CN112835138A - 用于构造和测试复合光子结构的系统和方法 - Google Patents

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CN112835138A CN202110067498.3A CN202110067498A CN112835138A CN 112835138 A CN112835138 A CN 112835138A CN 202110067498 A CN202110067498 A CN 202110067498A CN 112835138 A CN112835138 A CN 112835138A
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A.菲赫里
R.玛福兹
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Abstract

公开了系统和方法，其涉及用于设计结构并出于监测物理结构的结构健康目的而检测材料变形的复合光子材料。根据一个方面，提供一种复合结构，所述复合结构包括被构造成使得局部扰动使所述结构的衍射图案产生可测量的变化的基底材料、光学衍射光栅以及一种或多种荧光团材料。还提供一种检查装置，所述检查装置被配置用来检测所述复合结构中的扰动。所述检查装置被配置用来将检查辐射发射到所述结构中并捕获折射辐射，并且测量所述衍射图案的变化并基于衍射辐射的波长和角度信息来量化所述扰动。

Description

用于构造和测试复合光子结构的系统和方法
本申请是一项分案申请，相应母案的申请日为2017年03月27日，申 请号为201780019590.4，发明名称为用于构造和测试复合光子结构的系统和 方法，申请人为沙特阿拉伯石油公司。
技术领域
本发明涉及复合光子结构和非破坏性检查系统和方法，并且尤其涉及用 于构造复合光子结构的系统和方法以及用于出于结构健康监测目的而检测 结构中的扰动的检查系统和方法。
背景技术
结构材料(例如管道中使用的非金属管)的非破坏性检查技术的可用性是 有限的。在大多数情况下，到目前为止可用的技术要么对材料具有破坏性， 要么是实验性的和不可靠的。即使考虑了非破坏性检查的当前实验技术，目 前也没有技术能够可靠地预测缺陷的形式，并且通常仅用以检测现有缺陷。
更具体地说，现有的建筑材料和用于检查材料的对应系统和技术不足以 充分准确和精确地检测材料上或材料中的应力(诸如拉伸应力或压缩应力)的 存在，使得可以在缺陷发生之前预测缺陷。
目前可用于感测材料缺陷的技术通常基于单维光纤布拉格光栅。这些光 纤提供单维信息：即，它们仅能检测沿光纤长度发生的应力，并且仅检测对 应于结构材料中具有显著裂缝和破裂的已经受损的材料的大量应力。
需要用于检测结构材料中的扰动的系统和方法，所述结构材料利用光子 材料(例如光栅或光子晶体)作为用于衍射产生的敏感元件。另外，需要用于 检测结构材料中的扰动的系统和方法，所述光子结构经由波长变化或根据强 度变化而量化的衍射角变化来量化光子材料的变形。此外，需要用于敏感地 检测扰动的系统和方法，所述敏感度可通过选择检查波长和光子结构材料的 对应周期来调节。另外，需要具有多维敏感度水平的用于检测扰动的系统和 方法。
正是关于这些和其他考虑因素，呈现了本文所作出的公开。
发明内容
根据本发明的一方面，提供一种复合光子结构，所述复合光子结构包括： 一个或多个非金属结构材料层；衍射折射光栅，所述衍射折射光栅与至少一 个结构材料层对准；以及一种或多种荧光团材料，所述荧光团材料设置在所 述复合结构内。所述光栅包括被布置成在至少一个维度上具有周期性的多个 特征。
根据其他方面，所述光栅可以包括一种或多种光栅材料的离散层，所述 离散层设置在所述结构材料的至少一层的整个表面、所述结构材料的至少一 层的表面或这些构造的组合上方。在这个或其他实施方案中，所述光栅可以 在所述结构材料层中的至少一层的顶表面、底表面或两个表面上方延伸。在 又其他方面，光栅层可以将两个结构材料层分开，并且光栅的多个特征可以 布置成在至少两个维度上具有周期性。
在其他方面，单独地或结合上文，所述荧光团可以包括由具有第一波长 的辐射激发并且在激发后发射具有第二波长的辐射的荧光团，其中所述一个 或多个结构材料层和所述光栅能透过具有所述第一波长和所述第二波长的 辐射。在某些实施方案中，所述荧光团可以作为包括至少所述荧光团材料的 单独的材料层，作为嵌入在所述一个或多个结构材料层中的至少一层内的区 域中的掺杂剂或纳米材料或上述组合合并到所述复合结构中。
在又其他方面，提供一种用于具有周期性折射光栅的光子结构的非破坏 性检查的装置，所述装置包括灯，所述灯被配置用来将辐射锥朝向样品的一 部分发射并发射到样品的一部分上，所述辐射在一定波长范围内具有恒定强 度。相机传感器被配置用来捕获衍射辐射的图像，其中所述衍射辐射是由所 述灯发射的被所述样品的所述部分衍射的辐射，并且其中所述图像提供在所 述捕获的图像上的每个相应点处捕获的辐射的一个或多个波长。包括计算机 可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括一个或多个软件模块，所述软 件模块包括分析模块，其中每个模块包括可执行代码。处理器通信地耦合至 所述灯、所述相机传感器和所述存储介质，其中通过执行所述一个或多个软 件模块中的所述代码而配置所述处理器以分析所述捕获的辐射的所述图像， 以便针对所述捕获的图像上的每一点通过以下操作确定所述样品的所述部 分内的任何扰动的位移：将所述点处的所述波长变换为所述样品的所述部分 内的对应点的第一周期值，所述第一周期值随所述灯和所述相机传感器相对 于所述样品的位置以及所述样品的所述部分内的所述对应点的衍射角而变， 以及基于所述第一周期值和参考周期计算所述对应点的变形量。视觉显示器 与所述处理器信号通信，其中所述处理器被配置用来使用所述显示器输出所 述样品的图像，所述图像表示针对所述样品的所述部分内的每个对应点计算 的所述变形量。
根据又其他方面的检查装置可以进一步包括：激光发射器，所述激光发 射器被配置用来将具有特定波长的辐射光束发射到所述样品上的特定位置 上；以及检测器，所述检测器被配置用来捕获至少一个衍射光束并且测量所 述至少一个捕获的光束的强度和在所述检测器上的对应位置，其中所述至少 一个衍射光束是由所述样品衍射所述发射的光束得到的。在这个检查装置 中，通过执行所述一个或多个软件模块来进一步配置所述处理器，以接收所 述至少一个捕获的光束的所述所测量的强度和所述对应位置，并通过以下操作确定所述样品上的所述特定位置处的任何扰动的位移：计算所述样品上的 所述特定位置的衍射角，所述衍射角随所述至少一个捕获的光束的所述对应 位置而变，以及根据所述计算出的衍射角以及所述样品的规定光栅特性计算 所述样品上的所述特定位置的第二周期值，以及基于所述特定位置的所述第 二周期值与参考周期之间的差计算所述特定位置的变形量。
这些和其他方面、特征和优点可以从本发明的某些实施方案的附随描述 以及附图和权利要求了解。
附图说明
图1是示出根据本发明的实施方案的具有荧光层和具有一维周期性的二 维光栅的示例性复合结构的高级图；
图2是示出根据本发明的实施方案的具有荧光层和具有一维周期性的二 维光栅的示例性复合结构的高级图；
图3是示出根据本发明的实施方案的具有荧光层和具有二维周期性的二 维光栅的示例性复合结构的高级图；
图4是示出根据本发明的实施方案的具有两个荧光层和具有二维周期性 的二维光栅的示例性复合结构的高级图；
图5A是示出根据本发明的实施方案的具有结构化的平行荧光材料条带 和具有一维周期性的二维光栅的示例性复合结构的高级图；
图5B示出了由图5A的实施方案引起的示例性衍射图案的俯视图；
图6A是示出根据本发明的实施方案的具有两组垂直的结构化的荧光材 料条带和具有二维周期性的二维光栅的示例性复合结构的高级图；
图6B示出了由图6A的实施方案引起的示例性衍射图案的俯视图；
图7是示出根据本发明的实施方案的具有结构化的平行和垂直荧光材料 条带和具有二维周期性的二维光栅的示例性管状复合结构的高级图；
图8A是示出根据本发明的实施方案的包括限定三维光子晶体作为光栅 的棒的示例性复合结构的高级图；
图8B是示出根据本发明的实施方案的包括限定三维光子晶体作为光栅 的棒的示例性复合结构的高级图；
图9是示出根据本发明的实施方案的包括限定三维光子晶体作为光栅的 珠子的示例性复合结构的高级图；
图10是示出根据本发明的实施方案的包括限定三维光栅的空隙和一种 或多种荧光团材料的示例性复合结构的高级图；
图11A是示出利用可伸展光栅作为衍射元件的单色仪的示例性配置的 高级图；
图11B是示出利用处于伸展状态的可伸展衍射光栅作为波长选择机构 的图11A的单色仪的示例性配置的高级图；
图12A是示出根据本发明的实施方案的示例性检查装置的俯视图的高 级图；
图12B是示出根据本发明的实施方案的图12A的示例性检查装置的前 透视图的高级图；
图12C是示出根据本发明的实施方案的图12A的检查装置的计算机硬 件和软件组件的示例性配置的框图；
图13A是示出根据本发明的实施方案的用于计算光子结构的变形的例 行程序的流程图；
图13B是示出根据本发明的实施方案的用于计算光子结构的变形的例 行程序的流程图；
图14A是示出根据本发明的实施方案的示例性检查装置的前透视图的 高级图；
图14B是示出根据本发明的实施方案的图14A的示例性检查装置的后 透视图的高级图；
图15A是示出根据本发明的实施方案的示例性检查装置的俯视图的高 级图；
图15B是示出根据本发明的实施方案的图15A的示例性检查装置的前 透视图的高级图；
图16A是由根据本发明的实施方案的示例性检查装置捕获的示例性波 长图的屏幕截图；
图16B是由根据本发明的实施方案的示例性检查装置捕获的示例性波 长图的屏幕截图；
图17是示出根据本发明的实施方案的包括辐射源的示例性检查装置的 侧面透视图的高级图，所述辐射源在至少2个运动度上具有可调位置；以及
图18是示出根据本发明的实施方案的具有可定位辐射源的示例性检查 装置的仰视侧视图的高级图。
具体实施方式
作为概述和介绍，本文公开了主要用于结构健康监测目的的用于检测材 料变形的系统和方法。根据第一方面，公开了可用于构造工程结构的复合材 料/结构。该复合物包括基底材料(例如，结构材料，诸如非金属板或管)、光 学衍射光栅和一种或多种荧光团材料。在一些实现方式中，复合结构不包括 荧光材料。在一些实现方式中，光栅可以是基底材料的表面或单独的材料层 (例如，薄的铝层)。复合结构的材料布置成使得复合结构的材料中的一种或 多种的变形(例如由例如而不限于拉伸应力、压缩应力、弯曲、温度变化和 化学成分变化以及其他材料缺陷引起的扰动)例如通过改变特征的大小和/或 光栅的特征之间的相对距离而局部地改变光栅的周期或一种或两种材料的 折射率。这产生了由复合结构引起的衍射图案的可测量变化，该变化与扰动 的大小成正比并且使用检查装置可以根据如由光栅方程定义的光栅的预期 衍射特性而量化为特定衍射角的波长偏移。
一个或多个荧光团可以作为掺杂剂、纳米材料插入至基底材料中，或者 作为与基底材料分开的离散材料层而提供。另外地或可选地，一个或多个荧 光团材料层可以嵌入光栅材料或周围的材料层中。
根据另一方面，本文还公开了用于示例性复合结构的非破坏性检查的装 置和方法。检查装置被配置用来基于检查辐射和由复合结构内的荧光团产生 的辐射的衍射来检测复合结构中的扰动。更具体地说，检查装置被配置用来 将检查辐射发射到复合结构上或复合结构中，并捕获衍射辐射作为输入，并 测量衍射图案与预期图案的变化。可以了解，辐射波的一个或多个边界行为 的变化可以发生并被捕获和测量。行为的变化包括辐射的衍射、反射和折射， 并且可以测量以上行为中的一个或多个以及其组合，例如检查辐射可以被反 射和衍射，或被折射、反射和衍射，或被折射和衍射等。因此，可以了解， 常见现象是辐射的衍射。
检查装置提供影响复合结构的扰动的量化作为输出。具体地说，检查装 置将波长和/或角度信息变换为对位移的测量。检查装置由共同利用两个相似 的原理来实现这种变换的一个或两个组件组成。一个组件将波长信息变换为 位移，而另一组件将角度信息变换为位移。每个组件可以独立于另一个组件 工作。所考虑的周期性结构可以是例如衍射光栅，诸如图1中所示并在本文 中描述的衍射光栅。
复合结构
如上文所指出，根据公开的实施方案中的一个或多个，复合结构包括基 底材料(例如，结构材料，诸如金属或优选地非金属板或管)、光学衍射光栅， 或光子晶体，并且还可以包括一种或多种荧光团材料(例如，……)。在一些 实现方式中，光栅可以是基底材料的表面或单独的材料层(例如，薄的铝层， 或任何其他反射金属或材料等)。
光栅本身不一定是材料，但可以由在具有不同折射率的材料之间的具有 周期性特征的任何界面限定，其中一个界面也可以是空气，或任何其他气体 或液体。更一般地说，由图1到图7中表示的衍射光栅所起的衍射作用可以 通过光子晶体执行。这种光子晶体可以定义为在特定空间区域内的折射率的 周期性调制，其能够以类似于晶状固体或半导体产生电子能级结构或电子能 带结构(具有导带和价带)的方式产生光子能带结构。作为延伸，任何晶体材 料也可以被认为是周期大小为大约
Figure BDA0002904670240000061
的光子晶体，所述光子晶体能够在光谱 的x射线区域中产生可以通过X射线衍射进行测量的光子能带结构。在大多 数情况下，可以根据文献使用布拉格衍射定律和斯涅尔折射定律的组合来计 算光子带隙的位置或整个光子能带结构。在用于人类规模和兴趣的许多应用 中，检测缺陷的结构的周期的大小可以在亚微米到微米尺度附近调整，这将 在电磁频谱的UV-可见光到NIR范围内产生响应。然而，超出这个范围在较 小和较高尺度下的应用也是可能的。系统的维度的范围可以从1D到ND。 实际周期为1维、2维和3维。在1维中，光子晶体可以表示为光纤布拉格 光栅、光子晶体光纤布拉格光栅，或周期性沿一个方向变化的任何事物。在 2维中，光子晶体可以是衍射光栅，或周期性地分布在表面上的单层颗粒， 或按2维排列的孔的周期性分布，如图1到图7所示，或者在这种情况下也 可以是光子晶体光纤布拉格光栅。在3维中，光子晶体可以是蛋白石，或产 生折射率的调制的特征的任何周期性分布。
将插入在光子结构内部的一种或多种荧光团可以是任何活性材料，其发 射波长能够与周期性光子结构产生的光子能带结构相互作用并最终由周期 的大小确定，周期的大小又由所需的敏感程度确定。取决于与光子结构的相 互作用机制，荧光团的发射剖面可以非常窄或非常宽。例如，如果将位移测 量为与衍射角的变化相关的强度，则荧光团的窄发射剖面将因为材料的位移 而导致较突然的强度变化。然而，在高于某一位移值时，强度将会丢失(因 为其将偏离光电检测器，并且因此系统对于甚至较大的位移将不敏感。如果荧光团的发射剖面较宽，则强度变化不会那么突然，但其对于较大的位移范 围将为可测量的。在甚至更敏感的情况下，荧光团可以呈现多个发射峰值， 因此对于小位移，强度的变化是尖锐的，而对于较大位移它仍然是敏感的， 因为另一个发射峰值将与检测器碰撞。通过将不同的荧光团插入到相同的结 构中可以获得相同的结果。出于这些原因，荧光团可以是具有宽而强的发射 频带的有机分子，或过渡金属离子，或具有尖锐发射峰值的镧系元素离子， 或量子点，或所具有的发射频带由量子限制确定并且因此能量以及在一定程 度上宽度可调的半导体纳米晶体。
在一个实施方案中，光栅的周期性特征的大小在大小上与将要被检测的 扰动的大小相当。此外，在这样的实施方案中，构成光栅的材料可以具有足 以响应其自身内或其周围环境中的扰动的柔性。
这种复合结构可以被配置成在反射和透射模式下工作。在一种实现方式 中，限定复合物的材料是允许检查辐射从中穿过的类型。在这个实现方式或 其他实现方式中，光栅可以由附接至另一材料或放置在另一材料附近的一种 材料成形，或者可以制造为具有不同折射率的两种材料之间的界面。
在一个示例性配置中，荧光团具有窄发射频带，以便在被激发时改善对 荧光团的检测。另外，荧光团可以相对于检查装置放置在基底材料的相对侧。 因此，选择基底材料、光栅和荧光团以允许检查辐射和由荧光团发射的辐射 透过。这个示例性复合结构配置可以增强敏感度并简化对材料中的扰动的检 测。原因在于准单色辐射的上述波长偏移将由于小的扰动而导致存在或不存 在辐射。这种变化更容易检测，因为：它提供了更高的敏感度对比度；可以 被检测为强度的简单变化而不是波长偏移，从而简化检测系统并降低成本； 它消除了对宽频带激发源的需要；并且激发源和检测系统可以相对于光栅放 置在同一侧，并且可以合并到单个装置中，而不会损失角分辨率或敏感度对 比度。
本文中进一步更具体地描述了这些和其他示例性配置，其中一层或多层 基底材料、荧光团和光栅表面层叠。这些配置包括复合物内的一种或多种荧 光团的各种二维和三维排列，例如平行棒、垂直网格和三维晶格。根据其他 方面，复合物可以包括一个或多个光子晶体和量子点以限定光栅层，以及在 一些实现方式中也限定荧光层。
根据公开的实施方案中的一个或多个，复合物的示例性配置可以包括沿 一个方向具有周期性的规则二维光栅，并且一个或多个荧光团可以嵌入在平 行于光栅表面的材料层中。图1表示了具有这种配置的复合结构100。
根据图1的实施方案，有可能了解本发明的优点中的一些。在这种情况 下，光栅120形成在材料110与材料130之间。材料110和130呈现不同的 折射率。材料110也可以是空气，而材料130原则上可以是空气，但更常见 的是固体材料。光栅表面120可以是两种材料之间的简单界面，或者由另一 种材料(诸如例如铝)的薄层制成。材料140对于装置而言不是必需的，但是 其在制造过程包括将光栅制造为由材料130制成的独立件的情况下受限定。 材料150含有一种或多种荧光团。它可以是与材料140相同的材料，如上所 述，材料140又可以是与材料130相同的材料。一种或多种荧光团可以作为 掺杂剂、纳米材料插入在材料150中，或者材料150本身可以是荧光的。材 料170可以是荧光层的保护层，或其可以不存在。在某些实现方式中，材料 110、130、140、150和170的光学特性在一种或多种荧光团的激发波长下以 及在其发射波长下也具有至少部分透明度。
在操作中，当表示为λex的激发辐射(例如，由检查装置发射的辐射)到达 光栅表面120时，在反射和透射模式下都产生衍射图案。如本领域技术人员 将理解，光栅通过将白光光源分解成不同的波长来响应白光光源，而光栅通 过将激光束衍射成取决于衍射级数而以不同角度从光栅射出的单独光束来 响应激光束。如图1所示，检查辐射是由检查装置(未示出)的激光源发射的 光束λex。在图1所示的示例性实施方案中，仅考虑反射模式并且图中的“m” 值表示各衍射光束的衍射级数。如图所示，衍射光束(例如，m＝0、1、2) 到达荧光层的由光栅结构确定的不同位置。在这些位置，荧光层将发射产生 这种图案的1维或2维图像的辐射，该图像可以由特殊配置的检查装置成像 /捕获，如下文进一步描述。材料中的任何扰动(诸如缺陷、压缩和拉伸应力、 弯曲和扭曲)都将影响衍射图案，并且因此影响由荧光层形成的图像。图1 所示的斑点160A-160E是荧光层的区域，衍射辐射穿过所述区域或经由所述 区域被吸收并且所述区域由于衍射辐射的离开而发射辐射。
由于在如此构造的复合结构中的扰动，尤其是影响光栅表面20的周期 性的扰动，可以在衍射图案中改变的参数是：每个斑点之间的距离、每个斑 点的大小和形状，以及伴随的强度分布。因此，为了检测这种扰动而对反射 的分析可以包括监测在发射点、特定距离处或相对于激发光束中的一个或多 个内的特定点的强度或辐射。以这种方式，检测器可以安装并固定在含有激 发源的同一装置上。在那个特定点测量的强度变化不仅指示扰动的存在，而 且指示扰动的程度和扰动的类型。例如，拉伸应力可以推动斑点160A-160E 彼此分开，因此它将导致斑点6A(图1中最右侧)左侧的辐射强度减小，或者 那个斑点右侧的辐射强度增大。类似的响应可以由在光栅中产生凸曲率或负 曲率的弯曲力引起。如果应力是压缩的或如果弯曲在光栅上造成正曲率，则 可以发生相反的响应。在扭曲的情况下，斑点将侧向移动并且强度将根据相 同的原理改变。
图2示出了根据本发明的一个或多个实施方案的复合物的另一示例性配 置。具体地说，如图2所示，荧光层250置于光栅表面220下方。材料210 可以是整个复合结构的基础支撑，并且材料250是包括荧光材料的材料层。 在一些实现方式中，它可以是含有一种或多种荧光团的材料或它本身可以是 荧光的。另外地或可选地，不一定包括材料210，因为材料250可以执行基 底材料的功能并且材料250内可以含有一种或多种荧光团。材料层230提供荧光层与光栅之间的分隔。而且，这个材料不是严格必需的，然而，在实际 应用中，材料层230可以提供有用的分隔和另外的支撑层。最后，光栅表面 220在顶部，并且在一些实现方式中，可以由与材料230分开的材料制成， 或者它可以由材料230成形。
图3示出了根据本发明的一个或多个实施方案的复合结构300的另一示 例性配置。如图3所示，荧光层350置于光栅380下方。材料310可以是整 个复合结构的基础支撑，并且材料330可以是结构材料。如图所示，材料层 350是包括荧光材料的层。此外，如图3所示，所利用的光栅380是二维的， 诸如，例如在另一种材料的板坯内的孔的周期性分布。因此，这将产生二维 衍射图案，所述二维衍射图案将允许用更直接的方式来检测光栅或与光栅接 触的材料中的扰动的各向异性。图中示出的孔(例如，孔385)可以是由折射 率与限定光栅的剩余材料不同的材料制成的实际孔或区域。在一个或多个实 现方式中，具有孔或这类区域的这个顶层的光学特性包括：透过激发辐射的 材料，除非辐射被引导穿过其中的间隙；相对于层的其余部分具有不同折射 率的材料；以及至少部分透过发射辐射的波长的材料。
在图1、图2和图3中，指示了不同的衍射级数m＝1、……n，并且为 了易于在图中示出将“n”截取至二，然而有用的衍射级数可以到达更高级， 这取决于光栅的结构、荧光层与光栅之间的距离、光栅与观察者(例如，检 查装置)之间的距离，以及大体上装置和检测系统的架构。尽管图1所示的 光栅呈现单维周期性并且图3中的光栅呈现二维周期性，但具有任何类型的 周期性的光栅可用于两个示例性复合架构，这取决于所需的衍射特性。具有二维周期性的光栅的优点在于它将产生具有关于应力的二维各向异性的信 息的衍射图案。例如，在沿特定方向的拉伸应力的情况下，衍射斑点之间的 距离增加将仅沿着该特定方向。
在本发明的另一示例性实现方式中，如图4所示，复合结构400可以包 括两个荧光层。图4所示的复合物400的构造类似于图2所示的示例性配置， 该构造在光栅表面下方具有荧光层但在光栅上方还包括第二荧光层490。更 具体地说，底层410可以用作荧光层450的支撑，并且在一些变型中，如果 包括一种或多种荧光团的材料层450被配置成在其中包括一种或多种荧光团 的结构材料层，则底层410不是必需的。层430是荧光层450与光栅层480 之间的分隔层。层480是光栅，如图所示，光栅可以是单独的材料层。然而， 在一些实现方式中，可以组合分隔层430和480，除了光栅层480中示出的 孔可以包括具有不同折射率的材料。层440是光栅与第二荧光层之间的分隔 层，并且可以是结构材料层或在一些实现方式中是空气。最后，层490是额 外的顶部荧光材料层。
这个添加的荧光层490的目的是简化衍射图案的可视化并因此简化对复 合结构系统中的扰动的检测。在操作中，辐射λex可以穿过结构400照射到 荧光层450上的斑点460上。激发的荧光斑点460在所有方向上发光并且部 分地穿过层430并穿过光栅480。此时，由于衍射光栅，辐射被衍射并作为 单独的光束穿过层440朝向层490行进，如m＝0至m＝2所示。由于额外的 荧光层490，这些光束被可视化为通过顶部荧光层490示出的荧光斑点465。这个顶部荧光层495的目的是便于这些光束的可视化。
选择激发辐射，使得其波长不会被包括复合物400的材料层完全吸收， 辐射穿过所述材料层，除了荧光团层450。在非荧光层中最小或没有辐射吸 收是优选的，以确保荧光层450接收激发辐射。还选择荧光材料450，使得 其来自层450的发射波长(“第一发射辐射”)也不受干扰地穿过层430，层430 优选地至少部分透过这个辐射波长。层480可以由具有不同折射率的两种材 料制成，或者圆柱形孔可以简单地是空的。两种材料优选地透过激发辐射， 而关于发射辐射，它们可以是透明的，或者至少构成图中圆柱形孔的材料需 要至少部分透明。
在光栅480不是如图4所示的二维光子晶体，而是与图1所示的光栅120 类似的光栅表面的情况下，要求两种材料430和440都至少部分透过第一发 射辐射。利用这种架构，层480不需要是离散层，并且可以是将层430与440 分开(例如，限定层430与440之间的界面)的光栅表面。在任何情况下，层 440应该透过由层450发射的相同辐射。层480也可以是三维光子结构，在 这种情况下，关于图4显示的光栅的类似考虑在两种构成材料的透明度方面 是有效的。可以选择荧光层490，使得它吸收来自450的发射辐射并被发射 辐射激发，并且因此发射具有与第一发射辐射不同的波长的第二发射辐射。 可选地，顶层490可以仅仅是使图像可视化的屏幕，而不是荧光层。
在一些示例性布置中，复合物可以构造成使得光栅在一种或多种荧光团 上方，并且一种或多种荧光团以这样的方式布置在材料内，使得它们不会延 伸穿过光栅下方的材料的整个表面区域。图5A中示出了具有根据本发明的 一个或多个实施方案的这种配置的复合结构500的示例性配置。
如图5A所示，材料的荧光部分是嵌入在结构材料510内并处于光栅表 面520下方的平行条带530的布置，光栅表面520限定材料层510的顶表面。 在这种情况下检查照明不一定是激光，而可以是发射包括激发波长的光的 灯，该灯是基于所利用的一种或多种荧光团(例如，基于其特定激发波长)而 被选择的。用这种方式，材料530内的荧光材料条带在激发时看起来将点亮。 图5B示出了由周期性地嵌入在光栅下方的一组平行荧光棒形成的衍射图案 的俯视图。如图所示，将来自激发的荧光棒中的每一者的辐射示出为相应的 条带511。另外，由于来自光栅的荧光线的衍射，荧光条带(例如，条带512) 之间的区域也将呈现发射线。通过监测这些线和形成的图案，检测任何变形 是可能的，因为材料的变形将导致移动、形状变化或这些线从预期图案偏移。 出于这些原因，从检测的角度来看，仅监测一个斑点并检测来自该特定斑点 的发射强度的变化是可能的。因此，可以将变形检测为信号中断或信号开始。
关于根据在一个方向上具有周期性的图案将荧光材料布置在结构材料 内的前述示例，取决于所需信息的各向异性，可以使用不同的荧光图案来产 生复合结构。图6A示出了由结构材料610形成的复合结构600的示例性配 置，复合结构600具有顶部光栅表面620和其中嵌入的荧光材料630。如图 所示，荧光材料被布置为彼此垂直的两组平行线(各自具有宽度和厚度)，并 且光栅表面是具有二维周期性的二维光栅。图6B示出了复合结构的俯视图， 并且示出了由彼此垂直定向的两组平行荧光线形成的衍射图案。具体地说， 线611对应于来自横跨结构600的长度定向的荧光线的发射辐射，并且因为 来自光栅620的荧光线的衍射，在荧光条带之间的区域中形成的线612是发 射线。辐射线614的类似图案也由长度方向的荧光条带发射。在使用中，平 行的荧光材料线可用于检测垂直于它们的扰动，因为沿相同方向的扰动对它 们将几乎没有影响。可选地，由彼此垂直的两组平行线制成的光栅可以提供 关于在空间的两个方向中的一个或多个上影响材料的扰动的信息。
因此，可以监测如此构造的材料，并且其特定构造可用于检测材料暴露 的扰动、应力或变形的量。具体地说，示例性构造使得量化变形程度为可能 的。例如，如果材料只包括光栅，则任何变形将导致波长变化。另一方面， 除了光栅之外，在存在一种或多种荧光团的情况下，变形将改变衍射线之间 的间距或从光栅衍射的光束之间的角度。
图7中示出了公开的实施方案中的一个或多个的实际应用。如图7所示， 周期性结构化表面720或光栅限定在结构材料710的表面上，结构材料710 被成形为限定工程结构，诸如管700。图7进一步示出了结构材料710包括 嵌入在其中的一个或多个荧光棒730。与先前描述的示例性实施方案不同， 在这种特定情况下，表面720是弯曲的而不是平坦的。然而，原理大体上保 持与关于先前的示例性实施方案描述的原理相同。在使用中，材料710中的 扰动将在荧光棒730发射时导致由光栅720产生的衍射图案的修改。
应该注意，图7中所示的示例性配置的组件以相对比例表示，所示复合 结构700不一定按比例绘制或准确到实际实现方式。具体地说，光栅720由 网格线表示；这个网格线旨在表示类似于关于图1至图6B描述的光栅，或 具有周期性限定的凹槽、间距或孔的任何二维光栅。另外，这个网格中的线 之间的相对距离不表示光栅的特征相对于物体(诸如用于例如管路中的管)的 大小之间的实际距离。如上文所提到，可以鉴于将经由检查揭露的扰动的大 小而限定光栅或二维光子晶体布置中的特征的大小。类似地，如图7所示， 将荧光材料730示出为棒，然而，可以了解，复合结构内的荧光材料的形状 或布置不一定必须是棒的形式，并且可以调整特定形状、大小和定向以适应 系统的几何形状和通过检查揭露的空间信息的类型。在平行荧光棒的特定情 况下，如图7所示，通过在围绕中心轴的方向上检查管的截面而产生的衍射 图案将类似于图6B中所示的衍射图案。
如先前所指出，光栅的周期或维度可以大于二(2)。在前面的示例性配置 中，仅示出了二维光栅：具有一维周期性的二维光栅，诸如图1、图2、图 5A至图5B、图6A至图6B的光栅；或具有二维周期性的二维光栅，诸如图 3、图4、图7的光栅。本文中进一步描述了构造成包括具有三维周期性的三 维光栅(也称为三维光子晶体)的复合结构的额外示例性配置。
图8A至图8B示出了根据公开的实施方案中的一个或多个构造以包括 棒状三维光子晶体作为光栅或衍射元件的示例性复合结构800。图8A至图 8B中表示的光子晶体包括具有正方形横截面的材料棒814，材料棒814以一 种方式分布使得它们形成三维周期性晶格。可以了解，也可以实现具有替代 三维形状的细长“棒”。结构材料810可以是具有不同折射率的晶格的支撑件。 然而，在一些实现方式中，如果晶格可以支撑自身，并且如果晶格耦合至其 附近的结构材料以便检测其附近的材料中的扰动，则可以不存在所述结构材 料。
示例性晶格本身可以在不添加荧光团的情况下起作用，因为它将响应于 检查辐射，从而根据斯涅尔折射定律和布拉格衍射定律的组合产生允带和禁 带的区域，如在光子晶体的理论中所解释并且如本领域技术人员将了解。通 过监测这些能带结构的能量和角度分布，有可能量化材料的扰动，因为这种 扰动将会改变晶格的周期性，并且因此改变衍射和折射的条件。
然而，类似于先前描述的包括二维晶格的实施方案，可以在结构内添加 一种或多种荧光团，以便更容易检测由一种或多种发射荧光团上的三维晶格 引起的衍射图案的变化。可以如图8A所示在三维晶格的体积850内，或者 在相对于观察者的相对侧上添加这一种或多种荧光团。
如果在光子晶体晶格内添加一种或多种荧光团，则其分布可以是随机 的，只要它优选地在从观察者数至少10个光子晶体晶格平面以下。图8B示 出了图8A中示出的示例性结构800实施方案的一部分，其中荧光元件的可 能位置被指示为黑色圆圈860。图8B所示的结构的顶侧865是面向观察者 的一侧。可以了解，图中的比例不准确，并且为了清楚起见只选择了荧光团 和晶格元件的相对大小。在实际实现方式中，各个荧光元件的大小可以比晶格平面小几个数量级。而且，荧光元件的数量不一定代表实际情况，因为一 种或多种荧光团也可以在结构800的一部分中均匀地分布在光栅下方或光栅 内，从而占据由图8B中的阴影区域870近似地识别的体积。
如图8B所示，可以被一种或多种荧光团占据的体积870也可以在观察 者的相对侧上远低于光子结构延伸。因此，晶格对一种或多种荧光团的发射 辐射的影响是形成如图8A和图8B中的虚线箭头所示的衍射线，例如，815。 这种衍射线类似于在晶体材料的X射线衍射中观察到的衍射线。实际上，从 物理的观点来看，晶格800表现得像晶体。差异在于存在一种或多种荧光团， 并且可以根据应用来定义这个晶格的大小以及与检查波长相关的材料属性。 因此，根据示例性晶格结构和构造并且通过监测这些衍射线的位置、存在或 不存在，有可能测量关于影响材料的扰动的信息。
可以了解，三维晶格的特定几何形状不一定必须是图8A至图8B中所 示的几何形状。例如但不限于，晶格可以由珠子的三维周期性分布构成，如 图9所示，或者由其中包括孔的三维分布的材料构成，如图10所表示。
图9所示的光子晶体900具有与图8A至图8B所示的示例性光子晶体800类似的功能，然而，晶格由支撑材料910内的珠子916的周期性分布限 定。支撑材料910可以支撑晶格并且可以具有不同的折射率。在这个示例性 实施方案中，设置在支撑材料910内的周期性晶格的体积950内可以含有一 种或多种荧光团。关于一种或多种荧光团的位置和分布，关于图8A和图8B 的实施方案的类似考虑也适用于图9和图10中所示的配置。这个示例性配置的一个差异在于珠子916本身可以配置成荧光团。例如，珠子可以是发光 的纳米粒子、量子点或用作为掺杂剂添加的荧光团活化的微粒子。另外地或 可选地，荧光团可以是由珠子916的晶格形成的间隙之间的填充物。可以用 针对图8A至图8B中所示的实施方案描述的相同方式进行检查和分析。由 于示例性晶格结构，晶格对一种或多种荧光团的发射辐射的影响是形成如图 9中的虚线箭头表示的衍射线或定向禁隙(或阻带)，例如，915。
图10示出了光子晶体1000的另一示例性配置。如图所示，晶体1000 包括三维晶格，三维晶格由在支撑材料1010内形成的孔1016的周期性分布 形成。然而，在一些实现方式中，这些孔不一定是孔，并且它们可以是具有 与材料1010不同的折射率的材料的区域。在这种情况下，材料1010作为支 撑件是必要的。
在图10中，材料1010内包括一种或多种荧光团的体积/区域由虚线体积 1050识别。虚线体积与材料表面的接近度相对于由周期性元素识别的光子晶 格平面的数量不是按比例绘制的并且不表示实际装置。这个特定配置的功能 也类似于关于图8A至图8B和图9描述的实施方案。通过监测衍射线1015 的位置，有可能获得关于影响晶格的扰动的信息，所述信息反过来又随影响 构成材料的扰动而变。
可被检测为随根据公开的实施方案中的一个或多个构造的示例性光子 晶体而变的扰动类型不限于物理变形，并且还可以包括温度变化和化学成分 的变化、液体吸收，或复合结构的功能化。虽然这些变化可能不会修改光栅 的周期性特征之间的间距，但它们可能引起折射率的变化。反过来，这种变 化将通过修改折射角并因此修改衍射方向来修改衍射图案。在不包括荧光团 的示例性配置中，这种材料变化可以引起特定观察角度的波长变化。在包括 一种或多种荧光团的示例性配置中，材料变化可以引起衍射方向之间的角度的变化，并且因此引起衍射线之间的间距的变化。
物理变化与温度或化学成分变化之间的区别是直接的，因为物理变化通 常局限于物体的一小部分，而其余变化则在较大区域上不受局部限制。然而， 可能存在不同类型的扰动影响相同区域的情况；在这种情况下，可以通过在 没有光栅的情况下比较分析参考材料来区分不同类型的扰动，以检测与化学 成分或温度变化相关联的折射率的任何变化。
一旦已经建立变形与光学信号之间的这种对应，检测系统就可以用来按 照一个来量化另一个。更具体地说，如上所述，检测装置可以用来揭露扰动 并按照光学信号量化扰动。相反，它可以用来揭露波长或衍射角的变化并将 所述变化量化为材料变形。
根据本文公开的用于构造复合材料和检测材料中的扰动的相同操作原 理，在一些示例性实施方案中，可以反向校准检查装置以控制和选择已知波 带。更具体地说，可以根据施加在材料上的压力或材料所经受的任何变形来 执行对已知波带的控制和选择。本申请可以提供单色仪或光谱仪中所需的光 学色散元件，其中操作原理是基于压缩或伸展的线性应力并且不需要旋转。 通常，单色仪由与狭缝耦合的光栅构成：光栅将辐射分成不同角度下的不同 波长。位于距光栅某一距离处的狭缝只让一种波长通过。为了改变穿过狭缝 的波长，旋转光栅使得不同的衍射角指向狭缝。通过应用这里描述的光子结 构或将光栅应用于可伸展的聚合物或材料，可以通过改变周期性结构的间距 而不是观察角度来执行波长选择。因此，在这种配置中，不必旋转光栅来改 变波长。图11A和图11B中示出了用于单色仪中以提供技术的这个互补应 用的光子结构的示例性配置。图11A示出了在以下情形中根据公开的实施方 案构造的示例性光子结构1100，在该情形中入射白光1110(或更普遍是含有 多个波长的辐射)被具有光栅表面1105的光子结构1100反射和衍射，在这个 示例中，光栅表面1105没有变形。因此，不同的波长1120以不同的角度射 出，并且仅其中有限的一部分可以穿过单色仪狭缝1130。图11B表示在以 下情形中的结构1100(示出为1100B)，在该情形中光子元件或光栅1130B被 伸展(例如，由施加到结构的应力)并且因此，光栅的周期性特征的间距增大 并且因此衍射图案1120B改变。因此，从狭缝1130B射出的波长将与先前的 波长不同(例如，松弛的光子结构)。以这种方式，有可能实现由单色仪执行 的相同波长选择，但是要借助基于单色仪中使用的光子结构的压缩或伸展的 线性系统。因此，如果例如用于单色仪中的光栅材料是诸如PDMS的软聚合 物，则可以通过在其上施加压力或拉伸力来执行波长选择。
用于上述实施方案的可能的制造方法可以很多。可以通过旋涂、滴铸、 溅射、物理气相沉积、化学气相沉积、分子束外延等来执行构成图1至图6 中所示的不同层的材料的沉积。取决于应用和所需周期的大小，也可以用许 多不同的方式实现复合结构的结构化以获得具有1D或2D周期性的2维光 子晶体。一种可能性是使用激光干涉光刻，以在光阻层上施加图案并在基板 上连续蚀刻该图案。另一种可能性是使用掩模也在光阻层上产生所需图案。 这些系统都提供实现低于微米的周期的大小的能力。对于较小的尺度，结构 化可以通过电子束光刻或模板光刻来完成。制造衍射光栅的另一种常用方法 是使用刻划机来刻划图案。对于较大尺度的应用，有可能使用模制技术，诸 如射出模制、热压印等。
此外，当光子材料仅在反射下工作且不需要透射时，可以利用沉积诸如 铝、铜、铬、金等反射层来增强具有不同折射率的两种材料之间的界面。
也可以用许多不同方式将一种或多种荧光团引入至复合结构中：例如， 可溶于聚合物的荧光团可在固化之前简单地混合到聚合物中：在弹性体中或 在固化剂中。例如，荧光团荧光素可以通过在固化之前溶解到弹性体部分中， 然后在室温下固化而溶解在各种环氧聚合物中。另一个示例可以是利用金属 纳米例子(诸如银或金)作为荧光团。这些可以用适当的配位体诸如苯甲酸盐 稳定，然后分散到聚二甲基硅氧烷(PDMS)的固化剂中，诸如Dow Corning 的Sylgard 184聚合物试剂盒的固化剂。
在需要更尖锐的发射跃迁的情况下，可以将镧系元素离子作为掺杂剂引 入聚合物、玻璃或晶格中。如果需要将它们引入聚合物中，则它们可以像配 位化合物一样复杂地稳定在聚合物中，而如果需要将它们引入玻璃或晶体 中，则它们可以在生长期间以离子形式添加：例如在晶体生长技术(诸如例 如助熔剂生长)开始之前，可以将镧系元素的氧化物添加到形成晶体的氧化 物的混合物中。生长掺杂晶体的其他可能技术包括直拉法、水热生长等。
在荧光层不像图1、图2、图3和图4中那样连续，但是它呈现出谨慎 结构的情况下，这种结构化沉积可以利用上文描述的用于制造光子结构的光 刻技术中的一者来实现。例如，在已经由光阻蚀刻基板之后，可以在移除光 阻之前将荧光团添加至基板。
图8A中表示的实施方案也可以用类似的方式制造，替代地在基板上蚀 刻和填充垂直定向的特征。
如果这些复合结构的大小大于微米尺度，则在系统被设计成与长波长辐 射(诸如微波或无线电波)相互作用的情况下，制造方法通常比微米尺度以下 更简单并且可以利用常规模制或快速成型工艺实现。
为了制造三维光子结构，诸如图9中所示的三维光子结构，还可以利用 各种技术。对于纳米和微米尺度，一种简单的技术是自组装。例如，硅石、 聚苯乙烯或聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)珠子可以用垂直或水平沉积技术从 珠子分散体的缓慢蒸发中自组织其自身。另一种方法是通过聚合物中的珠子 的基于剪切的纳米组装来形成光子晶体。
检查装置
根据公开的实施方案中的一个或多个，本文进一步描述了用于检测和量 化扰动的非破坏性结构检查的各种示例性系统和方法。
在一些实现方式中，检查装置可用以分析光子材料对诸如拉伸应力、压 缩应力、弯曲、变形、温度变化、化学成分变化和折射率变化的扰动的响应。 尽管示例性检查装置可以独立于先前关于图1至图10描述的示例性复合结 构而使用，但本文关于先前描述的复合结构进一步描述了用于非破坏性检查 的示例性系统和方法。
更具体地说，检查装置被配置用来将检查辐射发射到被检查的材料中。 如上文所指出，先前描述的复合结构由光子材料组成，光子材料的周期性可 以受其周围环境的扰动影响。这种周期性变化导致由这种周期性晶格产生的 衍射图案或光子能带结构的变化。可以了解，晶格可以是单维、二维或三维 的。检查装置被进一步配置用来测量所得衍射图案的特性，并因此测量衍射 图案相对于预期图案的变化。
此外，检查装置被配置用来使用衍射图案的变化作为输入，并且提供影 响材料的扰动的量化作为输出。具体地说，检查装置被配置用来将关于衍射 辐射的波长和角度信息变换为对位移的测量。检查装置由共同利用两个相似 的原理来实现这种变换的一个或两个组件组成。一个组件将波长信息变换为 位移，而另一组件将角度信息变换为位移。被检查考虑的周期性结构可以是 例如包括衍射光栅的复合结构，诸如关于图2描述的复合结构。
根据突出的方面，检查装置被配置用来经由波长变化，或者根据强度变 化而量化的衍射角变化来量化光子材料的变形。因此，检查装置提供敏感地 检测扰动的能力，该敏感度可经由选择检查波长和光子结构的对应周期来调 节。此外，检查装置提供多维敏感度水平。
包括光子材料和检查装置的系统可调节到需要检测的变形或缺陷的大 小。例如，如果用户对检测大约几百纳米的缺陷感兴趣，则光子结构中的周 期性特征之间的距离需要至少为亚微米尺度。如果间距远高于微米尺度，则 大约100nm的变形可能会被忽视。如果间距是大约几十纳米，则敏感度将 是针对具有类似尺度的缺陷，并且因此适合于检测感兴趣但不需要的缺陷， 因为过度敏感。
同时，检查装置中利用的检查辐射和装置的敏感度范围需要能够与材料 的特征相互作用。因此，对于纳米尺度的敏感度，装置的辐射需要包括电磁 频谱的可见范围，并且传感器需要对相同的范围敏感。为了检测较大尺度的 缺陷，例如毫米，材料中的周期性特征的间距可以在毫米到亚毫米范围内， 并且因此装置的检测辐射包括红外到微波波长就足够了。
敏感度的多维性也由光子材料和检查装置的配置确定。例如，对于具有 二维周期性的光子材料(诸如图4、图6和图7所示的光子材料)的实施方案， 材料的沿着一个轴(例如，在图4中垂直于页面平面的轴)大于沿着另一轴(在 图4中，在页面平面上的轴)的各向异性变形将导致由沿第一轴的特征引起 的衍射角大于由沿后一轴的特征引起的衍射角。因此，图4的顶表面上垂直 于页面平面对准的斑点465与沿平行于页面平面的方向对准的斑点相比将离 彼此更远。
可以通过肉眼从图4的实施方案中观察到的这种二维敏感度也可以通过 检查装置来量化。例如，衍射线之间的间距的这种变化可以在由装置1260 中的相机传感器捕获的图像中观察到，或者作为由CCD阵列1214测量的方 向强度变化被观察到。
暂时转向图2中示出的示例性复合结构，光栅220造成衍射，而层250 是荧光的。尽管可以合并一种或多种荧光团以增强对扰动的检测，但示例性 检查装置的操作不是必须的。实际上，光栅通过将白光光源分解成所有不同 的波长来响应白光光源；而光栅通过将激光束衍射成取决于衍射级数而以不 同角度从光栅射出的单独光束来响应激光束，衍射级数在图中以m来指示。 因此，检查装置可以被配置用来发射包括漫射辐射源(诸如白光光源)和激光 的一个或多个电磁辐射源，以便可以与各种不同的复合结构配置一起使用 (例如，不管结构是否包括荧光团)。
一旦材料暴露于白光光源，诸如来自LED灯的白光光源，将产生衍射 图案，其中不同波长或颜色以不同角度被反射和衍射。根据光栅方程用于特 定观察角度的这些波长中的每一个与光栅的周期性特征之间的间距相关：
nλ＝d(sinβ-sinα) (1)
在反射光栅的情况下，或者；
nλ＝d(sinβ+sinα) (2)
在透射光栅的情况下，如果例如衍射的辐射来自相对于观察者位于光栅 的相对侧上的荧光层(如图2中所表示)，或者如果检查辐射仅仅击中相对于 观察者在相对侧上的光栅的话。
在方程(1)和(2)中，n是指示整数个波长的整数，λ是波长，d是两个相 邻的周期性特征之间的间距，α是入射角，β是反射角，当满足这些方程时， 反射角与衍射角一致。
在正常条件下，如果样品没有因缺陷而变形，则光栅的周期性将在整个 区域内相同，并且将因此产生平滑的衍射图案，在所述衍射图案中在任何位 置，波长都会随着观察角度平滑地变化；或者，对于单个观察点，角度在照 射区域内平滑地变化，因为不同的位置仍然对应于α和β的不同值。另一方 面，在缺陷的情况下，与缺陷接近和相对应的波长(或颜色)的变化将呈现不 规则性，因为光栅的周期性将被局部修改。通过知道与装置(下文所描述)的 架构相关的衍射角以及通过测量使用方程(1)和(2)观察的波长，检查装置可 以计算周期性特征之间的距离d并将其与针对样品预定义的无扰动的d(间 距)进行比较。基于照射源和材料上观察到的斑点的相对位置，已知入射角。 通过考虑在材料上观察到的斑点和装置中的传感器的相对位置，或材料上的 光子结构的周期的大小，已知衍射角。或者，可以从辐射源与传感器狭缝之 间的距离以及装置距光子材料的距离得到相同的信息。所有这些都是可以针 对特定装置和/或特定材料进行初始化、修改或固定的参数。
然而，即使不考虑或不知道装置的架构(辐射源和检测器的相对位置)和 光子结构的周期的大小。无论有无装置，观察波长或衍射角的变化仍然将允 许量化扰动或缺陷。原因是所需信息不一定是位移的绝对值，而是其相对变 化。因此，如果贯穿材料的分析区域，位移呈现为某一值并且在特定区域中 呈现为不同值，则更相关的信息是这两个值之间的差，而不是绝对值。出于 这些原因，在某些情况下，可能没有必要考虑上面提到的所有参数，而只考 虑相对变化。相反，如果需要知道位移的确切值，则可以考虑所有配置参数， 或者可以利用周期的已知大小来校准移位的值(即使周期的起始值未知，也 可以利用微观技术来测量)。
此外，如果上述参数均未知或初始变化太大且无序(例如在从一开始就 在不光滑的表面上)，则可以通过比较衍射图案或波长图像(颜色图像或照片) 来确认量化，其中参考图像是在应用结构时或在重要的时间点拍摄的。
如果材料暴露于激光束而不是漫射辐射，则激光束也将根据方程(1)和(2) 衍射。在这种情况下，差异在于波长是恒定的并且将仅在某些角度下满足衍 射条件，从而得到衍射光束的奇分布和对称分布。如果材料未扰动，则这些 衍射光束之间的角度差异在整个材料中将相同。然而，如果材料存在变形， 并且因此光栅的周期性存在变形，则光束之间的衍射角将变化。通过跨域材 料监测这个角度，有可能通过根据方程(1)和(2)计算d，知道λ，并测量角度 来识别变形区域。
鉴于上述考虑，本文关于图12A至图12C进一步描述示例性检查装置 1200的基本组件的配置。
在图12A所示的示例性实施方案中，检查装置1200包括激光器1220 和漫射辐射源1250，诸如LED白光光源。尽管将源1250描述为漫射电磁辐 射源，但源也可以被配置用来发射在一定波长范围内具有恒定强度的辐射， 这个范围可以是宽的，或其可以限于窄波长范围，其可以在可见光范围中或 在电磁频谱的任何其他范围中。还示出了用于聚焦由漫射辐射源1250发射 并且由被检查的样品衍射的辐射的透镜1280。透镜被配置用来将衍射辐射聚 焦到相机传感器1260中，相机传感器1260收集衍射辐射并且被进一步配置 用来将捕获的图像提供给处理器1216。
检查装置可以布置有各种计算机硬件和软件组件，计算机硬件和软件组 件用于使得能够操作检查装置，并且尤其执行与由检测器1214捕获的信息 的分析相关的操作。图12C是示出检查装置1200的这些示例性计算机硬件 和软件组件的框图，检查装置1200包括处理器1216和电路板1215。如图 12C所示，电路板还可以包括可由处理器1216访问的存储器1230、通信接 口1255和计算机可读存储介质1235。电路板和/或处理器还可以耦合到用于 在视觉上向用户输出信息的显示器1217，以及用于接收用户输入的用户界面 1225和用于向用户提供音频反馈的音频输出1270，如本领域技术人员将理 解：例如，当遇到高于某一阈值的缺陷或变形时，该装置可以从显示器或从 单独的指示灯发射声音或视觉信号。可以在测量之前经由用户界面手动或默 认地设置阈值，用户界面可以是触摸屏或适当的键盘。虽然将各个组件示出 为独立于电路板1215或者为电路板1215的一部分，但是可以了解，组件可 以以各种配置布置。
处理器1216用于执行可以加载到存储器中的软件指令。处理器可以是 多个处理器、多处理器核或某一其他类型的处理器，这取决于具体实现方式。
存储器1230和/或存储装置1235可由处理器1216访问，从而使处理器 能够接收和执行存储在存储器上和/或存储装置上的指令。存储器可以是例如 随机存取存储器(RAM)或任何其他合适的易失性或非易失性计算机可读存 储介质。此外，存储器可以是固定的或可移动的。存储装置取决于具体实现 方式也可以采用各种形式。例如，存储装置可以含有一个或多个组件或装置， 诸如硬盘驱动器、闪存、可重写光盘、可重写磁带或上述的某种组合。存储 装置也可以是固定的或可移动的或远程的，诸如基于云的数据存储系统。
一个或多个软件模块1245被编码在存储装置1235和/或存储器1230中。 软件模块可以包括一个或多个软件程序或应用程序，所述软件程序或应用程 序具有在处理器1216中执行的计算机程序代码或一组指令。用于执行操作 并实现本文中公开的系统和方法的方面的这类计算机程序代码或指令可以 用一种或多种编程语言的任何组合编写。程序代码可以完全在HMI 105上， 作为独立的软件包，部分地在HMI上并且部分地在远程计算机/装置(例如， 控制计算机110)上或者完全在这类远程计算机/装置上执行。在后一种情形中，远程计算机系统可以经由任何类型的网络连接到检查装置，所述网络包 括局域网(LAN)或广域网(WAN)，或者可以经由外部计算机(例如，经由因特 网使用因特网服务提供商)进行连接。
可由处理器1216执行的一个或多个分析程序包括在软件模块1245中。 在软件模块的执行期间，处理器被配置用来执行与对由检测器1214捕获的 辐射的分析相关的各种操作，检测器1214用于检测和量化被检查材料中的 随衍射图案而变的扰动，如下文将更详细地描述。还可以说，软件模块1245 的程序代码和非暂时性计算机可读存储装置(诸如存储器1230和/或存储装 置1235)中的一个或多个形成可以根据本公开制造和/或分配的计算机程序产 品，如本领域普通技术人员已知的。
另外，应注意，与本系统和方法的操作相关的其他信息和/或数据也可以 存储在存储装置1235上。例如，数据库1285可以包括与可以使用检查装置 检查的各种材料和结构相关的规定设置和参数，诸如预期衍射图案、材料任 何周期性光栅的特性(例如，定向、周期、特征的间距、光学参数、透射波 长等)或材料中存在的任何荧光团的特性(例如，激发波长和发射的辐射波长) 等，如下文将更详细地讨论。类似地，数据库可以存储对于检查装置和各种 操作模式(例如，基于漫射辐射的检查和基于激光的检查)特定的其他操作参 数。应当注意，尽管将存储装置1285示出为在本地配置为检查装置的存储 装置，但是在某些实现方式中，数据库和/或存储在其中的各种数据元素可以 远程地定位(诸如在远程计算机或连网的服务器上-未示出)并且以本领域普 通技术人员已知的方式经由网络连接到检查装置。还可以了解，板1215还 可以包括或耦合到用于为检查装置供电的电源(未示出)源。
通信接口1255还可以操作地连接到处理器1216，并且可以是能够实现 检查装置与外部装置、机器和/或元件(诸如控制计算机或连网的服务器(未示 出))之间的通信的任何接口。通信接口包括但不限于调制解调器、网络接口 卡(NIC)、集成网络接口、射频发送器/接收器(例如，蓝牙、蜂窝、NFC)、卫 星通信发送器/接收器、红外端口、USB连接和/或用于将检查装置连接到其 他计算装置和/或通信网络(诸如专用网络和因特网)的任何其他这类接口。这 类连接可以包括有线连接或无线连接(例如，使用IEEE 802.11标准)，但是应该理解，通信接口实际上可以是能够实现去往/来自检查装置的通信的任何接 口。
返回到图12A，在一些实现方式中，检查装置1200可以被配置用来使 用衍射辐射源1250来执行对样品的初步分析以识别样品的呈现变形的区域。 此外，检查装置可以被进一步配置用来使用激光源1220来执行对识别的区 域的更详细的分析并获得变形的定量测量。然而，可以了解，检查装置可以 仅由这两个辐射源中的一个组成，并提供可靠的结果。例如，如上所述，使 用漫射辐射源执行的波长分析还可以提供关于扰动程度的定量信息。
具体地说，漫射辐射源1250被配置用来发射辐射锥1240(由图12A中 的虚线定界)。响应于这个辐射(诸如例如白光)，光子材料将通过沿不同方向 反射和衍射不同波长来产生衍射图案。这个衍射图案将经由透镜1280聚焦 到相机传感器1260中，相机传感器1260收集衍射图案并将捕获的图像提供 给处理器1216以供进一步分析。
在局部扰动的情况下，波长的角度变化将不会像没有扰动那样均匀地变 化。处理器1216可以辨识颜色的这种突然变化，通过执行包括分析软件程 序的软件模块中的一个或多个来配置处理器1216。处理器可以被进一步配置 用来相应地产生通知。例如，基于捕获的图像中的颜色变化的梯度，处理器 可以经由音频或光发射器1270发送警报信号，诸如声音。可以通过执行分 析软件来进一步配置处理器，以分析由系统识别的突然颜色变化。此外，处 理器可以被配置用来将周期大小与测量的特定波长(如上所述)相关联，并且 通过将所述周期大小与参考值(诸如在无扰动区域中测量的周期的规则大小) 进行比较来获得扰动的大小。
图13A示出了用于分析颜色变化以确定继续参考图12A至图12C的检 查装置1200测量的特定波长的周期大小的示例性例行程序1300。具体地说， 在步骤1305处，通过执行包括分析软件程序的软件模块1245中的一个或多 个而配置的处理器1216将捕获的图像上的每个特定点处的波长变换为光子 材料的周期的大小。如上所述，可以根据装置的几何形状和对应于所分析的 特定波长斑点的特定衍射角来执行变换。一旦确定了周期的大小，配置的处 理器就可以在步骤1310处通过将其与正常条件下的已知周期进行比较来计 算变形量。另外地或可选地，可以将该周期相对于周围环境的确定的周期进 行比较，例如以识别超过规定阈值的任何差异。然后在步骤1315处，配置 的处理器可以使用计算出的变形值在耦合到处理器的显示器1217上输出结 果。此外，在步骤1315处，可以使用显示器1217通过配置的处理器输出完 整图像或波长图。另外，信息可以由处理器存储在存储装置1235中和/或经 由通信接口1255发送到计算装置或经由网络发送到集中处理中心服务器(未 示出)以进行进一步分析和/或存储。图11示出了由检查装置针对被检查样品 产生并输出的波长图的两个并排视觉图像。具体地说，在图像的左侧，示出 了在没有应力施加至样品的情况下的图，并且在图像的右侧，示出了在有应 力施加至样品的情况下的图。
用于检测和分析样品材料的扰动的替代方法是基于激光束1230的衍射。 如图12A所示，入射光束1290是由发射的激光束1230与光子样品材料的相 互作用得到的衍射光束。这个光束1290可以由检测器1214检测，并且其在 检测器上的位置将指示衍射角，该衍射角根据上面的方程(1)与光子材料的周 期的大小相关。在图12中，示出了两个额外的元件，包括镜子1212和用于 调制光束强度的透镜或滤光器1213。这些元件不是检查装置1200的基本功 能所必需的，然而，它们可以是有益的，因为它们可以提供更有效的测量。 具体地说，镜子1212的存在可以延长光学路径并将光束引导到检测器的位 置，这可以例如以最小化装置的大小为目标来定义。此外，为此目的，检查 装置1200可以被配置为包括一个以上镜子。
元件1213的功能可以是以下中的一个或多个：用于减小激光强度以便 不使检测器饱和的滤光器或用于使光束漫射的凹透镜。这种布置可用于减小 光束1290的强度并将其分布在检测器1214上的较大检测区域上。例如，为 了允许从定义检测器1214的不同传感器单元进行多个同时测量。在一些实 现方式中，检测器(或多个检测器)1214可以是当材料处于正常条件时定位在 光束路径上的光电二极管，或者它可以是具有不同敏感元件的CCD阵列， 使得衍射角的任何变化将导致光束撞击检测器的不同位置。光电二极管或 CCD阵列可以被配置用来将辐射强度变换成电流强度。此外，这个电流可 以转换为电压，电压然后可以用作处理器的输入。因此，处理器可以被配置 用来将电压输入转换为对被检查样品的变形的测量。
更具体地说，图13B示出了由处理器执行的用于量化材料变形的示例性 例行程序1350。具体地说，在步骤1355处，通过执行包括分析软件的软件 模块1245中的一个或多个而配置的处理器将接收的电压转换为光束在检测 器上的位置。例如，这个转换可以根据包括检测器1214的感测元件的已知 位置而执行。然后，如上所述，在步骤1360处，配置的处理器可以基于装 置的几何形状将计算的位置转换为衍射角。然后在步骤1365处，处理器将衍射角转换成光子材料的周期。在步骤1370处，处理器将这个确定的周期 与无变形的情况下的已知周期进行比较，并且在步骤1375处输出并存储任 何变形的量化值。
暂时转向图16A至图16B，其示出了示例性检查装置从对根据公开的实 施方案构造的复合结构的检查捕获的光的示例性图像(例如，波长图)。图16A 和图16B是在没有力和有力施加到根据公开的实施方案构造的示例性结构 材料的情况下，该结构材料将如何衍射光的进一步示例。如图16A至图16B 所示，材料上每个特定点处的颜色/阴影或衍射波长可以取决于施加到材料的 力及其变形而变化。更具体地说，图16A表示在入射白光(或者更普遍地是 含有多个波长的辐射)已由在本文中被描述为光栅的光子结构反射和衍射的 情形中被检查材料的图像，该光栅在这个示例中不经受应力。图16B表示相 同的光子元件或光栅伸展(例如，由应力)，间距增大并且因此衍射图案变化 的情形。
图16A至图16B所示的视觉图构成作为检查装置的输入而捕获的折射 辐射信息的示例。在处理并将波长变换成位移之后，如果每种颜色被定义为 对应于某个位移值，则检查装置的输出也可以表示为2维的色彩图。然而， 必须注意，提供与两个示例性图像的外观颜色或阴影相关的信息作为示例并 且所示信息可以是不同的。因此，输入和输出可能看起来相似，而含有不同 的信息。
在利用激光束而不是利用漫射辐射执行分析的情况下，图案将不均匀， 但是它将由规则分布的斑点(诸如图1和图4中可视化的斑点(例如，160A、 160B、160C、160D、160E和465))组成。由于漫射照射，捕获的2D图像同 时提供关于样品的较大区域的信息，因为照射区域较大。相反，由激光束的 衍射产生的衍射图案的图像提供与激光照射的区域相关的信息。这个后一种 配置可以更敏感，并且当预期在样品的较大区域上均匀地发生小位移时可能 是有利的。或者，漫射照射可以用作初步分析并且激光照射用作随后更详细 的分析。
图12B从前透视图示出了图12A的检查装置1200，使得有可能使布置 的窗口1218可视化，使得辐射可以离开并进入检查装置1200。具体地说， 用于收集衍射激光束的窗口被识别为1218A，用于收集图像的窗口被识别为 波长图1218B，用于使漫射辐射离开装置的窗口被识别为1218C，并且用于 使激光束离开装置的窗口被识别为1218D。
图14A和图14B中示出了检查装置1200的组件的替代的、更紧凑的布 置。图14A是处于更紧凑的配置下的装置1200的这个变型的前透视图，并 且图14B是后透视图。关于合并到示例性紧凑检查装置配置中的特定元件和 操作原理，这个示例性变型基本上等同于图12A和图12B中所示的检查装 置1200。因此，相应组件的编号一致。然而，为了最小化所利用的空间，两 个光源布置成一个在另一个上面。具体地说，灯1250表示在激光发射器1220的顶部，然而，可以了解，源1250和1220也可以具有相反的布置。使激光 器在底部的一个优点是它与激光检测系统处于同一水平面，因此如果检测器 位于同一平面上，则更容易收集光束并将光束引导至检测器。然而，可以了 解，如果光源不是正好在与检测器相同的平面上，则用于将光束引导至检测 系统的额外组件可以易于合并到检查装置中。另外，还将图14A至图14B 示出的检查装置1200的示例性配置示出为具有电池1219作为电源。
尽管在图12A至图14B中以高级(例如，简化)形式示出了示例性实施方 案，但是根据一个或多个实施方案，检查装置可以被配置为具有更基本的配 置。如先前所指出，检查装置可以仅包括一个光源(例如，1220或1250)和对 于的检测组件，并且不一定同时需要两种类型的源，因为系统中的每一个可 以独立地用于提供关于扰动的定量信息。此外，在不脱离公开的实施方案的 范围的情况下，可以移除光学元件中的一个或多个，诸如镜子和透镜。
然而，存在其他可能的实施方案，其被配置为实现用于检测的不同系统 和方法，这对于某些实际应用可能是有利的。具体地说，收集衍射激光辐射 并将它们引导到简单地测量强度的检测器的一个示例性替代选项是收集一 个以上衍射光束并利用透镜或透镜系统将衍射光束聚焦在检测器上。图15A 和图15B中示出了具有这种配置的示例性检查装置1500的高级图。具体地 说，图15A是检查装置1500的俯视图，并且图15B是前透视图。
检查装置的这种特定配置通常类似于关于图12A至图14B描述的配置。 然而，额外特征是设置在两个入射激光束1590和1595的路径上的两个透镜 1511和1513的存在。在这个配置中，两个光束都由透镜1511收集，透镜 1511减少其发散或如果可能的话还可以产生某一会聚程度。然后两个光束被 镜子1512反射通过另一透镜1513。取决于光束的初始发散和透镜1511的焦 度，透镜1513可能是必要的或不是必要的。额外透镜1513的目的(如果没有经由透镜1511实现的话)是将两个光束聚焦在光电二极管1514的敏感部件 上，光电二极管1514将辐射的强度变换为电流。
在光子材料变形的情况下，应该损害光束在光电二极管上的会聚。具体 地说，如果1590和1595的发散发生变化，则两个光束的焦点或交叉点将出 现在光电二极管之前或之后。这将导致光电二极管1514产生的电流的强度 变化。因此，经由校准，耦合至光电二极管的处理器1516可以被配置用来 将样品材料上的变形大小与在光电二极管处测量的给定强度变化相关联。由 处理器1516(其通过执行分析软件程序而配置)执行以将强度变换为变形大小 的步骤的概述可以包括：基于两个衍射激光束在光电二极管上的焦点计算光 束的衍射角以及光束在透镜1511的位置处的明确的发散角。使用方程(1)和 衍射角，配置的处理器可以接着计算造成这个计算出的衍射角的周期间距。
因此，由扰动引起的光栅的周期性的变化将导致检测器上的强度变化。 由光电二极管产生的电流强度(与辐射强度成比例)可以转换为电压，并且电 压可以由处理器单元1516处理，以通过将其与在正常条件下收集的强度进 行比较来产生材料上的变形值。处理器执行的计算如前一段落所描述。然后 可以将来自处理器的这个信息发送到显示器1517，显示器1517显示与扰动 相关的定量信息。
在图15A和图15B中，有两个透镜和一个镜子，如上所述，所述透镜 和镜子对于检查装置1500的操作并不总是必需的。然而，也可以存在更多 数量的透镜和镜子来实现相同的功能，并且在某些情况下，以更有效的方式。 例如，如果两个激光束的发散非常高，则可能需要更多的透镜以便将光束聚 焦在检测器1514上。出于同样的原因，可能仅需要更多的镜子来增加装置 内部的激光束的光学路径以便实现期望的会聚。或者，如果为了最小化空间 并优化装置内的不同元件的位置，则检测器可能处于难以到达的位置或隐藏 在另一元件后面。出于这个原因，可能需要更多的镜子来使一个或多个光束 到达检测器或期望的元件。
另外，示例性检查装置的替代配置可以在执行的扰动的测量中提供更多 自由度和更高的维度水平。由于光子材料，例如先前描述的示例性复合结构， 可以被配置为具有变化的维度(例如，一维、二维或三维光栅)，检查装置也 可以被配置用来检测并呈现更高的维度。例如，如果光子材料由二维晶格组 成，则检查装置可以被配置用来不仅在一个平面上而且在两个平面上检测衍 射角的变化。在这样的配置中，衍射激光器(例如，图12的光束1290)可以 相对于检测器侧向移动，并且还可以根据扰动垂直地移动。在这种情况下，衍射光束的角度变化将不仅在装置的平面上被分析，而且还在垂直于装置平 面的平面上被分析。因此，该装置将呈现镜子、透镜和检测器设置，以接收 垂直于图13A和图16A的平面对准的光束、对其起作用并进行分析。因此， 检查装置可以被配置以便检测衍射激光的这种二维移动。更具体地说，在一 些实施方式中，检查装置的检测器1214可以包括平面的CCD阵列组，例如， 一个在另一个上面，或者以任何其他二维感测布置。系统的图将大体上类似于图12中的系统(并且也类似于例如图14A或图15A的检查装置)，唯一的 区别在于由于检测器的特定设计的变化，装置的敏感度将增强。因此，检查 装置将不仅能够检测变形的存在并量化变形，而且还能够通过根据上述装置 和光子结构的二维配置测量沿两个不同方向的位移来定义这种变形的各向 异性形状或方向性。
此外，为了将检查装置用于三维光子系统，诸如关于例如图8A至图10 描述的光子晶体，检查装置可以被配置用来经由不同的窗口同时捕获和分析 多条衍射线并检测衍射角变化。根据考虑的三维晶格或光子晶体的特定结构 而定义窗口相对于检查光束的相对位置。例如，具有光子带隙的三维光子结 构将沿由不同晶格平面确定的不同方向产生允带和禁带的衍射图案。因此， 将有可能监测沿某一方向的特定波长的辐射的不存在或减少。例如，考虑具 有面心立方(fcc)晶格的3D蛋白石，如果晶格的质量非常高，则这将产生一组光子阻带或带隙。这些阻带或带隙中很少会比其他阻带或带隙更强烈，并 且可以以彼此差异不太大的角度被收集。具体地说，对应于具有米勒指数(例 如，111、220和200)的晶格平面的阻带可以全部被装置收集(如上所述)并监 测。因此，如果沿特定方向存在对应于特定阻带的强度增加，则这将指示相 应晶格平面之间的间距已经改变。此外，如果阻带的移动可以由2D检测器 (诸如两个或更多个CCD阵列)监测，则这还将指示晶格位移是否处于压缩或 延伸中。根据独立地监测不同阻带或带隙的移动(角度和强度)的这种可能性， 这个分析将提供关于沿着所分析的不同方向在晶格内部发生的变形的各向 异性的多维信息(与所分析的阻带数目一样多的维数)。
尽管如上所述这个方法也将在没有荧光团的情况下起作用，但是荧光团 的存在将极大地简化测量。在存在一种或多种荧光团的情况下，入射辐射可 以靶向荧光团的光学激发，使得可以对荧光团的发射执行分析。在这种情况 下，荧光团的发射将在激发方向上独立地在所有方向上各向同性地照射。然 而，其强度将因沿着由晶格常数或不同平面和一种或多种荧光团的波长或发 射确定的特定方向存在阻带或带隙而显着降低。因此，通过用这种方式符合 装置使得其监测沿着那些方向中的任一者或全部不存在强度，将有可能通过 监测强度变化来确定位移的存在。因此，这将提供多维(与所分析的阻带一 样多的维数)材料变形以及确定一个或多个或包括在系统中的材料的折射率 或发射性质的变化的任何变化的各向异性分析。这些变化可以是，例如且不 限于，温度变化、化学吸收、功能化、磁场的存在、暴露于其他类型的辐射。
图16和图17中表示了本发明的公开的实施方案的两个其他实际实现方 式。这些示例性检查装置与先前描述的检查装置之间的主要区别在于移动光 源的能力。在图16中，光源可以是漫射辐射源1701或激光器1704，或同时 是两者。这种源附接到可移动臂1703，可移动臂1703可以在另一臂1702 上滑动，以便调节它与装置主体的距离，在这个图中该装置主体表示为圆柱 形。臂1702可以围绕装置旋转，并且通过放置在装置周围的栏杆系统1601 保持在适当位置。由源1704发射的辐射指示为1705，辐射1705从材料衍射 并且遵循由虚线1705描绘的可能路径被发送到装置中。这种辐射将从窗口 1706进入装置并且可能被一个或多个镜子1707反射以到达检测器1708。即 使在这种情况下，镜子的存在也不是必须的，但是它可以促进装置的架构的 优化。1709是处理器，并且1710是用于数据和结果的可视化的触摸屏或简 单屏幕。使相机相对于传感器移动的优点是其使得易于从不同方向收集辐射 以及因此监测不同的衍射条件(针对2维光子材料)或不同的阻带/带隙(针对3维光子材料)。即使在这种情况下，如果光源被漫射，则可以放置在窗口1706 附近的相机传感器将监测在每个点处衍射的波长的变化，而如果光源是激光 器，则不存在和存在辐射或者辐射强度将提供关于材料位移的信息。
在图17中，利用的原理是相同的，主要区别在于这个实施方案集中在 用户界面上。整个系统可以在类似于这里表示的平板的装置上调适和微型 化。虚线1806表示相对于当前视图在相对侧的装置上的触摸屏。这里出现 在图的顶部的装置的背侧包括可移动臂上的光源1802和1808，可移动臂可 以围绕某个斑点按圆圈旋转。这个斑点不一定在装置的中心，但可以更方便 地定位。光源也可以沿着可移动臂1801滑动，使得光源可以放置在圆形区 域1805上任何地方并且因此覆盖几个衍射角。旋转臂可以围绕圆形支撑件 1803移动。在辐射源是激光器1802的情况下，光束的可能路径中的一个由 虚线描绘：光束被光子材料反射和衍射并且朝装置的窗口1804重新引导， 窗口1804可以是检测器本身的敏感元件，或让光束穿过到达检测器或到达 如先前实施方案中所示的一个或多个镜子的窗口。如果利用漫射光源，则将 通过相机传感器1804来分析衍射图案的图像。应注意，元件1804可以是相 机传感器，或光电检测器，或两者，或者是让辐射穿过，使得辐射可以直接 或通过一组镜子或其他光学元件到达适当的敏感元件的窗口。
此时，应当注意，尽管前面的描述中的大部分已经涉及用于提供复合结 构的系统和方法，但是本文中公开的系统和方法可以在远远超出参考情况的 情况、情形和设置中类似地部署和/或实现。
还应了解，可以执行比附图中示出且描述的更多或更少的操作。这些操 作也可以按与所描述的不同的次序来执行。应当理解，附图中相同的数字在 若干附图中表示相同元件，并且并非所有实施方案或布置都需要参考附图描 述和示出的所有组件和/或步骤。
因此，本系统和方法的说明性实施方案和布置提供了用于无线地配置现 场装置的系统和计算机实现的方法、计算机系统和计算机程序产品。附图中 的流程图和框图示出了根据各种实施方案和布置的系统、方法和计算机程序 产品的可能实现方式的架构、功能性和操作。就此而言，流程图或框图中的 每个方框均可表示代码的模块、片段或部分，所述代码包括用于实现指定逻 辑功能的一个或多个可执行指令。还应注意，在一些替代性实现方式中，方 框中指出的功能可按照附图中指出的次序以外的次序发生。例如，连续示出 的两个方框实际上可以大致同时执行，或者所述方框有时可以按相反的次序 执行，这取决于所涉及的功能性。还应注意，框图和/或流程图图示中的每个 方框，以及框图和/或流程图图示中的方框的组合可由执行指定功能或动作的 基于专用硬件的系统、或者专用硬件和计算机指令的组合来实现。
本文中使用的术语仅用于描述特定实施方案的目的，而且并不意在限制 本公开。如本文所使用，除非上下文另外明确地指出，否则单数形式“一”和 “所述”意在同样包括复数形式。将进一步理解，当在本说明书中使用时，术 语“包括”规定存在所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是 不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和 /或其组。
而且，本文所使用的措辞和术语是出于描述的目的并且不应被视为限制 性的。本文中对“包含”、“包括”或“具有”、“含有”、“涉及”及其变型的使用 旨在涵盖其后所列项及其等价物以及额外项。
上述主题仅通过说明的方式提供，而不应被解释为限制性的。在无需遵 循所示出和所描述的示例性实施方案和应用的情况下并且在不脱离以下权 利要求中阐述的本公开的真实精神和范围的情况下，可以对本文所描述的主 题进行各种修改和改变。

Claims (26)

1.一种复合光子结构，所述复合光子结构包括：
一个或多个结构材料层；
衍射光栅，所述衍射光栅与所述一个或多个结构材料层对准，所述光栅包括被布置成在至少一个维度上具有周期性的多个特征；以及
荧光团材料，所述荧光团材料设置在所述复合结构内。
2.如权利要求1所述的结构，其中所述光栅是以下中的一个或多个：
一种或多种光栅材料的离散层，所述离散层设置在所述一个或多个结构材料层的整个表面上方，并且
由所述一个或多个结构材料层的表面限定，并且其中所述结构材料是非金属材料。
3.如权利要求2所述的结构，其中所述光栅在所述一个或多个结构材料层中的至少一层的顶表面和底表面中的一个或多个上方延伸。
4.如权利要求2所述的结构，其中所述光栅层将两个结构材料层分开。
5.如权利要求1所述的结构，其中所述光栅的所述多个特征被布置成在至少两个维度上具有周期性。
6.如权利要求1所述的结构，其中所述荧光团是由具有第一波长的辐射激发并且在激发后发射具有第二波长的辐射的类型，并且其中所述一个或多个结构材料层和所述光栅能至少部分透过具有所述第一波长和所述第二波长的辐射。
7.如权利要求6所述的结构，其中所述荧光团作为以下中的一者合并到所述结构中：包括至少所述荧光团材料的单独的材料层，以及嵌入在所述一个或多个结构材料层中的至少一层内的区域中的掺杂剂或纳米材料。
8.如权利要求7所述的结构，其中所述荧光团材料布置在所述复合结构内以在至少一个维度上具有一致的周期性。
9.如权利要求7所述的结构，其中所述荧光团材料在所述复合结构的整个横截面区域中延伸。
10.如权利要求6所述的结构，所述结构进一步包括：
第一组细长杆，所述第一组细长杆包括嵌入在所述一个或多个结构材料层内的所述荧光团材料，其中所述第一组中的所述杆彼此平行地定向并且间隔开以在至少一个维度上具有一致的周期性。
11.如权利要求10所述的结构，所述结构进一步包括：
第二组细长杆，所述第二组细长杆包括嵌入在所述一个或多个结构材料层内的所述荧光团材料，其中所述第二组中的所述杆彼此平行地定向并且间隔开以在至少一个维度上具有一致的周期性，并且其中所述第二组杆定向成垂直于所述第一组杆。
12.如权利要求6所述的结构，其中所述光栅是一种或多种光栅材料的层并且其中所述荧光团材料提供在所述光栅层内。
13.如权利要求6所述的结构，其中荧光团层布置在所述一个或多个结构材料层之间，从而将两个结构材料层分开。
14.如权利要求6所述的结构，其中所述荧光团材料是荧光团作为掺杂剂和纳米材料中的一个或多个嵌入在所述结构材料内。
15.如权利要求1所述的结构，其中所述光栅特征具有由第一值定义的周期性，并且其中所述第一值是根据在所述复合结构的使用期间被检测到的扰动的大小来定义。
16.一种复合光子结构，包括：
一个或多个结构材料层；
光子晶体，其与所述一个或多个结构材料层对准，所述光子晶体包括多个周期性布置的特征。
17.如权利要求16所述的复合光子结构，其中，所述光子晶体在一个维度上是周期性的。
18.如权利要求17所述的复合光子结构，其中，具有一维周期性的光子晶体选自由光纤布拉格光栅、光子晶体光纤布拉格光栅构成的组。
19.如权利要求16所述的复合光子结构，其中，所述光子晶体在二个维度上是周期性的。
20.如权利要求19所述的复合光子结构，其中，具有二维周期性的光子晶体选自由衍射光栅、周期性地分布在所述结构材料的表面上的单层颗粒、设置在所述结构材料内并以二维布置的周期性分布空隙以及在所述结构材料内并以二维布置的周期性分布折射材料构成的组，所述折射材料的折射率与所述结构材料的折射率不同。
21.如权利要求20所述的复合光子结构，其中，所述光子晶体在三个维度上是周期性的。
22.如权利要求21所述的复合光子结构，其中，具有三维周期性的光子晶体选自由蛋白石和配置为产生折射率调制的周期性分布晶体材料构成的组。
23.如权利要求16所述的复合光子结构，其中，所述光子晶体包括分布在所述结构材料内以形成周期性晶格的材料棒。
24.如权利要求16所述的复合光子结构，其中，所述光子晶体包括分布在所述结构材料内以形成周期性晶格的材料棒。
25.如权利要求16所述的复合光子结构，其中，所述光子晶体包括三维周期性分布珠子，从而形成晶格。
26.如权利要求16所述的复合光子结构，还包括设置在所述复合结构内的荧光团材料。
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