CN109883586B - 一种基于偏振干涉的铌酸锂晶体压力传感器及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于偏振干涉的铌酸锂晶体压力传感器，属于压力检测技术领域。该压力传感器包括单波长光源、依次连接的起偏器、LN晶体、检偏器和光功率计，压力检测时，压力接触检测区域为LN晶体。本发明的基于偏振干涉的铌酸锂晶体压力传感器制备简单，利用光弹效应来测量压力的大小，因而不会改变施力物体本身的性质，检测结果更精准；压力检测过程完全基于晶体的双折射特性和干涉效应，无电流产生，因此零功耗，节能环保。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于偏振干涉的铌酸锂(LN)晶体压力传感器及其应用，属于压力检测技术领域。
背景技术
传感技术是获取自然领域中信息的重要技术，是当今世界的前沿技术，令人瞩目，发展迅猛，被广泛的应用于生活和生产等各个领域。其中压力传感器作为最常用的传感器，广泛用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道、海洋等众多行业和领域。
目前在军事领域,比如航天器材、飞机等领域压力的控制及监测，海洋领域以及健康状态监测等领域,对压力传感器的性能提出更高的要求,尤其是为了满足社会需求,对压力传感器的精度、敏感度、稳定性等要求也越来越高，目前用于测量压力的传感器有光纤光栅压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器等，现如今，利用折射率变化来测量压力已成为一种趋势，由于它不易改变被测物质本身的性质以及损耗低等优势得到广泛应用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于偏振干涉的铌酸锂晶体压力传感器及其应用，制备简单，利用光弹效应来测量压力的大小，因而不会改变施力物体本身的性质，检测结果更精准；压力检测过程完全基于晶体的双折射特性和干涉效应，无电流产生，因此零功耗，节能环保。
术语解释：
铌酸锂，英文名称是Lithium niobate，简称LN，属三方晶系，钛铁矿型(畸变钙钛矿型)结构，无色固体，具有钙钛矿型结构。
本发明采用以下技术方案：
一方面，本发明提供一种基于偏振干涉的铌酸锂晶体压力传感器，包括单波长光源、依次连接的起偏器、LN晶体、检偏器和光功率计，压力检测时，压力接触检测区域为LN晶体。LN晶体为折射率敏感区域，也是压力接触检测区域，当外力发生变化时，偏振光对应的两个正交方向的折射率就会发生不同的变化，正交方向上偏振光传播速度不同，到达晶体/波导另一端的相位就会发生偏移，光功率值就会发生变化。通过检测光功率的偏移量，达到检测压力大小的目的。
优选的，所述铌酸锂晶体压力传感器还包括准直器，也叫光纤准直器，单波长光源进入准直器中进行耦合。所述LN晶体压力传感器无需半导体工艺，制备简单，LN晶体压力传感器整体为折射率敏感区域，由于LN晶体的光弹性效应，当有外力施加或者改变时，LN晶体中偏振方向的折射率发生改变，导致传播速度发生变化，引起两个方向的偏振光的相位改变量的差异，进而影响两个偏振光耦合后的输出光强，因此可以通过光强的改变可以实现检测压力大小的目的。
优选的，所述LN晶体上制备有LN波导，所述LN波导为LN高折射率区域，即折射率敏感区域，所述LN晶体为低折射区域，压力检测时，压力接触检测区域为LN波导区域。
基于偏振干涉的带有LN波导的LN晶体压力传感器检测原理与LN晶体压力传感器相同，波导取代准直器，具有限制单波长光在各向异性的传播路径的作用。
该压力传感器折射率敏感区域主要为LN波导部分，高折射率LN波导具有光弹性效应，当有外力施加或者改变时，LN波导中偏振方向的折射率发生改变，压力作用下不同偏振方向传播速度发生变化，引起两个方向的偏振光的相位改变量的不同，进而改变两个偏振光耦合后的输出光强，因此由光强的改变可以实现检测压力大小的目的。
优选的，所述LN晶体为长方体结构，但不限于长方体结构，可根据实际情况灵活调整。
优选的，所述LN波导的制备工艺采用钛扩散技术。现阶段有两种比较成熟的光波导制备技术，一种是质子交换技术，另一种是钛扩散技术，由于质子交换会限制波导中光的偏振，本方案选用钛扩散技术制备LN波导，在铌酸锂基体上镀上钛膜的制备步骤包括清洗基片、匀胶、曝光显影、溅射、剥离，然后通过扩散技术形成波导层，制成平面光波导等，标准钛扩散工艺为很成熟的工艺，此处不再赘述。
优选的，所述LN波导的结构形式为条形波导或脊波导，但不限于上述两种，可根据具体情况灵活选择。
优选的，压力检测区域处设置有金字塔状的均力模块，所述均力模块的底部与压力检测区域大小一致。当对刚性物体表面施加压力时，利用底面与压力检测区域大小一致的金字塔状的均力模块，使待测压力作用在均力模块尖端，压力经均力模块后均匀施加在压力检测区域。
优选的，光功率计是指用于测量绝对光功率或通过一段光纤的光功率相对损耗的仪器，本发明中，光功率计的型号优选为Thorlabs公司的PM400功率能量计，包括但不限于上述型号。
本发明的检测原理为：
由于LN晶体的光学各向异性，具有双折射现象。线偏振光入射到LN晶体，分解为两束振动方向互相垂直、传播速度不同不等的光束，同时，LN材料具有光弹性效应，当晶体/波导所受的外力发生改变时，LN晶体/波导在外力的作用下产生应变，应变又导致材料的各向异性，从而引起光学各项异性，折射率发生改变，即光弹效应。
LN晶体折射率与晶体/波导的结构和外力作用下晶体/波导性质的变化有关。单波长光由半导体激光器产生，经过光纤准直器中耦合，被起偏器转变为线偏振光。线偏振光以
的角度入射具有双折射性质的LN晶体后，分解成为振动方向相互垂直的两束偏振光。两束偏振光在各向异性的LN晶体中，由于在各个方向的折射率不同，偏振光在晶体中发生相位延迟。穿过晶体后的两束偏振光在检偏器的作用下将两束光的振动引导到同一个方向。合束后的光通过光功率计即可检测到无压力状态(或常规压力)状态下偏振光的光功率值。当对LN晶体施加压力或压力值发生变化，各项异性的LN晶体各个方向性质也发生不同的变化，其折射率发生数值不等的变化，导致两束偏振光的相位延迟不同，此时光功率计探测到的功率值与先前光功率值的变化即是由压力造成的，由此达到检测压力的目的。
另一方面，本发明还提供一种利用上述的基于偏振干涉的铌酸锂晶体压力传感器的进行压力测试的方法，包括如下步骤：
1)选择起偏器、检偏器以及准直器，LN晶体的尺寸优选为1mm×2mm×10mm，起偏器、检偏器和准直器尺寸选用常规器件，不需要选择特殊尺寸。
2)根据满足全反射的折射率差值对LN波导进行制备，本发明中，钛扩散LiNbO3波导的折射率增量可以为0.01，波导的作用是限制光的传播路径，不需要特殊制备。
3)根据输入光强和待检测压力大小，设计所要实现LN晶体/波导的尺寸，可参照现有技术选择。
4)将步骤1)～3)中选定的起偏器、准直器、LN晶体、检偏器、光功率计封装，得到构建的压力传感器；
5)对所施加的压力进行检测，首先在未施加压力时将单波长光透过构建的压力传感器，用光功率计分析压力传感器的输出光功率，得到未施加压力时对应的有效折射率下的光功率值P1；其次对压力接触检测区域施加压力，重复上述操作，得到当前压力下对应有效折射率下器件的光功率值P2；对比两个光功率值P1、P2的差值即可得出当前两个正交方向上光折射率的不同对应的相位变化，进而得到压力的大小。
优选的，当对刚性物体表面施加压力时，利用底面与压力检测区域大小一致的金字塔状的均力模块，使待测压力作用在均力模块尖端，压力经均力模块后均匀施加在压力检测区域。
优选的，将单波长光源入射至压力传感器，则构建的压力传感器处于待工作状态，该状态下对LN晶体或LN波导施加压力，则构建的压力传感器开始工作；无光源入射时，则构建的传感器停止工作。
本发明的有益效果为：
1、本发明的基于偏振干涉的铌酸锂晶体压力传感器采用LN材料，LN材料物理化学性能稳定，且制备工艺也相对成熟，广泛应用于各类光学设备的生产中，同时，LN材料对于压力反应较为敏感，压力变换易引起光学性质的改变。
2、本发明的LN晶体压力传感器，巧妙利用LN材料的光弹效应和双折射特性。一束线偏振光以
的角度入射到各向异性的LN晶体/LN波导中，分解成两束振动方向相互垂直的线偏振光，由于压力引起的不同方向折射率变化差异会引起不同方向的偏振光相位偏移不等，经检偏器过滤后，不同压力下的合束光具有不同的光功率，光功率与两个正交偏振方向光功率值有三角函数关系，在功率变化的单调区间内可以实现器件的压力检测的功能。
3、本发明所述LN晶体压力传感器，利用光弹效应来测量压力的大小，因而不会改变施力物体本身的性质，相比其他检测方法结果更精准。
4、本发明所述LN晶体压力传感器，基于LN晶体/LN波导的双折射原理，准直器、起偏器、检偏器和LN晶体/LN波导均为无源器件，因此无功耗，无耗能产生。
5、本发明的LN晶体压力传感器，设计对输出光强度进行检测，无需考虑波长和相位信息，测量简单易行并且成本低。
6、本发明的LN晶体压力传感器无需半导体工艺，制备简单。
7、本发明的成本大幅度降低：与MZI压力传感器相比，LN晶体体积小、结构异常简单并且无需背面刻蚀工艺，使得LN晶体/波导的压力传感器成本大大降低。
附图说明
图1为本发明的基于偏振干涉的LN晶体压力传感器的一种结构示意图；
图2为本发明的基于偏振干涉的LN晶体压力传感器的另一种结构示意图；
图3为图2中LN波导的截面图；
图4为波导芯片一种的输出光功率和压力变化的关系示意图；
其中，1-单波长光源，2-起偏器，3-LN晶体，4-检偏器，5-光功率计，6-准直器，7-LN波导。
具体实施方式：
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，但不仅限于此，本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。
实施例1：
一种基于偏振干涉的铌酸锂晶体压力传感器，如图1所示，包括单波长光源1、依次连接的起偏器2、LN晶体3、检偏器4和光功率计5，压力检测时，压力接触检测区域为LN晶体3。
LN晶体3为折射率敏感区域，也是压力接触检测区域，当外力发生变化时，偏振光对应的两个正交方向的折射率就会发生不同的变化，正交方向上偏振光传播速度不同，到达晶体/波导另一端的相位就会发生偏移，光功率计5检测到的光功率值就会发生变化，通过检测光功率的偏移量，达到检测压力大小的目的。
实施例2：
一种基于偏振干涉的铌酸锂晶体压力传感器，其结构如实施例1所示，所不同的是，还包括准直器6，也叫光纤准直器，光源进入准直器6中进行耦合。LN晶体压力传感器无需半导体工艺，制备简单，LN晶体压力传感器整体为折射率敏感区域，由于LN晶体的光弹性效应，当有外力施加或者改变时，LN晶体中偏振方向的折射率发生改变，导致传播速度发生变化，引起两个方向的偏振光的相位改变量的差异，进而影响两个偏振光耦合后的输出光强，因此可以通过光强的改变可以实现检测压力大小的目的。
实施例3：
一种基于偏振干涉的铌酸锂晶体压力传感器，其结构如实施例1所示，所不同的是，如图2所示，LN晶体3上制备有LN波导7，LN波导7为LN高折射率区域，即折射率敏感区域，LN晶体3为低折射区域，如图3所示，压力检测时，压力接触检测区域为LN波导7区域。
基于偏振干涉的带有LN波导的LN晶体压力传感器检测原理与LN晶体压力传感器相同，波导取代准直器，具有限制单波长光在各向异性的传播路径的作用。
该压力传感器折射率敏感区域主要为LN波导部分，高折射率LN波导具有光弹性效应，当有外力施加或者改变时，LN波导中偏振方向的折射率发生改变，压力作用下不同偏振方向传播速度发生变化，引起两个方向的偏振光的相位改变量的不同，进而改变两个偏振光耦合后的输出光强，因此由光强的改变可以实现检测压力大小的目的。
实施例4：
一种基于偏振干涉的铌酸锂晶体压力传感器，其结构如实施例1所示，所不同的是，LN晶体为长方体结构，LN波导7的制备工艺采用钛扩散技术。
实施例5：
一种基于偏振干涉的铌酸锂晶体压力传感器，其结构如实施例1所示，所不同的是，LN波导7的结构形式为条形波导。
实施例6：
一种基于偏振干涉的铌酸锂晶体压力传感器，其结构如实施例1所示，所不同的是，压力检测区域处设置有金字塔状的均力模块，均力模块的底部与压力检测区域大小一致。当对刚性物体表面施加压力时，利用底面与压力检测区域大小一致的金字塔状的均力模块，使待测压力作用在均力模块尖端，压力经均力模块后均匀施加在压力检测区域。
实施例7：
一种基于偏振干涉的铌酸锂晶体压力传感器，其结构如实施例1所示，所不同的是，光功率计5的型号优选为Thorlabs公司的PM400功率能量计。
实施例8：
一种利用基于偏振干涉的铌酸锂晶体压力传感器的进行压力测试的方法，包括如下步骤：
1)选择起偏器、检偏器以及准直器。
2)根据满足全反射的折射率差值对LN波导进行制备，本发明中，钛扩散LiNbO3波导的折射率增量为0.01，波导的作用是限制光的传播路径，不需要特殊制备。
3)根据输入光强和待检测压力大小，设计所要实现LN晶体/波导的尺寸，如图4所示，为波导芯片的尺寸选用1mm×2mm×10mm，输入光强在10mw左右，得到的输出光功率和压力变化的关系，横坐标为压力，纵坐标为输出光强，选用图4中的单调区间5MPa-15MPa压力范围光强变换为1uw-19uw，随着压力值增大，光功率计检测到的光强增强。
4)将步骤1)～3)中选定的起偏器、准直器、LN晶体、检偏器、光功率计封装，得到构建的压力传感器；
5)对所施加的压力进行检测，首先在未施加压力时将单波长光透过构建的压力传感器，用光功率计分析压力传感器的输出光功率，得到未施加压力时对应的有效折射率下的光功率值P1；其次对压力接触检测区域施加压力，重复上述操作，得到当前压力下对应有效折射率下器件的光功率值P2；对比两个光功率值P1、P2的差值即可得出当前两个正交方向上光折射率的不同对应的相位变化，进而得到压力的大小。
当对刚性物体表面施加压力时，利用底面与压力检测区域大小一致的金字塔状的均力模块，使待测压力作用在均力模块尖端，压力经均力模块后均匀施加在压力检测区域。
本发明中，将单波长光源入射至压力传感器时，则构建的压力传感器处于待工作状态，该状态下对LN晶体或LN波导施加压力，则构建的压力传感器开始工作；无光源入射时，则构建的传感器停止工作。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于偏振干涉的铌酸锂晶体压力传感器，其特征在于，包括单波长光源、依次连接的起偏器、LN晶体、检偏器和光功率计；
所述LN晶体上制备有LN波导，所述LN波导为LN高折射率区域，所述LN晶体为低折射区域，压力检测时，压力接触检测区域为LN波导；
压力检测区域处设置有金字塔状的均力模块，所述均力模块的底部与压力检测区域大小一致。
2.根据权利要求1所述的基于偏振干涉的铌酸锂晶体压力传感器，其特征在于，所述铌酸锂晶体压力传感器还包括准直器。
3.根据权利要求2所述的基于偏振干涉的铌酸锂晶体压力传感器，其特征在于，所述LN晶体为长方体结构。
4.根据权利要求3所述的基于偏振干涉的铌酸锂晶体压力传感器，其特征在于，所述LN波导的制备工艺采用钛扩散技术。
5.根据权利要求4所述的基于偏振干涉的铌酸锂晶体压力传感器，其特征在于，所述LN波导的结构形式为条形波导或脊波导。
6.一种利用权利要求1所述的基于偏振干涉的铌酸锂晶体压力传感器进行压力测试的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)选择起偏器、检偏器以及准直器；
2)对LN波导进行制备；
3)根据输入光强和待检测压力大小，设计所要实现LN晶体/波导的尺寸；
4)将步骤1)～3)中选定的起偏器、准直器、LN晶体、检偏器、光功率计封装，得到构建的压力传感器；
5)对所施加的压力进行检测，首先在未施加压力时将单波长光透过构建的压力传感器，用光功率计分析压力传感器的输出光功率，得到未施加压力时对应的有效折射率下的光功率值P1；其次对压力接触检测区域施加压力，重复上述操作，得到当前压力下对应有效折射率下器件的光功率值P2；对比两个光功率值P1、P2的差值即可得出当前两个正交方向上光折射率的不同对应的相位变化，进而得到压力的大小。
7.根据权利要求6所述的利用基于偏振干涉的铌酸锂晶体压力传感器进行压力测试的方法，其特征在于，将单波长光源入射至压力传感器，则构建的压力传感器处于待工作状态，该状态下对LN波导施加压力，则构建的压力传感器开始工作；无光源入射时，则构建的传感器停止工作。
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