激光测温方法及激光测温系统与流程

1.本发明涉及量子精密测量技术领域，特别是涉及激光测温方法及激光测温系统。


背景技术：

2.随着温度测量逐渐成为材料研究、生物医药等许多领域的重要参数，科学研究中对于温度测量的精度要求也逐渐提高。传统的温度测量手段有热电偶测温、红外测温等方法。热电偶测温其原理为利用半导体两结点处的温度不同产生的热电效应并测量其热电动势实现测温的方法。由于热电偶测温属于接触式测温，其对于测温条件的要求较高，冷端温度发生变化则会对测量结果产生影响。红外测温是基于一切高于绝对零度的物体都在向周围空间发射红外辐射能量的原理，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，测定它的表面温度的方法，由于红外测温的结果属于平均的结果，在高精度、微纳尺度的温度测量范围无法较好地发挥其测温功能，测量结果不够理想。


技术实现要素：

3.基于此，有必要针对传统测温方法存在精度不高、不适用于空间小尺寸的温度测量问题，提供一种激光测温方法及激光测温系统。
4.一种激光测温方法，包括如下步骤：
5.根据不同温度下待测样品的自发辐射的光谱积分强度通过最小方差的方式进行荧光温度依赖关系拟合得到最佳拟合值a、b；
6.获取待测样品在被激光照射后产生的当前温度下的自发辐射的光谱积分强度i1；
7.根据所述光谱积分强度i1，通过计算公式确定峰强度的比值r，其中i2为所述待测样品在70k时的光谱仪实测积分强度；
8.当所述待测样品的目标温度为180k以下时，通过计算公式确定当前温度值t。
9.上述激光测温方法，使用激光作为信息传递的载体，通过待测物体受到激光激发后产生自发辐射的光谱积分强度作为信息数据，由于光波长的计量单位为纳米级，从而使得待测样品的温度测量更加精确，即使在低温环境也能够根据待测物体产生的自发辐射分析出待测样品的温度，并且更加适用于空间小尺寸的温度测量；使用激光测量，即非接触式测量方法，使得待测样品的相对距离能够根据实际需要进行灵活调整；通过根据不同温度下待测样品的自发辐射的光谱积分强度通过最小方差的方式进行荧光温度依赖关系拟合得到最佳拟合值，使得在实际应用过程中的温度计算公式更加准确。
10.在其中一个实施例中，所述激光测温方法还包括如下步骤：
11.当待测样品的目标温度为180k以上时，通过将峰强度比值r对照表格“r-t对照表”，查得当前温度值t，所述“r-t对照表”为通过热敏电阻标定法求得。
12.在其中一个实施例中，根据不同温度下待测样品的自发辐射的光谱积分强度通过最小方差的方式进行荧光温度依赖关系拟合得到a、b，具体包括如下步骤：
13.取n个测量点，通过热敏电阻进行配合测温，得到不同温度tn下的待测样品所对应的自发辐射的光谱积分强度i(tn)；通过均方差公式)；通过均方差公式以及拟合函数i(t)＝be-a/t
，求得均方差e的值；当均方差e为最小值时，所对应的a、b为最佳拟合值。
14.在其中一个实施例中，获取待测样品在被激光照射后产生的当前温度下的光谱积分强度i1，具体包括如下步骤：
15.泵浦激光源发射波长为750nm-780nm的激光作为入射光进入光学组件；所述光学组件传递并整理所述入射光后，形成出射光照射于所述待测样品；所述待测样品在所述出射光的照射下形成自发辐射，所述自发辐射照射于光谱仪；所述光谱仪测得所述待测样品在被照射后产生的当前温度下的所述光谱积分强度i1，并传输于控制器。
16.在其中一个实施例中，泵浦激光源发射波长为750nm-780nm的激光作为入射光进入光学组件，还包括如下步骤：
17.室温时校准所述光谱仪的参数；对所述待测样品进行降温，测量所述待测样品在70k时的光谱仪实测数据i2。
18.在其中一个实施例中，校准所述光谱仪的参数，具体包括如下步骤：
19.在未放置所述待测样品以及所述泵浦激光源关闭的情况下，通过黑体辐射源搜集光路系统本底的波动调制光谱，所述波动调制光谱作为所述光谱仪后期进行光谱数据测量的标准；手动匹配获得最优分辨率以及最优单谱线的半高宽高斯分布参数。
20.一种激光测温系统，包括：
21.泵浦激光源，所述泵浦激光源发射连续激光作为入射光；
22.光学组件，所述光学组件传递并整理所述入射光后形成出射光，所述出射光用于照射于待测样品，所述待测样品在所述出射光的照射下产生自发辐射；
23.光谱仪，所述光谱仪用于采集所述自发辐射的光谱的特定谱线；
24.控制器，所述控制器用于收集光谱仪的采集数据，所述采集数据用于计算所述待测样品的温度。
25.在其中一个实施例中，所述入射光的中心波长的范围为750-780nm。
26.在其中一个实施例中，所述待测样品为含有硅空位色心的金刚石材料。
27.在其中一个实施例中，所述光学组件包括反射镜以及半透镜，所述入射光经过所述反射镜反射、所述半透镜反射后形成出射光。
28.在其中一个实施例中，所述反射镜与所述入射光呈45
°
夹角设置，所述半透镜与所述反射镜相互平行放置，所述待测样品受所述出射光照射的一面与所述出射光相互垂直。
29.在其中一个实施例中，所述光学组件还包括调焦镜组，所述调焦镜组设于所述半透镜与所述待测样品之间，所述调焦镜组的中心轴线与所述自发辐射重合，所述调焦镜组用于调节照射于所述待测样品的光斑大小，从而获得不同的测量区域。
30.在其中一个实施例中，所述光学组件还包括聚焦镜组，所述聚焦镜组设于所述半透镜与所述光谱仪之间，所述聚焦镜组的中心轴线与所述自发辐射重合，所述聚焦镜组用
于汇聚所述自发辐射于所述光谱仪。
31.上述激光测温系统，使用泵浦激光源发射连续激光作为入射光，并通过光学组件对入射光进行传递与整合形成出射光，使得出射光照射在待测样品上；利用其经出射光照射后产生的自发辐射中的反斯托克斯自发辐射光谱对温度的敏感性，将自发辐射传输于光谱仪，光谱仪采集自发辐射的光谱的特定谱线后传输于控制器，并通过控制器计算出待测样品的温度，由于金刚石中的缺陷中心以类原子能级存在的固态体系，适用于对微纳尺寸的温度测量。
附图说明
32.图1为一实施例的激光测温方法的流程示意图；
33.图2为图1一实施例中s10步骤所包含的步骤的流程示意图；
34.图3为图1一实施例中s20步骤所包含的步骤的流程示意图；
35.图4为图1一实施例中s00步骤所包含的步骤的流程示意图；
36.图5为使用中心波长为780nm的激光照射含有硅空位色心的金刚石材料为不同温度时所发出的自发辐射的光谱积分强度与温度之间关系的示意图；
37.图6为含有硅空位色心的金刚石材料受中心波长为780nm的激光源照射时产生的自发辐射的中心波长与积分强度示意图；
38.图7为泵浦激光源为不同波长时，含有硅空位色心的金刚石材料的自发辐射的光谱积分强度变化示意图；
39.图8为一实施例的激光测温系统的结构示意图；
40.图9为含有硅空位色心的金刚石材料产生反斯托克斯自发辐射的原理示意图。
41.图中：
42.01、泵浦激光源；02、光谱仪；03、调焦镜组；04、待测样品；05、反射镜；06、聚焦镜组；07、半透镜。
具体实施方式
43.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
44.请参考图1，图1示出了本发明一实施例的激光测温方法的流程示意图。本实施例的激光测温方法，包括如下步骤：
45.s10、根据不同温度下待测样品的自发辐射的光谱积分强度通过最小方差的方式进行荧光温度依赖关系拟合得到最佳拟合值a、b。通过测量最佳拟合值a、b，从而在后续步骤中进行函数拟合的过程中能够使得本实施例中的激光测温方法中的测量结果更加接近真实值，更加准确。
46.请参考图2，具体地，s10包括如下步骤：
47.s10-1、取n个测量点，通过热敏电阻进行配合测温，得到不同温度tn下的待测样品所对应的自发辐射的光谱积分强度i(tn)。
48.s10-2、通过均方差公式以及拟合函数i(t)＝be-a/t
，求得均方差e的值。
49.s10-3、当均方差e为最小值时，所对应的a、b为最佳拟合值。
50.通过使用均方差公式与幂指函数相拟合得到做接近的拟合函数，将实测的点值转化为函数值，丰富了待测样品的温度信息数据，从而在后续的温度测量过程中获得光谱积分强度后通过函数计算即可获知待测样品当前的温度。
51.s20、获取待测样品在被激光照射后产生的当前温度下的自发辐射的光谱积分强度i1。通过使用激光作为信息载体，由于光波长的计量单位为纳米级，更加适用于空间小尺寸的温度测量。在本实施例中，待测样品为含有硅空位色心的金刚石材料。请参考图5，图5为含有硅空位色心的金刚石材料受中心波长为780nm的激光源照射时，其自发辐射的光谱积分强度随温度变化的示意图。在其他实施例中，待测样品也可为任何能够在激光照射下产生自发辐射的材料。通过使用激光照射待测物品产生自发辐射并获得光谱积分强度，使得本实施方式的激光测温方法的应用范围更广，相比于现有技术的温度测量方法，具有更宽的温度测量阈值。
52.s31、根据光谱积分强度i1，通过计算公式确定峰强度的比值r，其中i2为待测样品在70k时的光谱积分强度；通过与温度依赖关系进行比对，计算公式为确定当前温度值t。使用待测样品在70k时的光谱积分强度i2为标准值，获得当前温度下的光谱积分强度i1与i2的比值r。在待测样品的目标温度为180k以下时，通过对r进行公式计算。根据图5可知，在待测样品的温度为180k以下时，待测样品的温度与其自发辐射的光谱积分强度呈较为明显的线性关联，即峰强度的比值r变化较为明显，从而在待测样品发生细微的温度波动时，也能够通过计算公式较为精确地反映出待测样品的温度变化，温度测量结果更为精确。
53.s32、当待测样品温度为180k以上时，通过将峰强度比值r对照表格“r-t对照表”，查得当前温度值t，所述“r-t对照表”为通过热敏电阻标定法求得。“r-t对照表”可以为发明人使用热敏电阻标定法经过多次标定求得，也可以为使用商用热敏测温设备根据设备参数测得。具体地，“r-t对照表”的获得方法为通过设定待测样品的特定温度t，测得该温度下的光谱积分强度i1并获得峰强度比值r，使r与t一一对应。
54.上述激光测温方法，使用激光作为信息传递的载体，通过待测物体受到激光激发后产生自发辐射的光谱积分强度作为信息数据，由于光波长的计量单位为纳米级，从而使得待测样品的温度测量更加精确，即使在低温环境也能够根据待测物体产生的自发辐射分析出待测样品的温度，并且更加适用于空间小尺寸的温度测量；使用激光测量，即非接触式测量方法，使得待测样品的相对距离能够根据实际需要进行灵活调整；通过根据不同温度下待测样品的自发辐射的光谱积分强度通过最小方差的方式进行荧光温度依赖关系拟合得到最佳拟合值，使得在实际应用过程中的温度计算公式更加准确。
55.请参考图3，进一步地，步骤s20中获取待测样品在被激光照射后产生的当前温度下的光谱积分强度i1，具体包括如下步骤：
56.s20-1、泵浦激光源发射波长为750nm-780nm的激光作为入射光进入光学组件。请
参考图6，由于反斯托克斯线的中心波长在738nm附近，则入射光小于750nm波长范围内会对激光测温系统的测量结果造成干扰。请参考图7，可以看出，当泵浦激光源发射的激光的中心波长范围为750nm-780nm时，照射于含有硅空位色心的金刚石材料产生的反斯托克斯自发辐射能量较大，即在该范围内均能形成较为可观的自发辐射。优选地，泵浦激光源发射的激光的中心波长为759nm时，其反斯托克斯线的强度最大。因此泵浦激光源发射激光的中心波长范围为750nm-780nm。优选地，泵浦激光源发射激光的中心波长为759nm。
57.s20-2、光学组件传递并整理入射光后，形成出射光照射于待测样品。光学组件的设置避免了泵浦激光源直接照射于待测样品，为激光的照射提供了一定程度的缓冲，使光路传递的过程更加可控。
58.s20-3、待测样品在出射光的照射下形成自发辐射，自发辐射照射于光谱仪。光谱仪用于分析自发辐射的光谱积分强度。
59.s20-4、光谱仪测得待测样品在被照射后产生的当前温度下的光谱积分强度i1，并传输于控制器。控制器用于对i1进行数据处理并计算，从而得到待测样品的当前温度。
60.请参考图4，进一步地，步骤s10中泵浦激光源发射波长为750nm-780nm的激光作为入射光进入光学组件，还包括如下步骤：
61.s00、室温时校准光谱仪的参数，校准光谱仪的参数使得测量出来的结果更具有稳定性、更加准确。具体包括如下步骤：
62.s00-1、在无样品以及泵浦激光源关闭的情况下，通过黑体辐射源搜集光路系统本底的波动调制光谱，波动调制光谱作为光谱仪后期进行光谱数据测量的标准。
63.s00-2、手动匹配获得最优分辨率以及最优单谱线的半高宽高斯分布参数。具体地，针对不同光学配置，光谱测量所用的分光器件-光栅数会直接影响所测谱线精度以及实际测量结果的展宽，同时包括系统有效焦长、狭缝宽度、光学相差等也会对谱线精度及展宽有所影响。分辨率正比于光栅数、谱仪焦距，反比于狭缝宽度。因此，实测数据对于不同的光学配置系统，以及不同的环境下，都会对所测谱线的展宽及相对谱线强度有影响。为了实现对温度的高精度探测，实测前需要进行系统参数进行匹配。需要匹配的参数主要有分辨率以及单谱线的半高宽的高斯分布参数。进一步地，在对分辨率进行手动匹配时，首先参考光谱仪的标称配置，对于不同光学组件、不同环境、以及不同的波长区间，实际的分辨率会有微小差异，围绕光谱仪的标称值，通过手动设置进行实际值匹配，最终获得光谱仪标称值高一量级的实际值，以测量出的实际值作为实测的实际参数。在对单谱线的半高宽的高斯分布参数进行匹配时，匹配前需要将实测数据减掉本底噪声谱，配合分辨率进行微调，使部分谱线无法通过分辨率调节进行完美匹配时，进行补偿。手动匹配时，需要同时调节分辨率参数与半高宽参数，以便获得最佳参数值。
64.s01、对所述待测样品进行降温，测量所述待测样品在70k时的光谱仪实测数据i2。在本实施例中，待测样品为含有硅空位色心的金刚石材料，在受到特定范围中心波长的泵浦激光源照射时即可实现降温。在其他实施例中，降温方式也可为热电偶降温等其他能够实现降温的方式。
65.如图8所示，本技术还提供一实施例中的激光测温系统，可以适用于上述任一实施例的激光测温方法，包括：泵浦激光源01、光学组件、光谱仪02以及控制器。泵浦激光源01发射连续激光作为入射光；光学组件传递并整理所述入射光后形成出射光，出射光用于照射
于待测样品04，待测样品04在出射光的照射下产生自发辐射；光谱仪02用于采集自发辐射的光谱的特定谱线；控制器用于收集光谱仪02的采集数据，采集数据用于计算待测样品04的温度。
66.上述激光测温系统，使用泵浦激光源01发射连续激光作为入射光，并通过光学组件对入射光进行传递与整合形成出射光，使得出射光照射在待测样品04上；利用其经出射光照射后产生的自发辐射中的反斯托克斯自发辐射光谱对温度的敏感性，将自发辐射传输于光谱仪02，光谱仪02采集自发辐射的光谱的特定谱线后传输于控制器，并通过控制器计算出待测样品04的温度，由于金刚石中的缺陷中心以类原子能级存在的固态体系，适用于对微纳尺寸的温度测量。
67.在一实施例中，入射光的中心波长的范围为750-780nm。前文中已对中心波长范围的选择进行阐述，在此不做赘述。优选地，入射光的中心波长为759nm。
68.在一实施例中，待测样品04为含有硅空位色心的金刚石材料。使用含有硅空位色心的金刚石材料作为待测样品04，在进行激光测温的过程中，由于待测样品04的反斯托克斯自发辐射的能量大于入射光的能量，请参考图9，图9示出了含有硅空位色心的金刚石材料的产生反斯托克斯自发辐射的原理示意图，其原理为利用高能级到低能级之间的能量差值形成自发辐射。本实施例利用待测样品04在不同温度下发出的自发辐射的中心波长存在差异性的原理来实现激光测温的一种激光测温方法。在其他实施例中，待测样品04也可为其他能够受激光激发从而产生自发辐射的任何物体。
69.进一步地，光学组件包括反射镜05以及半透镜07，入射光经过所述反射镜05反射、半透镜07反射后形成出射光。具体地，反射镜05的作用为改变入射光的传递方向。更具体地，反射镜05为直径1/2英寸的平面反射镜，其带宽为750nm-1100nm。半透镜07的作用为使经反射镜05反射后的入射光一部分反射与待测样品04的表面，并且能够透过待测样品04发出的自发辐射。更具体地，半透镜07为分束镜，其分束比例为50：50。
70.进一步地，反射镜05与入射光呈45
°
夹角设置，半透镜07与反射镜05相互平行放置，待测样品04受所述出射光照射的一面与所述出射光相互垂直。使得出射光能够与入射光相互平行。在其他实施例中，反射镜05与入射光之间的夹角以及半透镜07与反射镜05之间的位置关系可根据光路系统的实际需要进行调整。
71.进一步地，光学组件还包括调焦镜组03，调焦镜组03设于半透镜07与待测样品04之间，调焦镜组03的中心轴线与自发辐射重合，调焦镜组03用于调节照射于待测样品04的光斑大小，从而获得不同的测量区域。通过设置调焦镜组03能够调节测量区域的大小，可根据实际需求选择测量范围，从而满足不同的测量位置要求。
72.进一步地，光学组件还包括聚焦镜组06，聚焦镜组06设于半透镜07与光谱仪02之间，聚焦镜组06的中心轴线与自发辐射重合，聚焦镜组06用于汇聚自发辐射与于光谱仪02。通过设置聚焦镜组06汇聚自发辐射于光谱仪02中，使自发辐射能够更大程度地进入光谱仪02中，从而更加提升激光测温系统的测温准确度。
73.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必
须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
74.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。
75.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
76.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
77.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
78.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
79.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。