一种利用光纤光栅检测激光与物质相互作用热效应的方法

本发明属于热效应检测领域，具体是一种利用光纤光栅检测激光与物质相互作用热效应的方法。

背景技术：

1、在激光与介质相互作用过程中有部分能量转化为热量引起材料升温。这种作用区域热量的积累与扩散除与介质本身有关外，还受到激光工作条件的影响，如：重复频率和脉冲能量，对于高重复频率或高脉冲能量的情况，热积累效应尤为显著，产生的热影响将会向作用区域以外扩展。热效应是影响高功率光纤激光系统安全运行的重要因素之一。探索光纤激光系统热效应产生的源头，积极开展热效应控制技术研究，采取合理措施抑制热集中现象，大幅提高光纤激光系统的模式不稳定阈值以避免模式劣化现象，对于进一步提升光纤激光系统安全稳定输出功率具有非常重要的现实意义。

2、近年来，随着工业的发展和信息通信技术的进步，光纤温度传感器因其优异的性能受到了密切的关注，它具有结构和式样丰富、温度测量精度高、可绕性好、温度灵敏度高等优点，被广泛投入到航空航天、车辆电子、建筑业、地质探查等应用中。其中，分布式光纤温度传感是一种能同时做到传感和通信并实现长距离的分布式温度场测量技术，解决了点式光纤温度传感器难于实现温度分布式测量的问题，成本低且易于操作，同时它还具有空间分辨率高、测温准确性高、抗电磁干扰等优点，能应用在一些恶劣的环境中，具有巨大的研究意义和应用需求

3、现有检测激光与物质相互作用热效应的方法中，由于光纤导热能力较弱，导致温度的传感速度较低，检测数据容易出现误差。而具有高精度、多场景、多式样等特点的光纤温度传感器因其优异的性质能够应用在环境监测、地质勘探等多种领域中。石墨烯作为一种具有超高的热导率、极低的热容以及零带隙的特殊结构而具有的响应速度快等特性的二维材料，还具有与基体优异的耦合能力，应用在光纤温度传感器中，能够大大提高光纤温度传感器的导热能力，实现更高性能的温度传感。因此，本方案提出了一种利用光纤光栅检测激光与物质相互作用热效应的方法。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提供一种利用光纤光栅检测激光与物质相互作用热效应的方法，以提高光纤温度传感器的导热能力，实现更高性能的温度传感，提高检测激光与物质相互作用热效应的效率。

2、为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种利用光纤光栅检测激光与物质相互作用热效应的方法，包括如下步骤：

3、步骤一，制备石墨烯光纤：将石英光纤预制棒在拉丝塔上拉制出光纤，在光纤纤芯内刻写光纤光栅串，然后将石墨烯纳米片含量为总重量的30％的石墨烯-丙烯酸酯复合涂料用涂覆机直接喷涂在光纤表面，形成石墨烯涂层，喷涂速度与拉制速度相当；再使用达3kw的高功率紫外光固化涂覆的石墨烯涂层薄膜，制作成石墨烯涂层光纤布拉格光栅温度传感器。

4、最后利用光学显微镜和扫描电子显微镜对所制光纤样品进行表征测试，确认该石墨烯光纤的实用性。

5、步骤二，构建检测系统：将石墨烯光纤的两端分别连接点式热源和环形器。环形器连接宽带光源和光纤光栅解调仪。

6、步骤三，进行作用：使激光与物质进行作用。

7、步骤四，进行检测：利用步骤二中构建的检测系统进行热效应检测。

8、采用上述方案的原理及有益效果：1、石墨烯纳米片含量为总重量的30％，这种含量的优化能够提供足够的润滑以避免生产过程中堵塞涂覆机管道，同时保证了涂层材料凝固后良好的柔韧性和强度，当石墨烯的含量提高时，石墨烯有结块沉积发生，容易堵塞涂覆机的管道；当石墨烯含量少于30％时，虽然不易堵塞涂覆机管道，但由于含量较少，经电镜观察发现涂料中石墨烯材料分布不太均匀，没有连贯性，对石墨烯光纤的导热性能会产生一定影响。

9、2、使用该方法能在保证温度灵敏度与传统系统的灵敏度相同的基础上，大大提高系统的温度传感速度，提高了检测激光与物质相互作用热效应的效率。

10、进一步，步骤一中，将石英光纤预制棒在拉丝塔上拉制出光纤后，用248nm的超快激光器通过光刻掩膜技术在石英光纤的纤芯中写入周期光栅。

11、进一步，步骤一中，进行表征测试时，观测石墨烯光纤的颜色、光纤表面是否含有涂料的溶剂杂质、光纤表面上的致密石墨烯涂层、石墨烯涂层的厚度、石墨烯纳米片的尺寸以及光纤涂层的厚度和碳化程度是否均匀。

12、有益效果：由此能够确定所使用的的石墨烯光纤的质量，保证检测激光与物质相互作用热效应的准确性和高效性。

13、进一步，步骤一中，石英光纤预制棒在拉丝塔上拉制出光纤的速度为10m/s。

14、有益效果：该速度为适宜速度，有利于光纤的形成。

15、进一步，步骤二中，光纤光栅解调仪内设置有电子调谐的激光器，波长范围为1529～1568nm，光纤光栅解调仪内部还设置有一个频率计数器，采样率为1khz，频率分辨率达0.1pm，光纤光栅解调仪可4通道同时测量。

16、进一步，步骤二中，在假设光纤光栅串相邻光栅波长间隔为2nm能互不干扰的情况下，光纤光栅解调仪能连接4×19＝76个传感器，该光纤光栅解调仪可与电脑连接，支持软件控制，可实时获得测量数据实现数据同步。

17、有益效果：该光纤光栅解调仪可与电脑连接，支持软件控制，可实时获得测量数据实现数据同步，由此能够便于检测人员获取和记录检测数据，提高了检测效率。

18、进一步，步骤三中，具体作用方法为：在距离栅区8mm处使用点式热源对光纤从24℃加热至104℃，点式热源由一个精度为4mm的手动位移台操控，给光纤提供一个瞬时温度，待两光栅传感器的中心波长偏移都保持稳定后，再操控位移台使光纤上温度从104℃降回24℃，反复测试多次。

19、有益效果：多次实验能够对不同物质进行检测，或对同一物质进行多次检测，确保检测结果的准确性。

20、进一步，步骤四中，利用步骤二中构建的检测系统进行热效应检测，光纤光栅解调仪通过网线外连电脑控制软件，通过光纤光栅解调仪的控制软件显示和记录测试结果，光纤光栅解调仪的解调数据有光栅的中心波长以及光栅中心波长变化的时间。

21、有益效果：由此能够便于获取光栅的中心波长以及光栅中心波长变化的时间，获得激光与物质相互作用热效应的结果。

技术特征：

1.一种利用光纤光栅检测激光与物质相互作用热效应的方法，其特征在于：包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的利用光纤光栅检测激光与物质相互作用热效应的方法，其特征在于：步骤一中，将石英光纤预制棒在拉丝塔上拉制出光纤后，用248nm的超快激光器通过光刻掩膜技术在石英光纤的纤芯中写入周期光栅。

3.根据权利要求2所述的利用光纤光栅检测激光与物质相互作用热效应的方法，其特征在于：步骤一中，进行表征测试时，观测石墨烯光纤的颜色、光纤表面是否含有涂料的溶剂杂质、光纤表面上的致密石墨烯涂层、石墨烯涂层的厚度、石墨烯纳米片的尺寸以及光纤涂层的厚度和碳化程度是否均匀。

4.根据权利要求3所述的利用光纤光栅检测激光与物质相互作用热效应的方法，其特征在于：步骤一中，石英光纤预制棒在拉丝塔上拉制出光纤的速度为10m/s。

5.根据权利要求4所述的利用光纤光栅检测激光与物质相互作用热效应的方法，其特征在于：步骤二中，光纤光栅解调仪内设置有电子调谐的激光器，波长范围为1529～1568nm，光纤光栅解调仪内部还设置有一个频率计数器，采样率为1khz，频率分辨率达0.1pm，光纤光栅解调仪可4通道同时测量。

6.根据权利要求5所述的利用光纤光栅检测激光与物质相互作用热效应的方法，其特征在于：步骤二中，在假设光纤光栅串相邻光栅波长间隔为2nm能互不干扰的情况下，光纤光栅解调仪能连接4×19＝76个传感器，该光纤光栅解调仪可与电脑连接，支持软件控制，可实时获得测量数据实现数据同步。

7.根据权利要求6所述的利用光纤光栅检测激光与物质相互作用热效应的方法，其特征在于：步骤三中，具体作用方法为：在距离栅区8mm处使用点式热源对光纤从24℃加热至104℃，点式热源由一个精度为4mm的手动位移台操控，给光纤提供一个瞬时温度，待两光栅传感器的中心波长偏移都保持稳定后，再操控位移台使光纤上温度从104℃降回24℃，反复测试多次。

8.根据权利要求7所述的利用光纤光栅检测激光与物质相互作用热效应的方法，其特征在于：步骤四中，利用步骤二中构建的检测系统进行热效应检测，光纤光栅解调仪通过网线外连电脑控制软件，通过光纤光栅解调仪的控制软件显示和记录测试结果，光纤光栅解调仪的解调数据有光栅的中心波长以及光栅中心波长变化的时间。

技术总结
本发明公开了热效应检测领域的一种利用光纤光栅检测激光与物质相互作用热效应的方法，包括如下步骤：将石英光纤预制棒在拉丝塔上拉制出光纤，在光纤纤芯内刻写光纤光栅串，然后将石墨烯纳米片含量为总重量的30％的石墨烯‑丙烯酸酯复合涂料用涂覆机直接喷涂在光纤表面；制作成石墨烯涂层光纤布拉格光栅温度传感器；最后确认该石墨烯光纤的实用性；将石墨烯光纤的两端分别连接点式热源和环形器。环形器连接宽带光源和光纤光栅解调仪；使激光与物质进行作用；利用步骤二中构建的检测系统进行热效应检测。使用该方法能在保证温度灵敏度与传统系统的灵敏度相同的基础上，大大提高系统的温度传感速度，提高了检测激光与物质相互作用热效应的效率。

技术研发人员：李欣,朱虹,豆贤安,谢运涛,卞进田,孔辉,王玺
受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13