可视化定量激光功率的柔性红外激光探测卡及其制备方法与流程

1.本发明涉及光学传感器技术领域，具体地说是一种可视化定量激光功率的柔性红外激光探测卡及其制备方法。


背景技术：

2.5g信息时代和第四次工业革命的到来，导致许多智能终端出现在先进行业和多学科领域。激光探测器件作为激光实验系统的一个关键部件，具有优异的探测性能和低功耗，成为一个热门领域。特别是，一种能够无线显示激光功率定量信息并同时将其转换为人类可读的视觉光学信号的自供电可视化柔性红外激光探测卡，由于其对当前传统红外激光探测卡的良好优化方案，引起了新的兴趣。
3.红外激光探测卡也被称为激光观察卡、红外激光显示卡等，可将各种波段的不可见激光光束转换为宽光谱范围内的可见光，可用于各类半导体激光器光束的探测跟踪、光通信信号检测等领域。红外激光探测卡通常被用于空间激光的定位，来防止人体被激光照射而受到伤害，同时用户还可以通过红外激光探测卡观察激光的光路，并调整光路进行实验。红外激光探测卡发光强度与激光发射功率强度通常成一定的正比增长关系。
4.迄今为止，已报道的红外激光探测卡主要为基于单一上转换发光材料的硬塑料/陶瓷卡片式结构，然而，一些显著的缺陷阻碍了它的实际应用：(i)单一上转换发光材料的固有发光颜色仅能对激光信号起到观察作用，不能进行可视化定量分析；(ii)传统红外激光探测卡制备工艺复杂，可回收性较差，同时制作成本昂贵，不能用于激光雷达等领域的大范围应用；(iii)硬塑料/陶瓷卡片式结构环境适应能力差，不能应用于结构复杂的实验系统。因此，开发一种基于新机制的红外激光探测卡来解决上述挑战性问题具有重要意义。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种可视化定量激光功率的柔性红外激光探测卡及其制备方法，以解决传统红外激光探测卡不能进行可视化定量分析、制作成本昂贵、环境适应能力差等问题。
6.本发明是这样实现的：
7.一种可视化定量激光功率的柔性红外激光探测卡，其结构包括顶部的红色多孔发光层、中间的绿色多孔发光层以及底部的基底光滑屏蔽层；所述红色多孔发光层是在聚二甲基硅氧烷基质中均匀分布有红色上转换发光粉，所述绿色多孔发光层是在聚二甲基硅氧烷基质中均匀分布有绿色上转换发光粉，红色多孔发光层和绿色多孔发光层二者共同构成发光/变色层，且含有平均孔径为150～300μm的多孔结构；所述基底光滑屏蔽层是在聚二甲基硅氧烷基质中均匀分布tio2粉末，tio2粉末直径约为200μm。
8.优选的，红色多孔发光层、绿色多孔发光层以及基底光滑屏蔽层的厚度均为500μm。
9.优选的，所述红色多孔发光层和所述绿色多孔发光层是通过牺牲模板法制备而
成，所用模板为nacl颗粒、糖颗粒、nahco3粉末、nh4co3粉末或聚苯乙烯微球。
10.当激光信号入射进探测卡时，首先被红色多孔发光层所吸收，器件呈现红色发光，且随着激光功率的增大，红色发光强度逐渐增大；当激光功率继续增大时，未被红色多孔发光层所吸收的激光信号入射进入绿色多孔发光层，器件中出现绿色发光，且随激光功率的增大，绿色发光强度也逐渐增大，器件所呈现的发光颜色为绿色与红色的混合，随着r-pl和g-pl的强度比变化，从而导致红外激光探测卡的颜色转变，即：红外激光探测卡所显示的可见光颜色随着入射光功率的变化而发生变化。通过将柔性红外激光探测卡所显示的颜色与入射激光功率相对应，可以通过直接观察探测卡所显示发光颜色，得出此时的入射激光功率。
11.上述器件的制备工艺具体是：将一定量的红色上转换发光粉和nacl颗粒分散在pdms中，利用刮涂法将其刮涂在丙烯酸基底上，形成红色发光层，之后放置于恒温烘箱中于80℃固化1h；再将一定量的绿色上转换发光粉和nacl颗粒分散在pdms中，利用刮涂法将其刮涂在红色发光层之上，形成绿色发光层，之后放置于恒温干燥箱中于80℃固化1h；将一定量的tio2粉末分散在pdms中，利用刮涂法将其刮涂在绿色发光层之上，放置于恒温干燥箱中于80℃固化1h。将固化好的器件从丙烯酸基底上剥离，并浸没于去离子水中，循环进行超声、高温固化处理，以使nacl颗粒完全溶解排出并在恒温烘箱中干燥，最终制备完成。
12.本发明具有如下有益效果：
13.1、本发明提供的可视化定量激光功率的柔性红外激光探测卡，通过集成两种颜色的上转换发光材料，可以实现激光探测卡随入射光功率变化而产生可见光的颜色变化，通过将柔性红外激光探测卡所显示的颜色与入射激光功率相对应，可以通过直接观察器件所显示发光颜色，得出此时的入射激光功率，为激光功率的定量分析提供了更加多样化和灵活的选择。
14.2、本发明提供的可视化定量激光功率的柔性红外激光探测卡，通过固化上转换荧光粉和pdms的混合薄膜以及tio2粉末和pdms的混合薄膜，可以灵活改变红外激光探测卡的大小，同时解决了传统红外激光探测卡制备工艺复杂，可回收性较差，制作成本昂贵的问题，适合在激光雷达等领域进行大范围应用。
15.3、本发明提供的可视化定量激光功率的柔性红外激光探测卡，具有柔性结构，可适应复杂的实验环境，同时易于与其他测试系统相集成。
附图说明
16.图1为本发明实施例提供的可视化定量激光功率的柔性红外激光探测卡的结构示意图。
17.图2为本发明实施例提供的可视化定量激光功率的柔性红外激光探测卡中发光层上的多孔结构示意图。
18.图3为本发明实施例提供的可视化定量激光功率的柔性红外激光探测卡随吸收激光功率增大而产生的发射光谱图及变化的cie坐标图。
19.图4为本发明实施例提供的可视化定量激光功率的柔性红外激光探测卡在四个特征功率(1mw、5mw、9mw、13mw)下的发光颜色对照图。
20.图5为本发明实施例提供的可视化定量激光功率的柔性红外激光探测卡的制备方
法。
21.其中：1、红色多孔发光层；2、绿色多孔发光层；3、基底光滑屏蔽层。
具体实施方式
22.如图1所示，本发明所提供的可视化定量激光功率的柔性红外激光探测卡由三层复合材料组成，分别是：顶部的红色多孔发光层1、中间的绿色多孔发光层2以及底部的基底光滑屏蔽层3。本发明中，红色多孔发光层1是在聚二甲基硅氧烷(pdms)基质中均匀分布有红色上转换发光粉，绿色多孔发光层2在pdms基质中均匀分布有绿色上转换发光粉。红色多孔发光层1和绿色多孔发光层2共同构成发光/变色层，其发光机制是光致发光。基底光滑屏蔽层3是在pdms基质中均匀分布有tio2粉末，对未被发光/变色层所吸收的激光信号具有反射作用。
23.红色多孔发光层1、绿色多孔发光层2和基底光滑屏蔽层3的厚度均为500μm。如图2所示，红色多孔发光层1和绿色多孔发光层2中含有平均孔径为150～300μm的致密分布的孔。基底光滑屏蔽层3为致密层，所用tio2粉末直径约为200μm。
24.顶部的红色多孔发光层1充当红色光源，激光照射到红色多孔发光层1上时，可产生红色光致发光(r-pl)；绿色多孔发光层2是绿色光源，激光照射到绿色多孔发光层2上时，可产生绿色光致发光(g-pl)；红色多孔发光层1和绿色多孔发光层2共同构成发光/变色层。当激光信号照射在红色多孔发光层1上时，在红色多孔发光层1的上方收集器件所转化的可见光发射信号，该信号是发光层的r-pl和g-pl的组合。当激光信号入射进器件时，首先被红色多孔发光层1所吸收，器件呈现红色发光，且随着激光功率的增大，红色发光强度逐渐增大；当激光功率继续增大时，未被红色多孔发光层1所吸收的激光信号入射进入绿色多孔发光层2，器件中出现绿色发光，且随着激光功率的增大，绿色发光强度也逐渐增大，器件所呈现的发光颜色为绿色与红色的混合，随着r-pl和g-pl的强度比变化，从而导致红外激光探测卡的颜色转变。
25.发光层上的多孔结构起到减少漫反射、汇聚激光信号的作用，降低了激光功率的探测极限；同时，多孔结构汇聚了可见光信号，使可见光颜色变化更为明显，提高了器件的探测灵敏度。除此之外，多孔漫反射不会反射激光，减小了激光入射人眼的损害。在绿色多孔发光层底部引入了基底光滑屏蔽层，可使未被红色多孔发光层和绿色多孔发光层吸收的激光信号反射回器件，同时减少可见光信号的弥散，提高了器件的性能。
26.通过可调谐激光器控制光纤输出的激光功率，入射进顶部红色多孔发光层1和中间绿色多孔发光层2。在出场标定或详细对照时，可使用光谱仪利用色坐标详细观察发光光谱。具体地，在红色多孔发光层1上可放置光纤探头采集器件表面所产生的可见光信号并将其引导到光谱仪上，监测器件所产生的发光光谱。而不用仪器监测，通过人眼观察可判断得到一个大概的激光功率。
27.图3显示了本发明柔性红外激光探测卡在不同入射激光功率强度下(1mw、3mw、5mw、7mw、9mw、11mw、13mw)的相应发光光谱图和色度坐标图中坐标的变化。图中，在分别位于650nm处的纯r-pl峰和510nm处的纯g-pl峰之间观察到光谱变化，随着入射激光功率逐渐增大，红光和绿光强度均增强，且两种颜色的比例发生变化。色度坐标图中纯红色pl发光粉的红色坐标为(0.71，0.32)，纯绿色pl发光粉的绿色坐标为(0.21，0.51)，随着入射激光功
率逐渐增大，器件所产生的色坐标发生明显变化。这说明随着入射激光功率强度的增加，柔性红外激光探测卡在纯r-pl和纯g-pl之间经历了明显的颜色过渡，并且柔性红外激光探测卡所显示的颜色与入射激光功率具有一一对应的关系，这进一步证明了柔性红外激光探测卡出色的颜色转换能力。
28.图4中示出了在1mw、5mw、9mw、13mw四个不同功率的激光照射下，本实施例中柔性红外激光探测卡的不同发光颜色对照图，1mw、5mw、9mw、13mw四个不同功率的激光，分别对应探测卡的发光颜色为红、橙、黄、绿，从而可根据探测卡发光颜色大致推断激光功率。
29.通过将柔性红外激光探测卡所显示的颜色与入射激光功率相对应，可以通过人眼直接观察探测卡所显示发光颜色，得出此时的入射激光功率。
30.如图5所示，本发明中可视化定量激光功率的柔性红外激光探测卡的制备方法包括以下步骤：
31.步骤s1，利用激光切割技术，制备丙烯酸基底和三个相同的pet框架，丙烯酸基底尺寸为5
×5×
0.5cm，pet框架为边长5cm、厚度500μm的正方形，中间挖去边长为4cm的方形。将pet框架粘贴在丙烯酸基材上，形成制备薄膜的整体限制框架。
32.步骤s2，将一定量的红色上转换发光粉和nacl颗粒分散在pdms中，pdms基体与固化剂(固化剂是使pdms基体从液态转化为柔性橡胶态的试剂)的比例为10:1，搅拌均匀后利用刮涂法将其刮涂在粘贴有pet框架的丙烯酸基底上，刮涂后形成红色发光层，pet框架将红色发光层限制为500μm，将其整体放置于恒温烘箱中于80℃固化1h。
33.步骤s3，红色发光层固化完成后从烘箱中取出，在已有pet框架上再粘贴一层相同的pet框架，再将一定量的绿色上转换发光粉和nacl颗粒分散在pdms中，pdms基体与固化剂的比例为10:1，搅拌均匀后利用刮涂法将其刮涂在红色发光层之上，形成绿色发光层，此时绿色发光层厚度为500μm，整体厚度为1000μm，将其整体放置于恒温干燥箱中于80℃固化1h。
34.步骤s4，绿色发光层固化完成后从烘箱中取出，在已有pet框架上再粘贴一层相同的pet框架，再将一定量的tio2粉末分散在pdms中，pdms基体与固化剂的比例为10:1，搅拌均匀后利用刮涂法将其刮涂在绿色发光层之上，此时器件整体厚度为1500μm，将其整体放置于恒温干燥箱中于80℃固化1h。
35.步骤s5，将固化好的器件从丙烯酸基底上剥离，并浸没于去离子水中，循环进行超声、高温固化处理，以使红色发光层和绿色发光层中的nacl颗粒完全溶解排出，并在恒温烘箱中干燥，最终制备完成。nacl颗粒排出后在红色发光层和绿色发光层中即形成了多孔结构，也就形成了红色多孔发光层和绿色多孔发光层。
36.本发明首次提出了一个依靠双上转换发光粉及多孔结构的可视化定量激光功率的柔性红外激光探测卡，能够响应于激光发射功率而使发光颜色产生变化。这种新颖的红外激光探测卡表现出相当低(人眼分辨极限约为1mw，机器分辨约为0.1mw，有光即可分辨)的激光功率检测极限，并且具有高灵敏度(人眼分辨率为1mw，机器分辨率约为0.1mw)，还可以直观地显示施加激光信号的分布情况。这是颜色可调(即器件会随激光功率变化而变色)红外激光探测卡的首次演示，在未来自供电可视化传感系统中具有极大的潜在应用。

技术特征：
1.一种可视化定量激光功率的柔性红外激光探测卡，其特征是，包括顶部的红色多孔发光层、中间的绿色多孔发光层以及底部的基底光滑屏蔽层；所述红色多孔发光层是在聚二甲基硅氧烷基质中均匀分布有红色上转换发光粉，所述绿色多孔发光层是在聚二甲基硅氧烷基质中均匀分布有绿色上转换发光粉，所述基底光滑屏蔽层是在聚二甲基硅氧烷基质中均匀分布有tio2粉末。2.根据权利要求1所述的可视化定量激光功率的柔性红外激光探测卡，其特征是，所述红色多孔发光层和所述绿色多孔发光层中分别含有平均孔径为150～300μm的多孔结构。3.根据权利要求2所述的可视化定量激光功率的柔性红外激光探测卡，其特征是，所述红色多孔发光层和所述绿色多孔发光层是通过牺牲模板法制备而成，所用模板为nacl颗粒、糖颗粒、nahco3粉末、nh4co3粉末或聚苯乙烯微球。4.根据权利要求1所述的可视化定量激光功率的柔性红外激光探测卡，其特征是，所述基底光滑屏蔽层所用tio2粉末的直径为200μm。5.根据权利要求1所述的可视化定量激光功率的柔性红外激光探测卡，其特征是，红色多孔发光层、绿色多孔发光层以及基底光滑屏蔽层的厚度均为500μm。6.一种可视化定量激光功率的柔性红外激光探测卡的制备方法，其特征是，包括如下步骤：s1、制备丙烯酸基底及三个相同的pet框架，pet框架是中空的边框结构；将其中一个pet框架粘贴在丙烯酸基底上；s2、将红色上转换发光粉和nacl颗粒分散在聚二甲基硅氧烷基质中，搅拌均匀后利用刮涂法将其刮涂在粘贴有pet框架的丙烯酸基底上，形成红色发光层，之后置于恒温烘箱中固化；s3、红色发光层固化完成后取出，在pet框架上再粘贴一层pet框架；将绿色上转换发光粉和nacl颗粒分散在聚二甲基硅氧烷基质中，搅拌均匀后利用刮涂法将其刮涂在红色发光层上，形成绿色发光层，之后置于恒温烘箱中固化；s4、绿色发光层固化完成后取出，在第二层pet框架上再粘贴一层pet框架；将tio2粉末分散在聚二甲基硅氧烷基质中，搅拌均匀后利用刮涂法将其刮涂在绿色发光层上，之后置于恒温烘箱中于固化；s5、将固化好的器件从丙烯酸基底上剥离，并浸没于去离子水中，循环进行超声、高温固化处理，以使红色发光层和绿色发光层中的nacl颗粒完全溶解排出，并在恒温烘箱中干燥，最终制备完成。7.根据权利要求6所述的可视化定量激光功率的柔性红外激光探测卡的制备方法，其特征是，步骤s2、s3、s4中，在恒温烘箱中固化的参数为：温度80℃，时间1h。8.根据权利要求6所述的可视化定量激光功率的柔性红外激光探测卡的制备方法，其特征是，多孔发光层中聚二甲基硅氧烷基质与固化剂比例为10：1。

技术总结
本发明提供了一种可视化定量激光功率的柔性红外激光探测卡及其制备方法。该柔性红外激光探测卡包括顶部的红色多孔发光层、中间的绿色多孔发光层及底部的基底光滑屏蔽层；发光层是在PDMS中均布有红色或绿色上转换发光粉，二者共同构成发光/变色层，且含有平均孔径为150～300μm的多孔结构。本发明首次提出了一个依靠双上转换发光粉及多孔结构的可视化定量激光功率的柔性红外激光探测卡，能够响应于激光发射功率而颜色变化。这种新颖的红外激光探测卡表现出相当低的激光功率检测极限，且具有高灵敏度，还可直观地显示施加激光信号的分布情况。这是颜色可调红外激光探测卡的首次演示，在未来自供电可视化传感系统中具有极大的潜在应用。潜在应用。潜在应用。


技术研发人员：田震 王文亭 管爽 牛嘉琪 祝宁华
受保护的技术使用者：雄安创新研究院
技术研发日：2023.08.01
技术公布日：2023/10/19