利用飞秒激光微加工系统诱导长磷光光谱的测量方法

摘要

一种利用飞秒激光微加工系统诱导长磷光光谱的测量方法，该系统包括飞秒激光微加工装置，显微光谱收集装置及温控装置。本发明利用温度可调的温控部件，调节样品所在环境的温度，使飞秒激光作用的区域同时发光。飞秒激光加工时，使样品温度保持在0℃，样品被加工的区域在0℃下不发光。飞秒激光加工后，使样品温度升至室温或者任意一个设置的温度，此时被激光加工后的区域同时发出明亮的长磷光。用光谱收集装置可精确测量设定的温度下长磷光随时间变化的光谱。然后用作图软件计算出每个时刻对应的光谱积分强度，得到光谱积分强度随时间的衰减图，并作非线性拟合，根据拟合的参数，研究飞秒激光诱导的长磷光的发光机理及发光性能。

说明书

技术领域

本发明属于光谱测量技术领域，是一种利用飞秒激光微加工系统诱导长磷光光谱的测量方法。

背景技术

长磷光是指当激发光源切断后能持续发光的现象。传统的长磷光材料，又名“夜光粉”，在日光或者紫外光的短暂照射下，撤去光源，仍在很长一段时间内持续发光。传统的长磷光材料已经在隐蔽照明、紧急照明设施，航空、航海和汽车仪表盘显示以及道路标记等领域得到了广泛应用。

1998年，邱建荣小组发现，飞秒激光辐照含稀土离子(Ce³⁺、Tb³⁺、Pr³⁺)的钙铝硅玻璃，撤去激光后，被飞秒激光作用的部分还发出明亮的磷光。这种激光诱导长磷光现象引起了国内外的重视。后来他们又系统报道了稀土离子(Eu²⁺)、过渡金属离子(Mn²⁺)掺杂的硼酸盐以及掺锗的石英玻璃等在飞秒激光辐照后的长磷光现象。

以一玻璃块体的长磷光样品为例，经紫外光照射，样品的表面和内部的所有区域都发出长磷光。而飞秒激光经过物镜的聚焦，可以在样品表面以及内部的任意深度加工出任意尺寸的图形(最小可达微米量级)，加工出的图形区域就是长磷光发光区。所以说，飞秒激光诱导的长磷光是空间选择性的。这种空间可选择性的长磷光在三维立体显示、三维光学存储以及工艺美术上有重要应用。

为了研究飞秒激光诱导的长磷光的发光机理与发光性能，就必须精确测量出长磷光光谱以及光谱随时间的变化。然而，飞秒激光诱导的长磷光的发光特点是，激光先加工的区域先发光，后作用的区域后发光。比如说，我们用激光扫出一个1mm×1mm的区域来测光谱，当激光扫完这个1mm²的区域的最后一个点时，激光扫的第一个点的长磷光已经发光一段时间了。有的长磷光材料会有多个发光中心，不仅光谱强度随时间衰减，光谱的谱型也会随着时间变化。光谱的精确测量就要求飞秒激光作用的区域一起发光。然而这种激光作用区域不同步发光的特性就给光谱的精确测量带来了不便。经过实验论证，飞秒激光诱导的长磷光与环境温度有关，当环境温度为0℃时，即使是激光作用过的区域也没有发光现象，然而当环境温度升至室温时，激光作用过的区域会出现长磷光。因此，利用长磷光与温度的关系，开展飞秒激光诱导的长磷光相关机理与性能的研究，就需要一个专门的利用飞秒激光微加工装置诱导长磷光光谱的测量方法。

发明内容

本发明目的在于解决飞秒激光诱导的长磷光光谱不能精确测量的问题，利用飞秒激光诱导的长磷光与温度的关系，提出一种利用飞秒激光微加工装置诱导长磷光光谱的测量方法。该方法结构简单，操作安全方便，可以测量不同温度以及不同时刻的长磷光光谱，然后用作图软件计算出某一温度下每个时刻对应的光谱积分强度，得到不同温度下光谱积分强度随时间衰减图，并作非线性拟合，根据拟合的参数，研究飞秒激光诱导的长磷光的发光机理。

本发明的技术解决方案如下：

利用飞秒激光微加工装置诱导长磷光光谱的测量方法，包括飞秒激光微加工装置，其特征在于，该系统还包括：显微光谱收集装置及温控装置；

所述的飞秒激光微加工装置，包括飞秒激光器，反射飞秒激光的二向色镜，聚焦飞秒激光的显微物镜，反射光谱的反射镜，三位可移动的载物台以及放于样品台上的样品。从飞秒激光器出射的飞秒激光通过显微物镜，聚焦到样品内部，实现对样品内部的精确加工。

所述的显微光谱收集装置包括两个微透镜，光纤以及光谱仪。飞秒激光诱导的长磷光光谱被显微物镜收集，透过二向色镜，然后被反射镜反射进入微透镜聚焦，耦合到光纤中，再通过另一个微透镜导入到光谱仪狭缝中。

所述的温控装置包括容器，放置在该容器内的样品台、蒸馏水以及可调节温度的智能加热棒。样品放在样品台上，蒸馏水淹没样品。飞秒激光加工时，使水温为0℃，所以飞秒激光加工过程中，被作用的区域不发光，待激光加工结束后，使水温加热到室温，此时飞秒激光加工的区域同时发光，用光谱收集装置可精确测量出长磷光的光谱强度及谱型随时间的变化，然后对采集的光谱进行强度积分，得到光谱积分强度随时间衰减图，并作非线性拟合，根据拟合的参数，研究飞秒激光诱导的长磷光的发光机理。

与现有技术相比，本发明的技术效果如下：

本发明利用飞秒激光诱导的长磷光与温度的关系，将样品置于温控装置中，通过调节温度使飞秒激光作用的区域一起发光，能够精确地测量出长磷光光谱其强度及谱型随时间的变化。此外，通过调节到不同温度，可以对比不同温度下长磷光光谱随时间的衰减，这对于研究飞秒激光诱导的长磷光的发光机理及发光特性具有重要意义。

本发明结构简单、操作方便，性能稳定，给精确测量飞秒激光诱导的长磷光光谱提供了可靠高效的途径。

附图说明

图1是利用飞秒激光微加工装置诱导长磷光光谱的测量方法示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不应因此限制本发明的保护范围。

请参阅图1，图1是利用飞秒激光微加工装置诱导长磷光光谱的测量方法示意图，如图所示，本发明是一种利用飞秒激光微加工装置诱导长磷光光谱的测量方法，包括飞秒激光微加工装置，其特征在于，该系统还包括：显微光谱收集装置及温控装置；

所述的飞秒激光微加工装置包括飞秒激光器1，反射飞秒激光的二向色镜3，聚焦飞秒激光的显微物镜4，反射长磷光光谱的反射镜12，三位可移动的载物台5以及放于样品台上的样品6。

所述的显微光谱收集装置包括微透镜13、光纤14、微透镜15以及光谱仪16；

所述的温控装置包括容器9，放置在该容器内的样品台7、蒸馏水8以及可调节温度的智能加热棒10；

从飞秒激光器1出射的飞秒激光2通过二向色镜3反射到显微物镜4中，经物镜4聚焦到样品6内部。样品6放在固定在容器9中的样品台7上，蒸馏水8淹没样品6，此时调节水温为0℃。容器9放在载物台5上，飞秒激光加工过程中，载物台5三维移动，实现对样品的精密加工，被激光加工的区域在0℃下不发光。加工结束后，将水温加热至室温，此时样品被加工的区域同时发出长磷光11，被显微物镜4收集，透过二项色镜3，被反射镜12反射进入第一微透镜13，然后聚焦耦合到光纤14中，再通过第二微透镜15导入到光谱仪16中，测量出室温下的光谱。此后每隔n(n可以任意设置)分钟采集一次长磷光光谱，直到光谱不被探测到。然后用作图软件计算出每个时刻对应的光谱积分强度，得到光谱积分强度随时间衰减图，并作非线性拟合，根据拟合的参数，研究飞秒激光诱导的长磷光的发光机理。

此外，飞秒激光加工后，可将水温升至任意温度，就可以测量该温度下的长磷光光谱随时间的变化，通过数据处理得到该温度下光谱积分强度随时间衰减曲线，这对长磷光的发光机理和使用性能的研究有重要作用。