一种基于飞秒激光对透光物体的超快测温装置及方法

1.本发明属于高速测温技术领域，更具体地，涉及一种基于飞秒激光对透光物体的超快测温装置及方法。


背景技术：

2.温度是表示物质冷热程度的物理量，微观上是物质分子热运动的剧烈程度，影响着物体的某些宏观物理与化学性质，因此，及时获取物体的温度对于物体的研究过程十分重要。常规的测温方法主要测的是一个相对较长的变化时间内的物体的平均温度，在某些领域，则要求需要获取一个瞬态温度，目前瞬态的测温方法主要分为接触式测温和非接触式测温。接触式测温是通过温度敏感元件和被测物体之间的热平衡实现测温。以最传统的热电偶测温为例，通过将温度信号转为电信号实现测温，能够实现较高的准确性和较大的测量范围，特殊场景下，热电偶的响应时间可以达到毫秒级，但是在温度剧烈变化过程中，无法满足瞬态的测温要求，并且接触时测温都会破坏温度场的完整性。非接触式测温一般基于物质的红外辐射特性来实现测温或者通过测量介质的热学特性来间接反映温度。该类测温方法的特点是无需与被测物体进行接触，不会破坏被测物体的温度场，但是测量的精度不及接触式测温方法，其中相关测温方法的温度响应时间也可以达到毫秒级。通过测量介质来间接测量温度方法可以实现瞬态测温过程。例如可以基于磁学特性的温度效应来实现测温过程，磁学温度测量能够实现非接触式测量外部磁场的强度和方向，基于磁纳米粒子具有的温度敏感特性，从而反推出粒子所处的环境温度，能够实现较高的精度，但是测量频率不够高。如何实现更高数量级的测温速率是本领域需要解决的一个问题。


技术实现要素：

3.本发明通过提供一种基于飞秒激光对透光物体的超快测温装置及方法，解决现有技术中非接触式测温的测温速率较低的问题。
4.本发明提供一种基于飞秒激光对透光物体的超快测温装置，包括：飞秒激光器、时域拉伸组件、空间分散组件、第一显微物镜、第二显微物镜、mhz级及以上高速自由空间光电探测器、mhz级及以上高速示波器、计算机；
5.所述飞秒激光器用于产生第一功率、第一波长的飞秒脉冲；
6.所述时域拉伸组件与所述飞秒激光器相连，用于对所述飞秒脉冲进行时域拉伸；
7.所述空间分散组件设置在所述时域拉伸组件的出射光路上，用于对脉冲进行色散；
8.所述第一显微物镜设置在所述空间分散组件的出射光路上，用于将脉冲聚焦到作为观测对象的透明物体上，脉冲经过所述观测对象发生透射；
9.所述第二显微物镜用于收集透射脉冲；
10.所述mhz级及以上高速自由空间光电探测器设置在所述第二显微物镜的出射光路上，用于将光脉冲信号转换为模拟电信号；
11.所述mhz级及以上高速示波器与所述mhz级及以上高速自由空间光电探测器相连，用于基于所述模拟电信号得到接收功率；
12.所述计算机与所述mhz级及以上高速示波器相连，所述计算机用于根据预先获取的入射功率和所述接收功率计算得到所述观测对象的实时透射率；所述计算机用于结合预先获取的第一函数关系和所述实时透射率得到所述观测对象的实时温度分布信息；
13.其中，所述第一函数关系为在所述第一波长下，所述观测对象的透射率和温度之间的函数关系。
14.优选的，所述基于飞秒激光对透光物体的超快测温装置还包括：光功率计；在实时温度测试开始之前，将所述光功率计放置在所述第一显微物镜与所述观测对象之间，通过所述飞秒激光器产生所述第一功率、所述第一波长的飞秒脉冲，通过所述光功率计获得所述入射功率；在实时温度测试开始之后，将所述光功率计移出光路。
15.优选的，所述基于飞秒激光对透光物体的超快测温装置还包括：温度调控装置；所述温度调控装置用于在获得所述第一函数关系的过程中对所述观测对象的温度进行调控。
16.优选的，所述空间分散组件采用衍射光栅；所述衍射光栅用于将脉冲色散为一维空间脉冲。
17.优选的，所述空间分散组件采用声光偏转器和衍射光栅的组合；所述声光偏转器用于改变内部驱动频率、改变脉冲的传播方向，从而实现后续一维飞秒激光在所述观测对象上的二维扫描；所述衍射光栅用于将脉冲色散为一维空间脉冲。
18.优选的，所述基于飞秒激光对透光物体的超快测温装置还包括：准直器；所述准直器与所述时域拉伸组件相连，所述准直器用于将脉冲以特定角度、以空间光的形式入射至所述空间分散组件。
19.优选的，所述基于飞秒激光对透光物体的超快测温装置还包括：第一透镜组合和第二透镜组合；
20.所述第一透镜组合设置在所述空间分散组件与所述第一显微物镜之间，所述第一透镜组合用于调节脉冲光斑的大小、调节脉冲入射至所述第一显微物镜的角度；
21.所述第二透镜组合设置在所述第二显微物镜与所述mhz级及以上高速自由空间光电探测器之间，所述第二透镜组合用于将所述透射脉冲汇聚至所述mhz级及以上高速自由空间光电探测器。
22.另一方面，本发明提供一种基于飞秒激光对透光物体的超快测温方法，采用上述的基于飞秒激光对透光物体的超快测温装置实现，方法包括以下步骤：
23.获取第一函数关系，并存储至计算机中；
24.通过飞秒激光器产生第一功率、第一波长的飞秒脉冲，在第一显微物镜的出射光路上对到达观测对象前的入射脉冲的功率进行测量，得到入射功率；
25.通过飞秒激光器产生第一功率、第一波长的飞秒脉冲，对经过所述观测对象后的透射脉冲的功率进行测量，得到接收功率；
26.计算机基于所述入射功率和所述接收功率得到所述观测对象的实时透射率；所述计算机结合所述第一函数关系和所述实时透射率得到所述观测对象的实时温度分布信息。
27.优选的，采用衍射光栅作为空间分散组件，通过所述衍射光栅将脉冲色散为一维空间脉冲，实现观测对象的一维线区域的超快测温；或者，采用声光偏转器和衍射光栅的组
合作为空间分散组件，通过声光偏转器改变内部驱动频率、改变空间脉冲的传播方向，从而实现后续一维飞秒激光在透光物体上的二维扫描；通过衍射光栅将脉冲色散为一维空间脉冲；实现观测对象的二维面区域的超快测温。
28.优选的，将空间分散组件移出光路，实现观测对象的点区域的超快测温。
29.本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
30.在本发明中，通过标定获得观测的透光物体的透射率和温度之间函数关系；通过飞秒激光器产生第一功率、第一波长的飞秒脉冲，飞秒脉冲通过时域拉伸组件、空间分散组件等多个光学装置后经第一显微物镜出射，在第一显微物镜的出射光路上对到达观测对象前的入射脉冲的功率进行测量得到入射功率；保持飞秒激光器的功率和波长不变，飞秒脉冲通过时域拉伸组件、空间分散组件等多个光学装置后经第一显微物镜出射并聚焦到透光的观测对象上，脉冲经过观测对象发生透射，通过第二显微物镜收集透射脉冲并聚焦到mhz级及以上高速自由空间光电探测器的有效范围内，结合mhz级及以上高速示波器得到接收功率；通过计算机基于入射功率和接收功率得到观测对象的实时透射率，结合标定得到的函数关系和实时透射率得到观测对象的实时温度分布信息。本发明利用飞秒激光脉冲波为飞秒级别的特性，通过时域拉伸和空间分散将每个飞秒激光脉冲在时域内和样品空间内进行映射，从而实现样品温度分布的测量。整个测量过程无接触，能够实现对观测对象进行连续的瞬时温度测量，采样频率高达106hz及以上。本发明装置结构简单，操作方便。
附图说明
31.图1为本发明实施例2提供的一种基于飞秒激光对透光物体的超快测温装置的结构示意图；
32.图2为本发明实施例3提供的一种基于飞秒激光对透光物体的超快测温装置的结构示意图；
33.图3为本发明实施例5提供的一种基于飞秒激光对透光物体的超快测温装置的结构示意图。
具体实施方式
34.基于透光物体的透射率是与温度密切相关的物理量，本发明利用飞秒激光的短脉冲性，基于透射率与温度之间的关系，针对透光物体，提出非接触式的超高速测温的装置和方法，以实现更高数量级的测温速率和大面积的测温区域。
35.本发明提供的一种基于飞秒激光对透光物体的超快测温装置主要包括：飞秒激光器、时域拉伸组件、空间分散组件、第一显微物镜、第二显微物镜、mhz级及以上高速自由空间光电探测器、mhz级及以上高速示波器、计算机。
36.所述飞秒激光器用于产生第一功率、第一波长的飞秒脉冲。
37.所述时域拉伸组件与所述飞秒激光器相连，用于对所述飞秒脉冲进行时域拉伸。
38.所述空间分散组件设置在所述时域拉伸组件的出射光路上，用于对脉冲进行色散。
39.所述第一显微物镜设置在所述空间分散组件的出射光路上，用于将脉冲聚焦到作为观测对象的透明物体上，脉冲经过所述观测对象发生透射。
40.所述第二显微物镜用于收集透射脉冲。
41.所述mhz级及以上高速自由空间光电探测器设置在所述第二显微物镜的出射光路上，用于将光脉冲信号转换为模拟电信号。
42.所述mhz级及以上高速示波器与所述mhz级及以上高速自由空间光电探测器相连，用于基于所述模拟电信号得到接收功率。
43.所述计算机与所述mhz级及以上高速示波器相连，所述计算机用于根据预先获取的入射功率和所述接收功率计算得到所述观测对象的实时透射率；所述计算机用于结合预先获取的第一函数关系和所述实时透射率得到所述观测对象的实时温度分布信息。
44.其中，所述第一函数关系为在所述第一波长下，所述观测对象的透射率和温度之间的函数关系。
45.所述时域拉伸组件可采用单模光纤或多模光纤。
46.所述空间分散组件可采用衍射光栅；所述衍射光栅用于将脉冲色散为一维空间脉冲。或者，所述空间分散组件采用声光偏转器和衍射光栅的组合；所述声光偏转器用于改变内部驱动频率、改变脉冲的传播方向，从而实现后续一维飞秒激光在所述观测对象上的二维扫描；所述衍射光栅用于将脉冲色散为一维空间脉冲。
47.一种具体的实现方式中，还可包括：准直器、第一透镜组合、第二透镜组合、光功率计、温度调控装置。
48.所述准直器与所述时域拉伸组件相连，所述准直器用于将脉冲以特定角度、以空间光的形式入射至所述空间分散组件。
49.所述第一透镜组合设置在所述空间分散组件与所述第一显微物镜之间，所述第一透镜组合用于调节脉冲光斑的大小、调节脉冲入射至所述第一显微物镜的角度。
50.所述第二透镜组合设置在所述第二显微物镜与所述mhz级及以上高速自由空间光电探测器之间，所述第二透镜组合用于将所述透射脉冲汇聚至所述mhz级及以上高速自由空间光电探测器。
51.在实时温度测试开始之前，将所述光功率计放置在所述第一显微物镜与所述观测对象之间，通过所述飞秒激光器产生所述第一功率、所述第一波长的飞秒脉冲，通过所述光功率计获得所述入射功率；在实时温度测试开始之后，将所述光功率计移出光路。
52.所述温度调控装置用于在获得所述第一函数关系的过程中对所述观测对象的温度进行调控。
53.与上述装置相对应，本发明还提供一种基于飞秒激光对透光物体的超快测温方法，包括以下步骤：
54.获取第一函数关系，并存储至计算机中；
55.通过飞秒激光器产生第一功率、第一波长的飞秒脉冲，在第一显微物镜的出射光路上对到达观测对象前的入射脉冲的功率进行测量，得到入射功率；
56.通过飞秒激光器产生第一功率、第一波长的飞秒脉冲，对经过所述观测对象后的透射脉冲的功率进行测量，得到接收功率；
57.计算机基于所述入射功率和所述接收功率得到所述观测对象的实时透射率；所述计算机结合所述第一函数关系和所述实时透射率得到所述观测对象的实时温度分布信息。
58.通过对部分光学元件进行具体选择和移动，本发明提供的超快测温方法可以实现
观测对象的一维线区域、二维面区域、点区域的超快测温：
59.(1)采用衍射光栅作为空间分散组件，通过所述衍射光栅将脉冲色散为一维空间脉冲，可实现观测对象的一维线区域的超快测温。
60.(2)采用声光偏转器和衍射光栅的组合作为空间分散组件，通过声光偏转器改变内部驱动频率、改变空间脉冲的传播方向，从而实现后续一维飞秒激光在透光物体上的二维扫描；通过衍射光栅将脉冲色散为一维空间脉冲；实现观测对象的二维面区域的超快测温。
61.(3)将空间分散组件移出光路，可实现观测对象的点区域的超快测温。
62.为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
63.实施例1：
64.实施例1提供了一种基于飞秒激光对透光物体的超快测温方法，具体的，是一种基于飞秒激光对透光物体的一维线区域超快测温方法，分为基准测试过程和瞬态温度测试(即实时温度测试)过程，主要包括以下步骤：
65.步骤1、通过温度调控装置对测试对象的温度进行调控，通过飞秒激光器发射第一波长的单色激光，配合本发明提供的整套装置或其他仪器组合得到观测对象的透射率和温度之间的函数关系(记为第一函数关系)，以形如公式(1)进行标定，并存储至计算机。
66.r
透射率
＝a*t2 b*t c
ꢀꢀꢀ
(1)
67.下面以配合本发明提供的装置为例，对如何获得第一函数关系进行说明。
68.标定过程：在正式标定开始之前，控制飞秒激光器发射第一功率的第一波长的单色激光，通过光功率计测量经第一显微物镜出射并达到测试对象前的入射脉冲的功率w
入射
，记录此时的入射脉冲的功率w
入射
。正式标定过程开始，温度调控装置控制测试对象处于稳定的t0温度保持不变，保持飞秒激光器标定开始之前发射单色激光的功率和波长不变，单色激光经过时域拉伸组件进行时域拉伸，由准直器将单色激光以空间脉冲的形式射入到空间分散组件进行空间色散，空间脉冲经过第一平凸透镜、第二平凸透镜调整光斑的大小和入射到第一显微物镜的角度，第一显微物镜将空间脉冲聚焦到观测对象上，脉冲经过观测对象发生透射，通过第二显微物镜收集透射脉冲，透射脉冲通过第三平凸透镜、第四平凸透镜、第五平凸透镜调整其到达mhz级及以上高速自由空间光电探测器的汇聚的大小和角度，由mhz级及以上高速自由空间光电探测器将空间光脉冲信号转换为模拟电信号，通过mhz级及以上高速示波器获得接收功率w
接收
，计算机通过公式计算出观测对象在此温度下的透射率。在后续标定步骤中，由温度调控装置缓慢增加观测对象的温度t1、t2...tn，重复上述标定过程，计算机得到一定温度范围内的透射率和温度之间的关系后，以形如公式(1)进行拟合，并将函数关系存储到计算机当中。
69.瞬态温度测试阶段：
70.步骤2、控制所述飞秒激光器产生第一功率和第一波长的飞秒脉冲(即与标定时相同功率和波长的飞秒脉冲)，在标定过程中已经通过光功率计测量由第一显微物镜出射且达到测试对象前的入射脉冲的功率(w
入射
)，并将其输入计算机中存储，测试开始后，将所述光功率计移出光路，保持飞秒激光器发射激光脉冲功率、波长不变；
71.步骤3、通过单模光纤对所述飞秒脉冲进行时域拉伸；
72.步骤4、通过所述准直器将所述脉冲以特定角度、以空间光的形式入射到所述衍射光栅；
73.步骤5、通过所述衍射光栅将空间脉冲色散成为一维空间脉冲；
74.步骤6、所述脉冲通过所述第一平凸透镜、所述第二平凸透镜以调整光斑的大小和入射到所述第一显微物镜的角度；
75.步骤7、通过所述第一显微物镜将所述脉冲聚焦在观测对象上，脉冲经过所述观测对象发生透射；
76.步骤8、通过第二显微物镜收集透射脉冲；
77.步骤9、通过第三平凸透镜、第四平凸透镜改变所述透射脉冲在第五平凸透镜前空间汇聚的大小、角度，通过所述第五平凸透镜将所述透射脉冲汇聚至所述mhz级及以上高速自由空间光电探测器；
78.步骤10、通过所述mhz级及以上高速自由空间光电探测器将光脉冲信号转换为模拟电信号，并传输至所述mhz级及以上高速示波器；
79.步骤11、所述计算机记录此时所述mhz级及以上高速示波器获取的接收功率(w
接收
)，所述计算机通过公式(2)计算出此时观测对象的透射率；
[0080][0081]
步骤12、所述计算机调用所述第一函数关系，通过此时观测对象的透射率得到此时观测对象的温度。
[0082]
实施例1利用飞秒激光脉冲波为飞秒级别的特性，利用衍射光栅将空间脉冲色散形成一维空间脉冲，从而实现一维飞秒激光在观测对象(透光物体)上的一维线扫描，超快的获取脉冲经过观测对象时的透射率，配合预先标定的观测物体的透射率和温度之间的函数关系即可获得极短时间内观测物体一维线区域的实时温度。整个测量过程无接触，能够实现对观测对象进行连续的瞬时温度测量，采样频率高达106hz及以上。
[0083]
实施例2：
[0084]
实施例2提供了一种基于飞秒激光对透光物体的超快测温装置，如图1所示，包括：飞秒激光器101、单模光纤102、准直器103、衍射光栅104、第一平凸透镜105、第二平凸透镜106、第一显微物镜107、光功率计108、温度调控装置109、第二显微物镜110、第三平凸透镜111、第四平凸透镜112、第五平凸透镜113、mhz级及以上高速自由空间光电探测器114、mhz级及以上高速示波器115、计算机116。
[0085]
其中，所述飞秒激光器101与所述单模光纤102连接，所述准直器103与所述单模光纤102连接，所述衍射光栅104位于所述准直器103的前方，所述第一平凸透镜105位于所述衍射光栅104的前方，所述第二平凸透镜106位于所述第一平凸透镜105的前方，所述第一显微物镜107位于所述第二平凸透镜106的前方，观测对象位于所述第一显微物镜107和所述第二显微物镜110之间。所述第三平凸透镜111置于所述第二显微物镜110的前方，所述第四平凸透镜112置于所述第三平凸透镜111的前方，所述第五平凸透镜113置于所述第四平凸透镜112的前方。所述mhz级及以上高速自由空间光电探测器114置于所述第五平凸透镜113的前方，所述mhz级及以上高速示波器115与所述mhz级及以上高速自由空间光电探测器114
连接，所述计算机116连接所述mhz级及以上高速示波器115。所述光功率计108在标定时位于所述第一显微物镜107的前方；所述温度调控装置109在标定时位于所述观测对象的侧方，且位于透射脉冲的传输光路外。
[0086]
利用实施例2提供的装置可实现实施例1提供的方法中的步骤，实现对透光物体的一维线区域超快测温，实施例2提供的装置结构简单，操作方便。
[0087]
实施例3：
[0088]
实施例3提供了一种基于飞秒激光对透光物体的超快测温装置，与实施例2提供的装置不同在于，实施例3提供的装置还包括声光偏转器，基于实施例3提供的装置能够基于飞秒激光对透光物体的二维面区域进行超快测温。
[0089]
具体的，如图2所示，装置包括：飞秒激光器201、单模光纤202、准直器203、声光偏转器204、衍射光栅205、第一平凸透镜206、第二平凸透镜207、第一显微物镜208、光功率计209、温度调控装置210、第二显微物镜211、第三平凸透镜212、第四平凸透镜213、第五平凸透镜214、mhz级及以上高速自由空间光电探测器215、mhz级及以上高速示波器216、计算机217。
[0090]
其中，所述声光偏转器204位于所述准直器203前方，所述衍射光栅205位于所述声光偏转器204前方，所述第一平凸透镜206位于所述衍射光栅205前方。通过所述声光偏转器204改变内部驱动频率、改变空间脉冲的传播方向，从而实现后续一维飞秒激光在透光物体上的大面积二维扫描；通过所述衍射光栅205将空间脉冲色散成为一维空间脉冲。
[0091]
实施例3利用飞秒激光脉冲波为飞秒级别的特性，利用衍射光栅将空间脉冲色散形成一维空间脉冲和声光偏转器通过改变内部驱动频率、改变空间脉冲的传播方向从而实现一维飞秒激光在透光物体上的大面积二维扫描，超快的获取脉冲经过观测对象时的透射率，配合预先标定的观测对象的透射率和温度之间的函数关系即可获得极短时间内观测对象二维面区域的实时温度。实施例3提供的装置结构简单，操作方便。
[0092]
实施例4：
[0093]
实施例4提供了一种基于飞秒激光对透光物体的超快测温方法，采用实施例3提供的装置实现。
[0094]
实施例4提供的测温方法与实施例1的区别在于，将实施例1中的“步骤4、通过所述准直器将所述脉冲以特定角度、以空间光的形式入射到所述衍射光栅；步骤5、通过所述衍射光栅将空间脉冲色散成为一维空间脉冲”调整为：步骤4、通过所述准直器将所述脉冲以特定角度、以空间光的形式入射到所述声光偏转器；步骤5、通过所述声光偏转器改变内部驱动频率、改变空间脉冲的传播方向，从而实现后续一维飞秒激光在透光物体上的大面积二维扫描；通过所述衍射光栅将空间脉冲色散成为一维空间脉冲。
[0095]
利用实施例4提供的方法可以对透光物体实现二维面区域的超快测温功能。
[0096]
实施例5：
[0097]
实施例5提供了一种基于飞秒激光对透光物体的超快测温装置，与实施例2提供的装置不同在于，实施例5提供的装置去掉了衍射光栅，基于实施例5提供的装置能够基于飞秒激光对透光物体的点区域进行超快测温。
[0098]
具体的，如图3所示，装置包括：飞秒激光器301、单模光纤302、准直器303、第一平凸透镜304、第二平凸透镜305、第一显微物镜306、光功率计307、温度调控装置308、第二显
微物镜309、第三平凸透镜310、第四平凸透镜311、第五平凸透镜312、mhz级及以上高速自由空间光电探测器313、mhz级及以上高速示波器314、计算机315。
[0099]
其中，所述准直器303与所述单模光纤302连接，所述第一平凸透镜304位于所述准直器303前方。通过所述准直器303将所述脉冲以特定角度、以空间光的形式入射到所述第一平凸透镜304。
[0100]
实施例5利用飞秒激光脉冲波为飞秒级别的特性，超快的获取脉冲经过观测对象时的透射率，配合预先标定的观测对象的透射率和温度之间的函数关系即可获得极短时间内观测物体点区域的实时温度。实施例5提供的装置结构简单，操作方便。
[0101]
实施例6：
[0102]
实施例6提供了一种基于飞秒激光对透光物体的超快测温方法，采用实施例5提供的装置实现。实施例6提供的测温方法与实施例1的区别在于，实施例6通过所述准直器将所述脉冲以特定角度、以空间光的形式入射到所述第一平凸透镜。即实施例6移除了空间分散组件，实施例6不涉及通过衍射光栅将空间脉冲色散成为一维空间脉冲的步骤。
[0103]
利用实施例6提供的方法可以对透光物体实现点区域的超快测温功能。
[0104]
本发明实施例提供的一种基于飞秒激光对透光物体的超快测温装置及方法至少包括如下技术效果：
[0105]
(1)本发明在常规情况下可以对透光物体进行一维线区域的超快测温功能，采样频率可达106hz及以上。
[0106]
(2)本发明在一维线区域测温装置的基础上，在衍射光栅之前设置声光偏转器可以对透光物体实现二维面区域的超快测温功能，二维温度分布的采集频率主要取决于声光偏转器和一维测温系统实际频率，通常可达到mhz级采样速率。二维面区域的超快测温实例不仅可以超快的获取温度随时间的瞬态变化，其二维扫描的功能也可以获取在某一瞬态下不同区域的具体的温度分布。
[0107]
(3)本发明还可通过取消空间分散组件简化装置，实现透光物体的点区域超快测温功能。
[0108]
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。