CN105784196A - 基于双层光子晶体薄膜的反射式温度传感探头 - Google Patents

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Abstract

基于双层光子晶体薄膜的反射式温度传感探头，涉及温度传感技术领域。为了解决传统传感器无法串行工作、抗干扰能力差，光纤传感器的灵敏度和精度低的问题。毛细石英管套固在光纤的一端，双层光子晶体薄膜固定在毛细石英管的端面上，双层光子晶体薄膜的轴线、光纤的轴线和毛细石英管的轴线均重合，双层光子晶体薄膜上分布有空气孔，空气孔围绕双层光子晶体薄膜的轴线呈正多边形、圆形或长方形周期性分布，所述空气孔为哑铃形，空气孔的孔深方向为光纤的轴向方向。本发明灵敏度高、精度高、复用能力强、抗干扰能力强，适用于温度传感。

Description

基于双层光子晶体薄膜的反射式温度传感探头
技术领域
本发明涉及温度传感技术领域，具体涉及基于双层光子晶体薄膜的温度传感探头。
背景技术
近几十年来，在航空航天领域，不断进步的飞行器技术以及严酷复杂的应用环境，使得传统的电子和机电传感器渐渐无法满足实际测量的需求。传统的电子测温传感***虽然可以达到高精度的测量，但是无法串行工作，难以全面大规模的表征航天器性能，无法***完善地监控航天器整体的温度分布，同时空间站恶劣的电磁射线对铂电阻温度传感器产生极大干扰，新型高灵敏度抗辐射干扰的光学传感器的研发需求迫切。
与传统的机电或电子传感器相比，光纤传感器具有体积小、重量轻、复用能力强、抗电磁干扰等优点，更符合现代传感器技术的需求，特别是在航空航天领域的极端应用环境下，光纤传感器的独特优势更加明显。但是光纤传感器(如布拉格光栅、长周期光纤光栅和F-P光栅传感器)的灵敏度和精度低。
发明内容
本发明的目的是为了解决传统传感器无法串行工作、抗干扰能力差，光纤传感器的灵敏度和精度低的问题，从而提供基于双层光子晶体薄膜的反射式温度传感探头。
本发明所述的基于双层光子晶体薄膜的反射式温度传感探头，包括双层光子晶体薄膜、光纤和毛细石英管；
毛细石英管套固在光纤的一端，双层光子晶体薄膜固定在毛细石英管的端面上，双层光子晶体薄膜的轴线、光纤的轴线和毛细石英管的轴线均重合，双层光子晶体薄膜上分布有空气孔，空气孔围绕双层光子晶体薄膜的轴线呈正多边形、圆形或长方形周期性分布，所述空气孔为哑铃形，空气孔的孔深方向为光纤的轴向方向。
本发明的基于双层光子晶体薄膜的反射式温度传感探头的原理为：
温度变化时，基于光子晶体的热膨胀效应和热光效应，介质的折射率有如下变化：
Δn＝ηΔT
式中，Δn为介质的折射率变化量，ΔT为温度变化量，η为热光系数，
由以上关系可得，温度变化后的介质折射率n为：
n＝n0+Δn
n0为温度变化前的介质折射率，温度变化后光子晶体的反射峰值随着温度变化。
信号光通过光纤传入双层光子晶体薄膜，被光子晶体薄膜反射。当外界温度发生变化时，基于光子晶体的热膨胀效应和热光效应，反射光的中心波长随着温度变化发生移位。光纤输出的光耦合进光谱仪，通过光谱仪观测波长的峰位实现对温度的监控。
利用光子晶体的光子带隙特征和对光子限制这两大特性，通过合理的设计，可以得到工作在特定波段的双层光子晶体薄膜。双层光子晶体薄膜配合光纤制成的反射式温度传感探头，相比于布拉格光栅、长周期光纤光栅和F-P光栅传感器具有灵敏度高、精度高等优点，同时具有复用能力强、抗干扰能力强的优点。本发明的双层光子晶体薄膜的反射光谱共振峰漂移达到了0.1nm/℃，配合分辨率为0.002nm的高分辨率光谱仪，其温度分辨率可以达到0.02℃。
附图说明
图1是具体实施方式一所述的基于双层光子晶体薄膜的反射式温度传感探头的结构示意图；
图2是具体实施方式一中的双层光子晶体薄膜的横截面示意图；
图3是将具体实施方式一所述的基于双层光子晶体薄膜的反射式温度传感探头应用于空间温度场进行分布测量的示意图；4为环形器，5为基于双层光子晶体薄膜的反射式温度传感探头；
图4是具体实施方式八中的使用MATLAB软件仿真计算的硅材料的双层光子晶体薄膜当温度为-100℃、0℃和100℃时的反射谱。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图3具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于双层光子晶体薄膜的反射式温度传感探头，包括双层光子晶体薄膜1、光纤2和毛细石英管3；
毛细石英管3套固在光纤2的一端，双层光子晶体薄膜1固定在毛细石英管3的端面上，双层光子晶体薄膜1的轴线、光纤2的轴线和毛细石英管3的轴线均重合，双层光子晶体薄膜1上分布有空气孔，空气孔围绕双层光子晶体薄膜1的轴线呈正多边形、圆形或长方形周期性分布，所述空气孔为哑铃形，空气孔的孔深方向为光纤2的轴向方向。
光纤2放在毛细石英管3内部，不仅保持光纤平整，还能固定双层光子晶体薄膜。双层光子晶体薄膜为平面薄膜，且为硅材料。
图3是将基于双层光子晶体薄膜的反射式温度传感探头应用于空间温度场进行分布测量的示意图；宽带光源发射出的光波，经耦合器分为多束光，经过环形器传播到本实施方式的温度传感器探头的双层光子晶体薄膜上，发生反射，反射光波通过环形器传输到信号处理器上。当空间温度发生变化时，信号处理器通过对反射光波的复用，实现对空间温度场的检测。每个探头的双层光子晶体薄膜通过合理设计对不同中心波长反射，双层光子晶体薄膜1的厚度、哑铃形空气孔的两个球体的直径和相邻空气孔的间距影响反射光的中心波长，通过调整双层光子晶体薄膜1的厚度、哑铃形空气孔的两个球体的直径和相邻空气孔的间距来调整反射光的中心波长。图1中的1-1为哑铃形空气孔的两个球体。信号处理器采用光谱仪实现。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于双层光子晶体薄膜的反射式温度传感探头作进一步说明，本实施方式中，双层光子晶体薄膜1通过环氧树脂粘固在毛细石英管3的端面上。
采用环氧树脂粘接，粘接牢固。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的基于双层光子晶体薄膜的反射式温度传感探头作进一步说明，本实施方式中，双层光子晶体薄膜1通过环氧树脂粘固在光纤2一端的包层和涂覆层的端面上。
粘接过程中要保证纤芯不被环氧树脂污染。
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的基于双层光子晶体薄膜的反射式温度传感探头作进一步说明，本实施方式中，空气孔围绕双层光子晶体薄膜1的轴线呈正四边形周期性分布。
具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的基于双层光子晶体薄膜的反射式温度传感探头作进一步说明，本实施方式中，双层光子晶体薄膜1的厚度为1.8μm-3μm。
具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的基于双层光子晶体薄膜的反射式温度传感探头作进一步说明，本实施方式中，通过聚焦电子束或离子束刻蚀出哑铃形空气孔。
具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的基于双层光子晶体薄膜的反射式温度传感探头作进一步说明，本实施方式中，所述光纤2为单模石英光纤、蓝宝石光纤或塑料光纤，双层光子晶体薄膜1的材料为二氧化硅、氮化硅、硅或陶瓷。
具体实施方式八：结合图4具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一或二所述的基于双层光子晶体薄膜的反射式温度传感探头作进一步说明，本实施方式中，哑铃形空气孔的两个球体的直径均为320nm，相邻空气孔的间距为700nm，双层光子晶体薄膜1的厚度为2.5μm。
图4是使用MATLAB软件计算的硅材料的双层光子晶体敏感薄膜当温度在-100℃、0℃和100℃时的反射谱，哑铃形空气孔的两个球体的直径均为320nm，相邻空气孔的间距为700nm，曲线A为100℃时的反射谱，中心波长为1303.01nm，曲线B为0℃时的反射谱，中心波长为1313.03nm，曲线C为—100℃时的反射谱，中心波长为1323.05nm，从反射谱线中可以看出，随着温度的升高，双层光子晶体膜片的反射率保持不变，但反射峰发生漂移，中心波长移位。通过理论及实验验证反射波长的移位跟温度的变化呈线性关系。双层光子晶体薄膜的反射光谱共振峰漂移达到了0.1nm/℃，配合分辨率为0.002nm的高分辨率光谱仪，其温度分辨率可以达到0.02℃。
上述各元件和方法的定义不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方法，本领域的技术人员根据需要进行简单更改仍属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.基于双层光子晶体薄膜的反射式温度传感探头，其特征在于，包括双层光子晶体薄膜(1)、光纤(2)和毛细石英管(3)；
毛细石英管(3)套固在光纤(2)的一端，双层光子晶体薄膜(1)固定在毛细石英管(3)的端面上，双层光子晶体薄膜(1)的轴线、光纤(2)的轴线和毛细石英管(3)的轴线均重合，双层光子晶体薄膜(1)上分布有空气孔，空气孔围绕双层光子晶体薄膜(1)的轴线呈正多边形、圆形或长方形周期性分布，所述空气孔为哑铃形，空气孔的孔深方向为光纤(2)的轴向方向。
2.根据权利要求1所述的基于双层光子晶体薄膜的反射式温度传感探头，其特征在于，双层光子晶体薄膜(1)通过环氧树脂粘固在毛细石英管(3)的端面上。
3.根据权利要求1或2所述的基于双层光子晶体薄膜的反射式温度传感探头，其特征在于，双层光子晶体薄膜(1)通过环氧树脂粘固在光纤(2)一端的包层和涂覆层的端面上。
4.根据权利要求1或2所述的基于双层光子晶体薄膜的反射式温度传感探头，其特征在于，空气孔围绕双层光子晶体薄膜(1)的轴线呈正四边形周期性分布。
5.根据权利要求1或2所述的基于双层光子晶体薄膜的反射式温度传感探头，其特征在于，双层光子晶体薄膜(1)的厚度为1.8μm-3μm。
6.根据权利要求1或2所述的基于双层光子晶体薄膜的反射式温度传感探头，其特征在于，通过聚焦电子束或离子束刻蚀出哑铃形空气孔。
7.根据权利要求1或2所述的基于双层光子晶体薄膜的反射式温度传感探头，其特征在于，所述光纤(2)为单模石英光纤、蓝宝石光纤或塑料光纤，双层光子晶体薄膜(1)的材料为二氧化硅、氮化硅、硅或陶瓷。
8.根据权利要求1或2所述的基于双层光子晶体薄膜的反射式温度传感探头，其特征在于，每个空气孔的两个球体的直径均为320nm，相邻空气孔的间距为700nm，双层光子晶体薄膜(1)的厚度为2.5μm。
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