征峰偏移值与温度的一一对应关系为预先标定的。
s13，调整连续探测激光的光斑中心位置至(x,y)处，并获取待测样品在(x,y)位置处的拉曼光谱，根据拉曼光谱的特征峰偏移值与温度的一一对应关系，确定待测样品在(x,y)位置处的温度。
s14，根据待测样品在不同光斑中心位置处的温度，确定待测样品温度在空间维度上的稳态空间温度分布t1(x,y)。
参见图4，图4为本发明实施例中测量稳态空间温度分布过程示意图。采用两种波长不同的连续激光分别作为连续加热激光和连续探测激光，使用连续加热激光将待测样品加热至稳态，而后，改变连续探测激光的光斑中心位置，并测量不同位置处，连续探测激光激发的待测样品的拉曼光谱信号，根据拉曼光谱信号的特征峰偏移值与温度的一一对应关系，获得待测样品以连续探测激光的光斑中心位置为中心的高斯积分的平均温度变化。在连续加热激光加热下，若连续加热激光的光斑中心位置为(0,0)，待测样品的真实温度场为θ(x,y)，则连续探测激光的光斑中心位置为(x',y')时，测定的温度t1(x’,y’)为：
其中，rp为连续探测激光的光斑半径，qp为对应连续探测激光的高斯平均常数，
通过改变连续探测激光的光斑中心位置，即可获得稳态空间温度分布t1(x,y)。当rp远远小于温度影响域特征尺寸时，t1(x,y)≈θ(x,y)。
本发明实施例中，基于待测样品拉曼光谱特征峰的偏移值测温，可以适用于各种尺度的非金属材料，甚至可以用于单原子层纳米薄膜的温度分布测量，可以提升该方法的适用性。并且，对待测样品表面粗糙度的要求低，可实现非接触式无损测量。
作为一种可能的实现方式，参见图5，在图1所示实施例的基础上，步骤s2具体可以包括以下子步骤：
s21，在第一脉冲时间th内，通过脉冲加热激光，将待测样品温度从环境温度t0升温至温度t2-1。
s22，在第一间隔时间tc内，通过脉冲加热激光，将待测样品温度从温度t2-1冷却至环境温度t0。
s23，从时间延迟td’开始，在第二脉冲时间tp内，通过光斑中心位置为(x’,y’)的脉冲探测激光，探测待测样品的拉曼光谱，并根据拉曼光谱的特征峰偏移值与温度的一一对应关系，确定在第二脉冲时间tp内的平均温度t2-2(x’,y’,td’)。
s24，调整脉冲探测激光的光斑中心位置至(x,y)处，并从时间延迟td’开始，在第二脉冲时间tp内，探测待测样品的拉曼光谱，根据拉曼光谱的特征峰偏移值与温度的一一对应关系，确定在第二脉冲时间tp内的平均温度。
s25，根据不同光斑中心位置获取的平均温度，确定时间延迟为td’时对应的空间温度分布t2-2(x,y,td’)。
s26，调整时间延迟至td，以获取待测样品温度在任意时刻的瞬态空间温度分布t2-2(x,y,td)。
具体地，在调整时间延迟至td后，可以执行步骤s23至s25，以获取待测样品温度在任意时刻的瞬态空间温度分布t2-2(x,y,td)。
参见图6和图7，采用两种波长不同、脉冲周期相同的脉冲激光，即脉冲加热激光和脉冲探测激光，来确定瞬态空间温度分布。首先，可以通过脉冲加热激光，在第一脉冲时间th内，使待测样品温度从环境温度t0升至温度t2-1，并在第一间隔时间tc内，使待测样品温度从温度t2-1冷却至环境温度t0，之后，从时间延迟td开始，改变脉冲探测激光的光斑中心位置，通过脉冲探测激光在第二脉冲时间tp内，探测待测样品的拉曼光谱，基于拉曼光谱的特征峰偏移值与温度的一一对应关系，确定出在第二脉冲时间tp内的平均温度t2-2。
在脉冲加热激光加热下，若脉冲加热激光的光斑中心位置为(0,0)，待测样品的真实温度场为θ(x,y,t)，则脉冲探测激光的光斑中心位置为(x',y')，时间延迟为t'd时，测定的平均温度t2-2(x’,y’,td’)为：
其中，rp为脉冲探测激光的光斑半径，qp为对应脉冲探测激光的高斯平均常数，
通过改变脉冲探测激光的光斑中心位置为(x,y)，并改变脉冲探测激光和脉冲加热激光之间的时间延迟td，即可获得在任意时间延迟对应的瞬态空间温度分布t2-2(x,y,td)，即获得待测样品温度在任意时刻的瞬态空间温度分布t2-2(x,y,td)。
需要说明的是，上述温度为以脉冲探测激光的光斑中心位置为中心的高斯积分的平均温度。
同时，当tp远远小于th时，可化简得到：
作为一种可能的实现方式，参见图8，在图1所示实施例的基础上，步骤s3具体可以包括以下子步骤：
s31，在第一脉冲时间th内，通过脉冲加热激光，将待测样品温度从环境温度t0升温至温度t3-1。
s32，在第一间隔时间tc内，通过脉冲加热激光，将待测样品温度从温度t3-1冷却至环境温度t0。
s33，从时间延迟td’开始，在第二脉冲时间tp内，通过光斑中心位置为(x’,y’)的脉冲探测激光，探测待测样品的拉曼光谱，并根据拉曼光谱的特征峰偏移值与温度的一一对应关系，确定在第二脉冲时间tp内的平均温度t3-2(x’,y’,td’)。
s34，维持脉冲探测激光的光斑中心位置不变，并调整时间延迟至td，以获取待测样品温度在光斑中心位置处对应的温度分布t3-2(x’,y’,td)。
具体地，维持脉冲探测激光的光斑中心位置不变，并调整时间延迟至td后，可以执行步骤s33，以获取待测样品温度在光斑中心位置处对应的温度分布t3-2(x’,y’,td)。
s35，对t3-2(x’,y’,td)进行归一化处理，得到待测样品温度随时间延迟变化的归一化曲线
s36，调整脉冲探测激光的光斑中心位置至(x,y)，以获取待测样品温度在不同空间位置的相位分布
具体地，在调整脉冲探测激光的光斑中心位置至(x,y)后，可以执行步骤s33至s35，以获取待测样品温度在不同空间位置的相位分布
参见图9，采用两种波长不同、脉冲周期相同的脉冲激光，即脉冲加热激光和脉冲探测激光，来确定待测样品温度的相位分布。首先，通过脉冲加热激光，在第一脉冲时间th内，使待测样品温度从环境温度t0升至温度t3-1，并在第一间隔时间tc内，使待测样品温度从温度t3-1冷却至环境温度t0，之后，从时间延迟td开始，通过脉冲探测激光在第二脉冲时间tp内，探测待测样品的拉曼光谱，基于拉曼光谱的特征峰偏移值与温度的一一对应关系，确定出在第二脉冲时间tp内的平均温度t3-2。
在脉冲加热激光加热下，若脉冲加热激光的光斑中心位置为(0,0)，待测样品的真实温度场为θ(x,y,t)，则脉冲探测激光的光斑中心位置为(x',y')，时间延迟为t'd时，测定的温度分布t3-2(x’,y’,td)为：
其中，rp为脉冲探测激光的光斑半径，qp为对应脉冲探测激光的高斯平均常数，
通过改变脉冲探测激光和脉冲加热激光的时间延迟td，即可获得(x',y')处对应的温度分布t3-2(x',y',td)。需要说明的是，上述温度为以脉冲探测激光的光斑中心位置为中心的高斯积分的平均温度。
对t3-2(x’,y’,td)做归一化处理，得到待测样品温度随时间延迟变化的归一化曲线为：
将
将
可以看出，当且仅当ωk＝ω时，结果中存在稳态分量
在实际测量中，取ω＝2π/(th+tc)，表示脉冲加热激光的频率，由于温度的周期性变化是由脉冲加热激光的周期性变化而引起的，可直接通过算术平均滤波法进行滤波，则温度在(x',y')处的相位为：
其中，n为待测样品温度变化的周期数。
参见图10，当脉冲探测激光的光斑中心位置不同时，待测样品温度随时间变化的曲线具有相同的周期，但存在相位偏移。因此，通过改变脉冲探测激光的光斑中心位置，在不同位置测量温度的周期性变化并进行锁相计算，即可获得温度在不同空间位置的相位分布
本发明实施例中，可以获得不同空间位置温度随时间的变化，通过傅里叶变换，即可测定温度在不同空间位置的相位分布，避免了温度值的测量误差，在热物性测量领域有极高的应用价值。
需要说明的是，本发明不仅局限于上述具体实施方式，本发明中提出的双波长闪光拉曼光谱扫描方法测定温度的原理可广泛应用于本领域及与之相关的其它领域，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明。例如，基于以上方法，通过傅里叶变换获得不同位置处温度随频率变化的曲线，获得温度对应不同频率的相位分布。因此，凡是采用本发明的设计思想，做一些简单的变化或更改的设计进行温度测量，都落入本发明保护的范围。
为了实现上述实施例，本发明还提出一种测量时空温度分布及温度相位分布的拉曼光谱装置。
图11为本发明实施例六所提供的测量时空温度分布及温度相位分布的拉曼光谱装置的结构示意图。
如图11所示，该测量时空温度分布及温度相位分布的拉曼光谱装置包括：稳态测量模块10、瞬态测量模块20以及相位测量模块30。
其中，稳态测量模块10，用于通过连续加热激光，加热待测样品，以构造稳态温度场，并采用连续探测激光，探测待测样品温度，及调整连续探测激光的光斑中心位置，以获取待测样品温度在空间维度上的稳态空间温度分布；其中，连续探测激光的波长与连续加热激光的波长不同。
作为一种可能的实现方式，稳态测量模块10，具体用于：通过连续加热激光，将待测样品加热至稳态；通过光斑中心位置为(x’,y’)的连续探测激光，探测待测样品温度，其中，通过获取待测样品在(x’,y’)位置处的拉曼光谱，并根据拉曼光谱的特征峰偏移值与温度的一一对应关系，确定待测样品在(x’,y’)位置处的温度t1(x’,y’)；调整连续探测激光的光斑中心位置至(x,y)处，并获取待测样品在(x,y)位置处的拉曼光谱，根据拉曼光谱的特征峰偏移值与温度的一一对应关系，确定待测样品在(x,y)位置处的温度；根据待测样品在不同光斑中心位置处的温度，确定待测样品温度在空间维度上的稳态空间温度分布t1(x,y)。
瞬态测量模块20，用于通过脉冲加热激光，加热待测样品，以构造瞬态温度场，并采用脉冲探测激光，探测待测样品温度，调整脉冲探测激光的光斑中心位置，及调整脉冲加热激光和脉冲探测激光之间的时间延迟，以获取待测样品温度在任意时刻的瞬态空间温度分布；其中，脉冲探测激光的波长与脉冲加热激光的波长不同。
作为一种可能的实现方式，瞬态测量模块20，具体用于：在第一脉冲时间th内，通过脉冲加热激光，将待测样品温度从环境温度t0升温至温度t2-1；在第一间隔时间tc内，通过脉冲加热激光，将待测样品温度从温度t2-1冷却至环境温度t0；从时间延迟td’开始，在第二脉冲时间tp内，通过光斑中心位置为(x’,y’)的脉冲探测激光，探测待测样品的拉曼光谱，并根据拉曼光谱的特征峰偏移值与温度的一一对应关系，确定在第二脉冲时间tp内的平均温度t2-2(x’,y’,td’)；调整探测激光的光斑中心位置至(x,y)处，并从时间延迟td’开始，在第二脉冲时间tp内，探测待测样品的拉曼光谱，根据拉曼光谱的特征峰偏移值与温度的一一对应关系，确定在第二脉冲时间tp内的平均温度；根据不同光斑中心位置获取的平均温度，确定时间延迟为td’时对应的空间温度分布t2-2(x,y,td’)；调整时间延迟至td，以获取待测样品温度在任意时刻的瞬态空间温度分布t2-2(x,y,td)。
相位测量模块30，用于通过脉冲加热激光，加热待测样品，以构造被测温度场，并固定脉冲探测激光的光斑中心位置，及调整脉冲加热激光和脉冲探测激光之间的时间延迟，以获取待测样品在脉冲探测激光的光斑中心位置处温度随时间延迟变化的曲线，并计算曲线与脉冲加热激光的相位差，以及调整脉冲探测激光的光斑中心位置，以获取待测样品温度在不同空间位置的相位分布。
需要说明的是，图11中，稳态测量模块10、瞬态测量模块20以及相位测量模块30之间的结构为并列的。
作为一种可能的实现方式，相位测量模块30，具体用于：在第一脉冲时间th内，通过脉冲加热激光，将待测样品温度从环境温度t0升温至温度t3-1；在第一间隔时间tc内，通过脉冲加热激光，将待测样品温度从温度t3-1冷却至环境温度t0；从时间延迟td’开始，在第二脉冲时间tp内，通过光斑中心位置为(x’,y’)的脉冲探测激光，探测待测样品的拉曼光谱，并根据拉曼光谱的特征峰偏移值与温度的一一对应关系，确定在第二脉冲时间tp内的平均温度t3-2(x’,y’,td’)；维持脉冲探测激光的光斑中心位置不变，并调整时间延迟至td，以获取待测样品温度在光斑中心位置处对应的温度分布t3-2(x’,y’,td)；对t3-2(x’,y’,td)进行归一化处理，并根据脉冲加热激光的频率，对
需要说明的是，前述对测量时空温度分布及温度相位分布的拉曼光谱方法实施例的解释说明也适用于该实施例的测量时空温度分布及温度相位分布的拉曼光谱装置，此处不再赘述。
本发明实施例的测量时空温度分布及温度相位分布的拉曼光谱装置，可以通过连续加热激光，加热待测样品，以构造稳态温度场，并采用连续探测激光，探测待测样品温度，及调整连续探测激光的光斑中心位置，以获取待测样品温度在空间维度上的稳态空间温度分布；可以通过脉冲加热激光，加热待测样品，以构造瞬态温度场，并采用脉冲探测激光，探测待测样品温度，调整脉冲探测激光的光斑中心位置，及调整脉冲加热激光和脉冲探测激光之间的时间延迟，以获取待测样品温度在任意时刻的瞬态空间温度分布；可以通过脉冲加热激光，加热待测样品，以构造被测温度场，并固定脉冲探测激光的光斑中心位置，及调整脉冲加热激光和脉冲探测激光之间的时间延迟，以获取待测样品在脉冲探测激光的光斑中心位置处温度随时间延迟变化的曲线，并计算曲线与脉冲加热激光的相位差，以及调整脉冲探测激光的光斑中心位置，以获取待测样品温度在不同空间位置的相位分布。由此，通过设置不同的激光波长、激光光斑中心位置，即可分别控制双激光束实现非接触式、高分辨率的同时测量稳态和瞬态空间温度分布及温度相位分布。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(ram)，只读存储器(rom)，可擦除可编辑只读存储器(eprom或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(cdrom)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
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