CN104280152B - 一种可动态调谐的温度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可动态调谐的温度传感器，包括三种光学介质A、B和D，沿输入光束前进的方向依次为周期性交替结构的光学介质A和B、光学介质D及周期性交替结构的光学介质B和A，即关于中心光学介质D是对称的，且中心光学介质D左右两侧的周期性交替结构的周期数相等；所述光学介质D为非线性的克尔介质；所述光学介质A和B为温度敏感的具有不同折射率的光学薄膜介质。通过检测系统反射率的变化探测外界环境温度的大小，实现待测温度范围内的温度检测。本发明的温度传感器具有结构简单、生产成本低、且传感特性可调谐等优点，不仅可实现较宽范围内的温度测量，还可以实现特定温度附近的高灵敏度高精度的温度测量，且测量灵敏度可调谐。
Description
技术领域
本发明涉及一种可动态调谐的温度传感器，属于光学系统中温度传感检测领域。
背景技术
光子晶体是具有周期性的介电结构，其最基本特征是光子带隙和光子局域，由Yablonovitch和John在1987年首次分别独立提出。其中的一维光子晶体具有结构简单、容易实现、易于集成和插入损耗小等优点，成为如今研究最为广泛和实际应用的光子晶体。近年来，人们将光子晶体引入到传感测量领域，设计了许多性能优良的传感器件。如光子晶体压力传感器、光子晶体气体传感器、光子晶体扭矩传感器、光子晶体生物传感器等，拓展了光子晶体的应用领域。
现有技术[1] (参见物理学报，童凯等，2008,57(2):762-766) 基于(AB)NA(BA)N结构设计了一种温度传感器。其中A、B介质分别为Si和SiO2材料，通过建立温度与缺陷模位置的关系来探测温度大小，其测温范围-20℃-120℃，灵敏度达到0.207nm/℃。
现有技术[2](参见International Journal of Microwave Science andTechnology，Kumar A，Kumar V，Suthar B. 2012，1-5)描述的一维光子晶体温度传感器结构同样为 (AB)ND(BA)N。其中A和D选用Si材料，B用空气介质。通过建立温度与缺陷模位置的关系来探测温度大小，其测温范围100K-700K，测温灵敏度达到0.064nm/K。该传感器相比现有技术[1]提高了温度检测范围，但灵敏度大大减小。另外，由于该传感器中周期性的B介质为空气，实际中不便于制作。
现有技术[3](参见量子电子学报，钱祥忠，2010，27(4), 463-468)描述的一维光子晶体温度传感器结构为G(ab)3(LC)(ab)3G。其中G为平板玻璃，LC为液晶盒，a和b为高低折射率交替排列的电介质。利用液晶折射率随温度敏感的特性，当环境温度变化时，缺陷模位置发生变化，通过测量透射谱中缺陷模的变化来探测温度大小。由于液晶状态的温度范围小，且不同材料存在液晶状态的温度范围不同，一般只有几十度，故该温度传感器的测量温度范围较窄。
现有技术[4](参见物理学报，黄覃等，2010，59(6), 4014-4017) 对含耦合缺陷的不对称结构光子晶体进行研究。发现当缺陷层为折射率的温度敏感材料时，温度的极微小变化就能使处于缺陷模频率的反射光相移发生很显著变化。根据这一原理，设计了高灵敏高分辨率的相位温度传感器。该传感器基于含多个耦合缺陷层的光学结构进行设计，因而结构复杂，不利于实际应用。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种可动态调谐的温度传感器，具有结构简单、易于实现、温度范围大、灵敏度高，且传感特性可调谐的温度传感特性。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种可动态调谐的温度传感器，包括三种光学介质A、B和D，沿输入光束前进的方向依次为周期性交替结构的光学介质A和B、光学介质D及周期性交替结构的光学介质B和A，即传感器关于中心光学介质D是对称的，且中心光学介质D左右两侧的周期性交替结构的周期数相等；所述光学介质D为非线性的克尔介质，所述光学介质A和B为温度敏感的具有不同折射率的光学薄膜介质；通过检测系统反射率的变化探测外界环境温度的大小，实现待测温度范围内的温度检测。所述光学介质A和B的光学厚度相等。所述输入光束垂直入射光学介质层。
本发明的原理是：
本发明提出基于一维非线性光子晶体结构的温度传感器，结构中心的非线性介质为克尔光学介质，克尔介质两侧是对称的周期性交替结构的高低折射率介质，且高低折射率介质为温度敏感材料。当温度发生变化时高低介质的折射率及厚度分别发生变化，从而系统反射率会相应变化，通过检测系统反射率的变化探测外界环境温度的大小，可实现待测温度范围内的温度检测。当输入光强较大时，由于非线性介质的存在，波长与系统反射率之间出现非一一对应的双稳态现象，双稳态阈值反射谱具有非常灵敏的波长响应。基于双稳态阈值附近系统反射率随温度变化非常灵敏的原理，实现特定温度附近的高灵敏度高精度的温度测量。此外，由于阈值附近反射谱与输入光强的大小有关，通过调节输入光强，可调节阈值附近的反射谱曲线，从而可实现测量灵敏度的动态调谐。
与现有技术相比，本发明具有如下突出的实质性特点和显著的优点：
本发明的温度传感器基于系统反射率随温度变化的传感原理，与现有技术[4]基于缺陷模频率的反射光相移随温度变化的传感原理不同，因而避免了使用现有技术[4]的多个耦合缺陷层的复杂光学结构。与现有技术[3]采用液晶材料相比，本发明温度传感器中的各光学介质没有液晶材料，因而测温范围要明显提高。本发明温度传感器采用非线性的克尔介质，基于非线性效应时双稳态阈值附近系统反射率随温度变化非常灵敏的传感原理进行传感测温，因而与现有技术[1]、[2]和[3]的基于缺陷模位置随温度变化的传感原理相比，本发明温度传感器的灵敏度大大提高。另一方面，现有技术的温度传感器不具有动态调谐特性。本发明的温度传感器由于双稳态阈值附近反射谱会随输入光强的变化而不同，因而通过调节输入光强还可实现测量灵敏度的调谐。综上，本发明的温度传感器具有结构简单、工艺可靠、生产成本低、易于实现、性能优异、可靠性高、且传感特性可调谐等优点，不仅可实现较宽范围内的温度测量，还可以实现特定温度附近的高灵敏度高精度的温度测量，且测量灵敏度可调谐。
附图说明
图1为本发明温度传感器的结构示意图。
图2为不同温度时本发明温度传感器结构的反射谱。
图3为不同入射光强时本发明温度传感器结构的反射谱。
图4为入射光强较小（线性）时系统反射率随温度的变化曲线。
图5为入射光强较大（非线性）时，不同光强情况下系统反射率随温度的变化曲线。
图6为图5不同光强时，本发明温度传感器的测温范围及灵敏度。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施例作进一步的说明。
如图1所示，一种可动态调谐的温度传感器，包括三种光学介质A、B和D，输入光束垂直入射光学介质层，沿输入光束前进的方向依次为周期性交替结构的光学介质A和B、光学介质D及周期性交替结构的光学介质B和A，即关于中心光学介质D是对称的，且中心光学介质D左右两侧的周期性交替结构的周期数相等；所述光学介质D为非线性的克尔介质；所述光学介质A和B为温度敏感的具有不同折射率的光学薄膜介质。所述光学介质A和B的光学厚度相等。
本实施例中，介质A选SiO2材料，折射率nA=1.46，厚度dA=265.41nm；热光系数aA=6.8×10-6/℃，热膨胀系数βA=0.5×10-6/℃。介质B选Si材料，折射率nB=3.23，厚度dB=119.97nm，热光系数aB=1.86×10-4/℃，热膨胀系数βB=2.6×10-6/℃。介质D选聚苯乙烯材料（polystyrene），线性折射率nD0=1.59，厚度dD=487.42nm，三阶非线性极化系数为1.14×10-12 cm2/W。介质D左右两侧的周期性交替结构的周期数相等，均为3。使用的激光光源的波长为1562.8nm。
当入射光强较小时，非线性介质D的折射率可视为常值。介质A和B为温度敏感材料，介质折射率与温度的关系为：
， （1）
其中，n为温度变化之前介质的折射率，a为介质的热光系数，DT是温度的变化量，是温度变化后的介质的折射率。介质厚度与温度的关系为：
（2）
其中，d为温度变化之前介质的厚度，b为介质的热膨胀系数，DT是温度的变化量，是温度变化后的介质的厚度。由式（1）和（2）知，当温度发生变化时，介质A和B的折射率及厚度分别发生变化。按照一维光子晶体的传输矩阵理论可知，该结构的反射谱会随温度的变化而变化。如图2所示为温度分别为-20℃和120℃时该结构的反射谱。可见，对单一波长的光，其系统反射率随温度的变化而变化，因而可通过检测系统反射率的变化探测外界环境温度的大小。
当入射光强较大时，此时由于克尔效应，非线性介质D的折射率将不为常值，会随光强的变化而变化，因而整个结构的反射谱将会与光强相关。如图3所示为不同入射光强时该结构的反射谱。其中为了便于对比线性时的反射谱，即输入光强为零时的情况也在该图中给出，如图3中左侧曲线所示。随着输入光强的增大，存在一个阈值光强，即529MW/cm2，此时反射谱处于临界状态，如图3的中间曲线所示。若输入光强继续增大，如811MW/cm2时，曲线则出现弯曲倾斜现象，在某一波长范围内出现系统反射率的多值特征，如图3中右侧曲线所示。可以发现，在输入光强从零慢慢增大时，缺陷模右侧的反射谱曲线逐渐变陡，当光强增大到阈值光强时该曲线的陡度最大，系统反射率与波长间的响应最灵敏。因而通过检测双稳态阈值附近的系统反射率与温度的关系，可以实现特定温度附近高灵敏度高精度的温度测量。此外，在输入光强小于阈值光强，但保持输入光强在阈值光强附近范围，利用反射谱会随输入光强的变化而变化，通过调节输入光强可以在高敏度高精度的温度测量的同时实现测量灵敏度的动态可调谐特性。
如图4所示为输入光强较小时该结构系统反射率与温度的变化关系。通过检测系统反射率的大小可探测外界环境的温度大小。其测温范围为-20℃~120℃，1562.8nm波长处对应的系统反射率值变化范围为0.7971~0.0423。
如图5所示，给出了输入光强较大时系统反射率与温度的变化曲线。从5中可以看到，当输入光强较大时，在一段较小的温度范围内系统反射率随温度变化很快，该范围内的曲线也近似线性关系。对比不同输入光强的情况可知，输入光强不同时，系统反射率与波长的响应曲线陡度也将会不同。定义灵敏度为单位温度的系统反射率的变化，按照该定义图6给出了不同输入光强下该温度传感器实现精确测温的温度范围及灵敏度。
综上可见，在输入光强较小的线性情况下，该传感器实现了较大温度范围内的温度传感；增大入射光强，在非线性情况下，通过调谐输入光强，该传感器在实现特定温度附近高敏度高精度的温度测量的同时，还具有测量灵敏度的动态可调谐特性。
Claims (3)
1.一种可动态调谐的温度传感器，包括三种光学介质A、B和D，沿输入光束前进的方向依次为周期性交替结构的光学介质A和B、光学介质D及周期性交替结构的光学介质B和A，即传感器关于中心光学介质D是对称的，且中心光学介质D左右两侧的周期性交替结构的周期数相等；其特征在于：所述光学介质D为非线性的克尔介质，所述光学介质A和B为温度敏感的具有不同折射率的光学薄膜介质；通过检测系统反射率的变化探测外界环境温度的大小，实现待测温度范围内的温度检测；增大入射光强，在非线性情况下，通过调谐输入光强，该传感器在实现特定温度附近高敏度高精度的温度测量的同时，还具有测量灵敏度的动态可调谐特性。
2.根据权利要求1所述的可动态调谐的温度传感器，其特征在于：所述光学介质A和B的光学厚度相等。
3.根据权利要求1所述的可动态调谐的温度传感器，其特征在于：所述输入光束垂直入射光学介质层。
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