CN104807556A - 基于PPMgLN晶体的大范围温度测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于PPMgLN晶体的大范围温度测量装置及方法，该装置包括LD激光二极管、Nd:YVO₄晶体、PPMgLN晶体、精密旋转平台、带通滤波片以及光功率计；LD激光二极管、Nd:YVO₄晶体、PPMgLN晶体、带通滤波片、光功率计从左到右依次排列，Nd:YVO₄晶体和PPMgLN晶体位于同一水平面且相互分离，PPMgLN晶体放置于所述精密旋转平台上，精密旋转平台用于带动PPMgLN晶体旋转。本发明的大范围温度测量装置及方法，采用PPMgLN晶体化学性能稳定、非线性系数大、透光范围宽、熔点较高的特点，实现高效率的光光转换；且测量的温度范围大，能够满足某种特殊领域的测温需求，大大增强了温度测量装置的实用性。

Description

基于PPMgLN晶体的大范围温度测量装置及方法

技术领域

本发明涉及基于PPMgLN晶体的大范围温度测量装置及方法，属于温度测量技术领域。

背景技术

温度是一个基本的物理量，自然界中的一切过程无不与温度相关，因此对温度进行测量与控制具有十分重要的意义。温度传感器的研发引起了人们广泛关注，经过不断地研究和开发，温度传感器在测量范围和测量精度等方面的性能不断提高，但是这些温度传感器在大范围测温领域的应用还具有一定的局限性。

目前，市场上主流的温度传感器有：热电阻、热敏电阻、以及IC温度传感器，这些温度传感器的共同特点是测温范围有限。热电阻温度检测器一般用于中低温区的温度测量，其测温范围约-200～500℃。热敏电阻温度检测器大量用于汽车和家电的温度检测与控制，其测温范围约-50～300℃。IC温度传感器主要用于PLC电路中温度采样，其测温范围约10～80℃。但是，以上这些温度检测器不能满足高温熔炉、航空航天以及钢铁锻造等特殊领域的测温需求，这就迫切要求发展能够实现大范围测温的温度测量装置。

近年来，激光应用领域的变频技术受到人们的广泛关注，最常见的变频技术有差频、和频、倍频、光参量振荡等，在变频过程中为了使变频效率最高通常要进行相位匹配。目前最常用的是准相位匹配，它是通过调节晶体的极化周期来补偿参量过程中由于折射率色散造成的抽运光与参量光之间的相位失配。用于准相位匹配的非线性光学晶体的工作参数与温度有着密切的联系，其折射率和极化周期都会随着温度的改变发生不同程度的变化。一般情况下人们选择控制晶体的温度来实现高效变频，但是，在长时间的控温过程中，由于外界因素的干扰以及控温设备的不精确，容易导致温度控制不稳定，从而使得温度测量不精确。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于PPMgLN晶体的大范围温度测量装置及方法，利用PPMgLN晶体实现高效率的光光转换，增大了测量温度的范围。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

基于PPMgLN晶体的大范围温度测量装置，包括LD激光二极管、Nd:YVO₄晶体、PPMgLN晶体、精密旋转平台、带通滤波片以及光功率计；所述LD激光二极管、Nd:YVO₄晶体、PPMgLN晶体、带通滤波片、光功率计从左到右依次排列，所述Nd:YVO₄晶体和PPMgLN晶体位于同一水平面且相互分离，PPMgLN晶体放置于所述精密旋转平台上，精密旋转平台用于带动PPMgLN晶体旋转；所述Nd:YVO₄晶体的两端均镀有增透膜和高反膜，所述PPMgLN晶体朝向Nd:YVO₄晶体的一端镀有增透膜，朝向带通滤波片的一端镀有增透膜和高反膜；

所述LD激光二极管产生的红外光入射Nd:YVO₄晶体后产生泵浦光，泵浦光入射PPMgLN晶体并经PPMgLN晶体倍频后产生倍频光，倍频光入射带通滤波片，带通滤波片将滤波后的倍频光入射至光功率计。

优选的，所述LD激光二极管的中心波长为808nm。

优选的，所述Nd:YVO₄晶体朝向LD激光二极管的一端镀有808nm的增透膜和1064nm的高反膜，朝向PPMgLN晶体的一端镀有1064nm的增透膜和808nm的高反膜。

优选的，所述PPMgLN晶体朝向Nd:YVO₄晶体的一端镀有1064nm的增透膜，朝向带通滤波片的一端镀有532nm的增透膜和1064nm的高反膜。

优选的，所述带通滤波片为双面涂层的高透滤光片。

基于如上所述基于PPMgLN晶体的大范围温度测量装置的测量方法，将上述温度测量装置置于待测温度的环境中，使LD激光二极管产生的红外光入射Nd:YVO₄晶体后产生的泵浦光与参考温度下产生的泵浦光相同，通过调节精密旋转平台使之带动PPMgLN晶体旋转角度θ₁，满足倍频过程中的准相位匹配条件，根据PPMgLN晶体在参考温度下的极化周期Λ₀与旋转角度θ₁之间的函数关系计算PPMgLN晶体新的极化周期Λ，根据新的极化周期Λ与温度之间的函数关系计算出温度T，温度T的计算公式如下：其中，热膨胀系数α、β为定值，α＝2.0×10^-6，β＝2.2×10^-6。

优选的，所述PPMgLN晶体在参考温度下的极化周期Λ₀与旋转角度θ₁之间的函数关系计算PPMgLN晶体新的极化周期Λ，公式如下：

优选的，所述新的极化周期Λ与温度T之间的函数关系式如下：Λ(T)＝Λ(25℃)[1+α·(T-25°T)+β·(T-25℃)²]。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明的大范围温度测量装置，采用PPMgLN晶体，其化学性能稳定，非线性系数大，透光范围宽，熔点较高，能够实现高效率的光光转换。

2、本发明的大范围温度测量装置，测量的温度范围大，能够满足某种特殊领域的测温需求，大大增强了温度测量装置的实用性。

3、本发明的大范围温度测量装置，具有结构简单，易于实现，小型化便于推广使用的特点。

附图说明

图1是本发明大范围温度测量装置的整体架构图。

其中：1为LD激光二极管，2为Nd:YVO₄晶体，3为PPMgLN晶体，4为精密旋转平台，5为带通滤波片，6为光功率计。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明采用逆向思维通过计算晶体的光学参数来反推其温度的变化，从而实现温度测量。现阶段被用来进行变频的非线性光学晶体有很多，其中PPMgLN晶体具有较大的非线性系数、较高的熔点、较宽的透光范围等优点，在众多光学晶体中脱颖而出成为变频技术中的首选晶体。由于PPMgLN晶体的熔点高达1250℃，其在25℃～1250℃条件下都可以正常工作，从而就实现了大范围温度测量。

如图1所示，基于PPMgLN晶体的大范围温度测量装置，包括LD激光二极管1、Nd:YVO₄晶体2、PPMgLN晶体3、精密旋转平台4、带通滤波片5、光功率计6，其位置关系如下：LD激光二极管、Nd:YVO₄晶体、PPMgLN晶体、带通滤波片、光功率计从左到右依次排列，Nd:YVO₄晶体、PPMgLN晶体处在同一水平面上且相互分离，精密旋转平台置于PPMgLN晶体的下方用来显示晶体的旋转度数。

LD激光二极管最大输出功率为8W，中心波长为808nm；Nd:YVO₄晶体的左端面S₁镀808nm的增透膜和1064nm的高反膜，右端面S₂镀1064nm的增透膜和808nm的高反膜；PPMgLN晶体其中MgO的浓度为5％，且周期为6.95μm。其左端面S₃镀1064nm的增透膜，右端面S₄镀532nm的增透膜和1064nm的高反膜；带通滤波片是双面涂层的高透滤光片，对515nm～535nm波段的光高透，对基频光高反。

在PPMgLN晶体倍频过程中，为了使倍频效率达到最高，倍频光波矢与两倍基频光波矢之差应该满足相位匹配条件，即Δk＝0。对于准相位匹配，波矢的失配量表示为：

       $\mathrm{\Δk}=k_2-2k_1-k_m=\frac{2\mathrm{\π}{n}_2}{{\mathrm{\λ}}_2}-2\frac{2\mathrm{\π}{n}_1}{{\mathrm{\λ}}_1}-\frac{2\mathrm{\πm}}{\mathrm{\Λ}}---\left(1\right)$

其中，n₁、n₂为基频光和倍频光的折射率，λ₁、λ₂为基频光和倍频光的波长，m是准相位匹配阶数，为计算方便本专利采用一阶准相位匹配，即m＝1，Λ为晶体的周期。根据倍频中所要满足的能量守恒和动量守恒，可得Λ的表达式为：

       $\mathrm{\Λ}=\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{2(n_2-n_1)}---\left(2\right)$

PPMgLN晶体为负单轴晶体，设入射光波为e偏振光，晶体折射率与晶体温度、光波波长的关系式为：

       $n_e^2=a_1+b_{1}f\left(T\right)+\frac{a_2+b_{2}f\left(T\right)}{{\mathrm{\λ}}^2-{(a_3+b_{3}f\left(T\right))}^2}+\frac{a_4+b_{4}f\left(T\right)}{{\mathrm{\λ}}^2-a_5^2}-a_6{\mathrm{\λ}}^2---\left(3\right)$

其中，T是温度，单位℃，f(T)＝(T-24.5℃)(T+570.8℃)；λ为入射光波长；参数a₁＝5.35，a₂＝0.1，a₃＝0.2，a₄＝100，a₅＝11.349，a₆＝0.015；b₁＝4.63×10^-7，b₂＝3.86×10^-8，b₃＝-0.86×10^-8，b₄＝2.66×10^-5。根据式(3)可以计算出基频光和倍频光的折射率n₁、n₂。

在参考温度T₀＝30℃时，根据Sellmeier方程可以计算出PPMgLN晶体1064nm倍频的周期是6.95μm，所以本发明选择周期为6.95μm的PPMgLN晶体，即Λ₀＝6.95μm。

本发明基于PPMgLN晶体的大范围温度测量装置，其工作原理是：在参考温度下，LD激光二极管1产生808nm的红外光经过Nd:YVO₄晶体2产生1064nm的激光作为泵浦光，泵浦光入射到PPMgLN晶体3进行倍频并输出532nm的绿光，设此时晶体的旋转角θ₀＝0，带通滤波片5对倍频光高透且对基频光高反，滤波后的倍频光最终进入光功率计6测量其输出功率，并观察记录此时的功率，记为P₀。然而，在待测环境中随着温度不断升高，晶体的折射率发生改变，晶体的极化周期受到“热胀冷缩”效应的影响也发生改变，这两个因素都会导致倍频过程中相位匹配条件发生变化。这时同样的一束泵浦光入射PPMgLN晶体进行倍频，输出倍频光经带通滤波片滤波后进入光功率计6测量其输出功率，并观察记录此时的输出功率，记为P₁。将P₁与P₀进行比较，可以发现P₁的值明显小于P₀的值，即倍频过程中相位失配，不满足相位匹配条件。

为了得到与P₀相同的输出功率，可以通过转动精密旋转平台4来调节PPMgLN晶体的旋转角度，使倍频中相位再次匹配。将精密旋转平台4显示的角度记为θ₁，即PPMgLN晶体旋转了θ₁再次满足准相位匹配条件。在第二次相位匹配中，PPMgLN晶体的周期与旋转角度有如下函数关系：

       $\mathrm{\Λ}=\frac{{\mathrm{\Λ}}_0}{\cos {\mathrm{\θ}}_1}---\left(4\right)$

其中，Λ₀、θ₁都是已知量，根据式(4)即可求出晶体膨胀后的极化周期Λ。

PPMgLN晶体在倍频过程中，晶体的热膨胀方程可表示为：

Λ(T)＝Λ(25℃)[1+α·(T-25°T)+β·(T-25℃)²]    (5)其中，晶体的热膨胀系数α、β为定值，α＝2.0×10^-6，β＝2.2×10^-6。

以上式(4)与式(5)都是周期Λ的表达式，将两式联立可得：

      

根据式(6)可以计算出温度T的值，从而实现了温度测量。

本发明采用PPMgLN晶体进行倍频，并利用温度对PPMgLN晶体折射率和极化周期的影响，在不改变泵浦光的条件下，通过调节晶体的旋转角度进而改变晶体的极化周期来满足相位匹配条件，使倍频效率达到最高。根据晶体周期与旋转角度之间的函数关系计算出晶体新的极化周期，再根据晶体周期与温度之间的函数关系计算出温度，从而实现了温度测量。由于PPMgLN晶体物化性能稳定，熔点较高，可工作在25℃～1250℃条件下，这就实现了大范围温度测量。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.基于PPMgLN晶体的大范围温度测量装置，其特征在于：包括LD激光二极管、Nd:YVO₄晶体、PPMgLN晶体、精密旋转平台、带通滤波片以及光功率计；所述LD激光二极管、Nd:YVO₄晶体、PPMgLN晶体、带通滤波片、光功率计从左到右依次排列，所述Nd:YVO₄晶体和PPMgLN晶体位于同一水平面且相互分离，PPMgLN晶体放置于所述精密旋转平台上，精密旋转平台用于带动PPMgLN晶体旋转；所述Nd:YVO₄晶体的两端均镀有增透膜和高反膜，所述PPMgLN晶体朝向Nd:YVO₄晶体的一端镀有增透膜，朝向带通滤波片的一端镀有增透膜和高反膜；

所述LD激光二极管产生的红外光入射Nd:YVO₄晶体后产生泵浦光，泵浦光入射PPMgLN晶体并经PPMgLN晶体倍频后产生倍频光，倍频光入射带通滤波片，带通滤波片将滤波后的倍频光入射至光功率计。

2.如权利要求1所述基于PPMgLN晶体的大范围温度测量装置，其特征在于：所述LD激光二极管的中心波长为808nm。

3.如权利要求1所述基于PPMgLN晶体的大范围温度测量装置，其特征在于：所述Nd:YVO₄晶体朝向LD激光二极管的一端镀有808nm的增透膜和1064nm的高反膜，朝向PPMgLN晶体的一端镀有1064nm的增透膜和808nm的高反膜。

4.如权利要求1所述基于PPMgLN晶体的大范围温度测量装置，其特征在于：所述PPMgLN晶体朝向Nd:YVO₄晶体的一端镀有1064nm的增透膜，朝向带通滤波片的一端镀有532nm的增透膜和1064nm的高反膜。

5.如权利要求1所述基于PPMgLN晶体的大范围温度测量装置，其特征在于：所述带通滤波片为双面涂层的高透滤光片。

6.基于权利要求1所述基于PPMgLN晶体的大范围温度测量装置的测量方法，其特征在于：将上述温度测量装置置于待测温度的环境中，使LD激光二极管产生的红外光入射Nd:YVO₄晶体后产生的泵浦光与参考温度下产生的泵浦光相同，通过调节精密旋转平台使之带动PPMgLN晶体旋转角度θ₁，满足倍频过程中的准相位匹配条件，根据PPMgLN晶体在参考温度下的极化周期Λ₀与旋转角度θ₁之间的函数关系计算PPMgLN晶体新的极化周期Λ，根据新的极化周期Λ与温度T之间的函数关系计算出温度T，温度T的计算公式如下：

其中，热膨胀系数α、β为定值，α＝2.0×10^-6，β＝2.2×10^-6。

7.如权利要求6所述基于PPMgLN晶体的大范围温度测量方法，其特征在于：所述PPMgLN晶体在参考温度下的极化周期Λ₀与旋转角度θ₁之间的函数关系计算PPMgLN晶体新的极化周期Λ，公式如下：

$\mathrm{\Λ}=\frac{{\mathrm{\Λ}}_0}{\cos {\mathrm{\θ}}_1}.$

8.如权利要求6所述基于PPMgLN晶体的大范围温度测量方法，其特征在于：所述新的极化周期Λ与温度T之间的函数关系式如下：

Λ(T)＝Λ(25℃)[1+α·(T-25°T)+β·(T-25℃)²]。