CN113899717B - 一种基于一维光子晶体缺陷模特性的空气湿度测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于一维光子晶体缺陷模特性的空气湿度测量方法，步骤1：将由介质A、介质B或者介质B、介质A交替排列N层的无缺陷的光子晶体中间一层的介质替换为介质C，形成缺陷光子晶体，N取大于5的奇数；步骤2：在不同环境湿度下，通过改变入射光中心频率，将入射光垂直入射缺陷光子晶体，获取透射系数缺陷峰对应的入射光中心频率，以及相应湿度与中心频率之间的对应关系；步骤3：通过测量入射光缺陷峰强度和中心频率，根据相应湿度与中心频率之间的对应关系反演出当前环境下的湿度。本发明测量精度高，检测范围广，材料获取简单，能够在保证精度的情况下，降低生产成本。

Description

一种基于一维光子晶体缺陷模特性的空气湿度测量方法
技术领域
本发明涉及一种基于一维光子晶体缺陷模特性的空气湿度测量方法，属于湿度测量技术领域。
背景技术
湿度对人体舒适度有着重要影响，并且湿度的测量在某些极端环境或某些科研条件要求下，显得尤为重要，这就要求能够设计一种灵敏且能够适应各种环境的湿度传感器。
传统湿度传感器是基于电容和电阻的特性进行设计的，当传统湿度传感器处于强电场或强磁场条件下时，传统湿度传感器的测量精度将会受到严重的影响。
为了改善传统湿度传感器对于环境要求高且能量损耗大等问题，本领域技术人员急需要设计一种新的空气湿度测量方法。
发明内容
目的：为了克服现有技术中存在的传统湿度传感器对于环境要求高且能量损耗大等问题，本发明提供一种基于一维光子晶体缺陷模特性的空气湿度测量方法，采用折射率和介电常数之间的关系为基理来设计一维光子晶体缺陷模，利用一维光子晶体缺陷模拟合出一个中心频率下环境湿度和透射系数的函数关系，通过透射系数反演环境湿度，为之后的改进和实际应用奠定一定的理论基础。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种基于一维光子晶体缺陷模特性的空气湿度测量方法，包括如下步骤：
步骤1：将由介质A、介质B或者介质B、介质A交替排列N层的无缺陷的光子晶体中间一层的介质替换为介质C，形成缺陷光子晶体，N取大于5的奇数。
步骤2：将缺陷光子晶体中的介质A、介质B的光学厚度均设置为λ0/4，介质C光学厚度设置为λ0/2，λ0表示入射光的中心波长，在不同环境湿度下，通过改变入射光中心频率，将入射光垂直入射缺陷光子晶体，获取透射系数缺陷峰对应的入射光中心频率，以及相应湿度与中心频率之间的对应关系。
步骤3：通过测量入射光缺陷峰强度和中心频率，根据相应湿度与中心频率之间的对应关系反演出当前环境下的湿度。
作为优选方案，介质A采用罗杰斯5880的微波电路基片，介质B采用罗杰斯6010的微波电路基片。
作为优选方案，介质A采用氧化铝，介质B采用氮化铝。
作为优选方案，入射光的中心波长λ0设置为800nm。
作为优选方案，介质C采用二氧化硅。
作为优选方案，入射光频率变化范围设置为3.16×1014Hz到5×1014Hz。
作为优选方案，透射系数采用传输矩阵法进行计算。
作为优选方案，缺陷光子晶体设置为(AB)4C(BA)4、或者(BA)4C(AB)4。
有益效果：本发明提供的一种基于一维光子晶体缺陷模特性的空气湿度测量方法，利用传输矩阵法模拟环境湿度变化与缺陷微波光子晶体缺陷峰之间的关系。结果表明随着环境湿度的增加，缺陷峰对应中心频率在不断减小。通过缺陷光子晶体传输矩阵算法求解出透射系数，找到湿度与中心频率之间的关系，通过测量入射光波缺陷透射峰的强度与中心频率位置即可反演出当前环境下的湿度。
基于传输矩阵法，利用折射率和介电常数之间的关系为基理来设计一维光子晶体缺陷模。利用一维光子晶体缺陷模导出一个中心频率下折射率和透射系数的函数关系。根据湿度对应的光的折射率的数值关系，得出透射系数与湿度直接的对应关系。接着将数值关系的文本文件导入origin绘图软件，得到透射系数和湿度的函数曲线图。然后使用MATLAB软件将数学曲线拟合成数学表达式，以函数关系为基理设计一个湿度传感器。
本发明提高了测量的精度，并且在恶劣环境下也能实现测量。与其他利用光子晶体设计湿度传感器相比，本设计的优点在于，材料获取简单，缺陷材料选择二氧化硅，能够在保证精度的情况下，降低生产成本。另外，现有技术的湿度检测范围只达到了20％RH-90％RH，并没有实现0％RH-100％RH的检测范围，本发明的检测范围达到了0％RH-100％RH，实现了宽动态的优点。
附图说明
图1缺陷态光子晶体构成模型示意图。
图2不同掺杂方式缺陷态光子晶体透射谱。
图3缩小观测区间缺陷态光子晶体缺陷峰偏移曲线图。
图4湿度与频率的曲线图。
图5一维缺陷光子晶体透射系数测量模型。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明。
本发明涉及一种基于一维光子晶体缺陷模特性的空气湿度测量方法，包括如下步骤：
步骤1：将由介质A、介质B或者介质B、介质A交替排列N层的无缺陷的光子晶体中间一层的介质替换为介质C，形成缺陷光子晶体，N取大于5的奇数。
步骤2：将缺陷光子晶体中的介质A、介质B的光学厚度均设置为λ0/4，介质C光学厚度设置为λ0/2，λ0表示入射光的中心波长，在不同环境湿度下，通过改变入射光中心频率，将入射光垂直入射缺陷光子晶体，获取透射系数缺陷峰对应的入射光中心频率，以及相应湿度与中心频率之间的对应关系。
步骤3：通过测量入射光缺陷峰强度和中心频率，根据相应湿度与中心频率之间的对应关系反演出当前环境下的湿度。
如图1所示，构建一维光子晶体缺陷模，一种是在周期性光子晶体(AB)N中间位置插入与介质材料A和介质材料B折射率不同的材料C，其结构可以用(AB)NC(AB)N，如下图1(a)所示。按照此种方式构造缺陷态光子晶体，能够发现缺陷层材料C两侧介质折射率不同。
另一种构造方式是用缺陷材料C替换周期性光子晶体(AB)NA中的中间一层的介质，可以表示为(AB)NC(BA)N，如下图1(b)所示，可以发现通过替换式构造的缺陷态光子晶体缺陷层材料C两侧介质的折射率相同。
选取光子晶体层数为十六层，排列形式为(ABABABABABABABAB)。材料A选择折射率为nA＝1.48的罗杰斯5880的微波电路基片，材料B选择nB＝3.19的罗杰斯6010的微波电路基片。材料A、材料B选择入射光中心波长为800nm，两种材料的光学厚度相同，均为λ0/4，λ0表示入射光中心波长，入射光垂直入射光子晶体。将第八层材料B后插入折射率为nC＝1.76的材料C，材料C的光学厚度为λ0/2,选取中心波长为800nm，排列形式为(ABABABABCABABABAB)，插入后的缺陷光子晶体透射光谱如下图2(a)所示。
另选取光子晶体层数为十七层，排列形式为(ABABABABABABABABA)以替换式的方式，在第九层介质A替换为缺陷材料C，材料C的光学厚度和插入式中的材料C相同，选取中心波长为800nm，排列形式为(ABABABABCBABABABA)，入射光垂直入射光子晶体，替换后的缺陷光子晶体透射光谱如下图2(b)所示。通过数据记录，替换式缺陷模透射光谱的透射系数为0.96，而插入式缺陷模光谱的透射系数为0.92。为了能够更好的检测缺陷峰，在本发明传感器设计中应该选择以替换式的方式设计缺陷光子晶体。
根据选定的材料A，材料B和材料C，并且得到材料C在光学波段折射率与湿度的变化关系，当入射光的频率在3.16×1014Hz到5×1014Hz时，能够得到湿度与折射率具体的数值关系，所以选定材料A、B、C的中心频率为3.75×1014Hz，材料A和材料B的光学厚度都为0.25λ0，材料C的光学厚度为λ0/2。
实施例1：
本发明选择替换式的方法设计缺陷态光子晶体，缺陷峰透射系数更高，便于被光谱仪检测。以前文对缺陷层两侧介质的排列层数研究为基础，考虑光子晶体对光波的抑制作用和传感器精度，虽然品质因子稍低，但考虑到实际应用中光强可能会随时发生改变，选择以缺陷层两侧介质排列层数为9来构建缺陷态光子晶体。在实验中确定两种方案，第一种方案选择罗杰斯5880作为材料A，材料A的折射率为1.48，罗杰斯6010作为材料B，材料B的折射率为3.19。罗杰斯5880是一种介电损耗极低，同时的吸湿率仅在0.02％，同样罗杰斯6010也是一种高介电常数低吸湿性的材料，吸湿率也仅仅在0.05％。第二种方案选择氧化铝(AI2O3)作为材料A，氮化铝(AIN)作为材料B。氮化铝材料的折射率为2.93，吸水率为0，且介电损耗极小，损耗等级在10-4。氧化铝折射率为1.76,介电损耗的量级与氮化铝相同。光波入射材料A和材料B的折射率与环境中湿度变化基本无关，材料C选择的是湿敏性材料二氧化硅。二氧化硅不仅具有大的表面体积比，而且还具有独特且良好的光学湿敏特性，即二氧化硅的折射率会随着环境湿度的变化而变化，光学波段的光入射二氧化硅时折射率随湿度变化会产生较大的变化，并且二氧化硅不会随着湿度的变化而产生形变。当入射光的频率在3.16×1014Hz到5×1014Hz时，相对湿度从0变化到100区间内，折射率会从1.3770变化至1.4419，二氧化硅折射率随湿度的变化，具体数据是通过将曲线导入origin中网格化后对比点得到的。网格化后得到的数值关系如表1所示。虽然材料A和材料B的折射率也会有细微的变化，但是与材料C相比构成的影响就可以忽略不计。通常情况下构造缺陷态光子晶体有两种研究观察方式，第一种是通过观察光子晶体缺陷峰的峰值变化，光子晶体缺陷峰峰值产生变化的原因是光子晶体缺陷层材料存在损耗，一般用这种方式来测量某种材料的损耗因数与光子晶体缺陷峰的关系。第二种观察方式是通过观察光子晶体缺陷峰的偏移，在缺陷层材料折射率发生变化的情况下会导致光子晶体缺陷峰偏移。在构建缺陷态光子晶体时材料A和材料B需要满足nA×dA＝λ0/4；(以材料A为例)这个公式，其中nA表示折射率，dA表示光子晶体厚度。缺陷层材料C则需要满足nc×dc＝λ0/2；只有材料C满足此公式才能够形成谐振腔模式，才能够在理论上产生缺陷透射峰。前文提到缺陷态光子晶体会产生光子带隙和光子局域，并且在光子局域中会产生一个与中心频率相对应的缺陷能级，也就是说在中心频率处信号会隧穿光子晶体结构，形成缺陷透射峰。在光子晶体构建完成后，材料的厚度就不能够再产生变化，所以当时湿度改变时，此时原有的厚度频率将不再满足现有公式，光子晶体的中心频率也会发生变化，也就是说光子晶体缺陷峰会产生偏移。在实验中可以通过检测缺陷峰偏移量的大小，即可测定当前环境的湿度。
为了解决观测区间不明显的问题，实验的下一步中缩短了入射光的频率区间，将入射光的频率区间从0HZ到8×1014Hz缩小为3.6×1014Hz到3.9×1014Hz，更接近于中心频率，继续观察光子禁带中缺陷峰的偏移，如图3-(a)和3-(b)所示。从图3两图中就可以较为清晰的观察到光子禁带缺陷峰的偏移，并且与前文提到的假设相吻合。由于折射率增大导致波长变大，缺陷峰向低频方向偏移，最右侧的曲线是相对湿度为0时入射光的透射系数图，最左侧的曲线是相对湿度为100时入射光的透射系数。中间的每条曲线都代表相对湿度不同时透射系数图。
从图3中已经得到了缺陷峰偏移和频率的关系时，找到每一条曲线缺陷峰峰值对应的中心频率。
方案一和方案二的湿度与中心频率的数值对应表如下表2(a)和表2(b)所示。
表1二氧化硅湿度与折射率数值关系表
Figure BDA0003297621330000051
Figure BDA0003297621330000061
表2不同方案湿度与频率数值对应关系表
(a)方案一
Figure BDA0003297621330000062
(b)方案二
Figure BDA0003297621330000063
两种方案的湿度与中心频率的对应关系如图4-(a)和图4-(b)所示，可以看到随着湿度的增加，缺陷峰对应中心频率在不断减小。通过对两种方案的对比，由上文对于品质因子Q值的介绍，
Figure BDA0003297621330000064
可以发现得到方案一品质因子Q值远高于方案二，利用方案一设计湿度传感器特性更好。我们在设计光子晶体传感器时，非缺陷层材料应选择折射率相差较大的，同时介质周期层数在考虑光的抑制作用时也应更多。
为了获得缺陷透射峰频率的偏移量和峰值与被测缺陷等离子体参数之间的关系，采用了传输矩阵方法模拟了等离子体缺陷微波光子晶体的透射谱。针对一维多层介质结构，单层介质的传输矩阵可以表示为：
Figure BDA0003297621330000071
式中，
Figure BDA0003297621330000072
其中，di为第i层材料的厚度，/>
Figure BDA0003297621330000073
分别为第i层材料的阻抗率和导纳率，其定义为/>
Figure BDA0003297621330000074
εi(ω)为第i层材料的复介电常数，这里假定每层材料都是无磁性的，即/>
Figure BDA0003297621330000075
μ0为真空磁导率；然后，针对所设计的一维等离子体缺陷微波光子晶体多层介质结构，其传输矩阵可以由每个材料层的传输矩阵级联相乘得到：
Figure BDA0003297621330000076
式中，Q表示多层介质结构的层数，X11(ω)、X12(ω)、X21(ω)、X22(ω)分别表示级联矩阵各个元素；利用(2)式，可以推导出一维等离子体缺陷微波光子晶体的透射系数：
Figure BDA0003297621330000077
Figure BDA0003297621330000078
表示角频率ω在真空中的波数。
光子晶体实验测量模型如下图5所示，测量模型左端装置发射一个光学波段的光波，经过中间的缺陷光子晶体后，光波到达右段接收装置。通过缺陷光子晶体传输矩阵算法求解出透射系数，找到湿度与中心频率之间的关系，通过测量入射光缺陷峰强度和中心频率即可反演出当前环境下的湿度。
以上所述仅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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于一维光子晶体缺陷模特性的空气湿度测量方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：将由介质A、介质B或者介质B、介质A交替排列N层的无缺陷的光子晶体中间一层的介质替换为介质C，形成缺陷光子晶体，N取大于5的奇数；
步骤2：将缺陷光子晶体中的介质A、介质B的光学厚度均设置为
Figure QLYQS_1
，介质C光学厚度设置为/>
Figure QLYQS_2
，/>
Figure QLYQS_3
表示入射光的中心波长，在不同环境湿度下，通过改变入射光中心频率，将入射光垂直入射缺陷光子晶体，获取透射系数缺陷峰对应的入射光中心频率，以及相应湿度与透射系数缺陷峰对应的入射光中心频率之间的对应关系；
步骤3：通过测量入射光缺陷峰强度和透射系数缺陷峰对应的入射光中心频率，根据相应湿度与透射系数缺陷峰对应的入射光中心频率之间的对应关系反演出当前环境下的湿度；
所述介质A采用氧化铝，介质B采用氮化铝；
所述介质C采用二氧化硅。
2.根据权利要求1所述的一种基于一维光子晶体缺陷模特性的空气湿度测量方法，其特征在于：介质A采用罗杰斯5880的微波电路基片，介质B采用罗杰斯6010的微波电路基片。
3.根据权利要求1所述的一种基于一维光子晶体缺陷模特性的空气湿度测量方法，其特征在于：入射光的中心波长
Figure QLYQS_4
设置为800nm。
4.根据权利要求1所述的一种基于一维光子晶体缺陷模特性的空气湿度测量方法，其特征在于：入射光频率变化范围设置为3.16×1014Hz到5×1014Hz。
5.根据权利要求1所述的一种基于一维光子晶体缺陷模特性的空气湿度测量方法，其特征在于：透射系数采用传输矩阵法进行计算。
6.根据权利要求1所述的一种基于一维光子晶体缺陷模特性的空气湿度测量方法，其特征在于：缺陷光子晶体设置为(AB)4C(BA)4、或者(BA)4C(AB)4。
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