CN116067543B - 一种基于超导材料和缺陷光子晶体的静态压强传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于超导材料和缺陷光子晶体的静态压强传感器，包括结构可表示为D(AB)NC(BA)ND的一维缺陷光子晶体，其中N为正整数、用于表示空间周期数，A和B分别为折射率不同的媒质薄片，且媒质薄片A由超导材料HgBa2Ca2Cu3O8+δ制成，媒质薄片B由半导体材料GaAs制成，C为用于产生缺陷模的缺陷层，且C的材质和厚度与A、B的材质和厚度不完全一样，两个D分别为输入光波导和输出光波导，用于引导光入射和出射所述缺陷光子晶体，同时光波导D将外界压力传递到缺陷光子晶体上，形成静态压强。本发明基于特定材质及结构设计的缺陷光子晶体所得到的静态压强传感器能够对压强进行高精度测量。

Description

一种基于超导材料和缺陷光子晶体的静态压强传感器
技术领域
本发明属于低温静态压强传感器技术领域，具体涉及一种基于超导材料和缺陷光子晶体的静态压强传感器。
背景技术
传统的压强传感器通常是利用材料的机械弹性形变、压电效应或应变电阻进行工作的。这种传感器的缺陷是反应速度慢，灵敏度系数受环境影响大，很难对压强进行高精度测量。特别是在低温环境下，材料的物性发生根本性变化，大大超出了常规压强传感器的工作环境适用范围，因此必须利用新结构和新材料设计高灵敏度的低温压强传感器。
将不同折射率的媒质薄片交替排列，可以形成一维光子晶体，再在光子晶体中***缺陷，便可形成缺陷光子晶体。缺陷光子晶体支持缺陷模，缺陷模位于光子能带的中心位置。然而由于普通媒质的折射率受环境温度和压强的影响十分有限，因此当环境温度和压强改变时，缺陷光子晶体中缺陷模对应的中心波长变化不明显。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种基于超导材料和缺陷光子晶体的静态压强传感器，其能够对压强进行高精度测量。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种基于超导材料和缺陷光子晶体的静态压强传感器，包括结构可表示为D(AB)NC(BA)ND的一维缺陷光子晶体，其中N为正整数、用于表示空间周期数，A和B分别为折射率不同的媒质薄片，且媒质薄片A由超导材料HgBa2Ca2Cu3O8+δ制成，媒质薄片B由半导体材料GaAs制成，C为用于产生缺陷模的缺陷层，且C的材质和厚度与A、B的材质和厚度不完全一样，两个D分别为输入光波导和输出光波导，用于引导光入射和出射所述缺陷光子晶体，同时光波导D将外界压力传递到缺陷光子晶体上，形成静态压强。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述缺陷光子晶体支持的缺陷模所对应的中心波长是温度和压强的函数。
进一步，环境温度固定时，所述缺陷光子晶体上的静态压强可通过缺陷模对应的中心波长来探测。
进一步，所述静态压强传感器的灵敏度系数可通过环境温度调控。
进一步，所述空间周期数N＝3，所述缺陷光子晶体的结构为DABABABCBABABAD。
进一步，环境温度Te＝100K(开)、压强P＝100GPa(吉帕)时，所述媒质薄片A的折射率为na0＝0.9984，所述媒质薄片B的折射率为nb0＝3.2773，所述媒质薄片A和媒质薄片B的厚度均为各自1/4光学波长。
进一步，所述缺陷层C的材质为HgBa2Ca2Cu3O8+δ，所述缺陷层C的折射率为nc0＝0.9984，所述缺陷层C的厚度为1/2光学波长。
进一步，设定中心为λ0＝1.55μm，所述媒质薄片A的厚度为da0＝λ0/(4na0)＝0.3881μm(微米)，媒质薄片B的厚度为db0＝λ0/(4nb0)＝0.1182μm，缺陷层C的厚度为dc0＝λ0/(2nc0)＝0.7762μm。
进一步，所述光波导D的材质为SiO2，所述光波导D折射率为nd＝1.5，且光波导D的横截面为等腰梯形，底角为45°，入射光线Ii垂直于输入光波导D的侧面进入输入光波导D。
本发明的有益效果是：
(1)发明人经过实验和研究，得出基于特定材质及结构设计的缺陷光子晶体所得到的静态压强传感器能够对压强进行高精度测量。
具体地，环境温度固定时，随着静态压强的改变，所述缺陷光子晶体中缺陷模对应的中心波长变化明显，且缺陷模中心波长与缺陷光子晶体上的静态压强呈近线性关系，由此可得到低温环境下的高灵敏度静态压强传感器，并通过缺陷模对应的中心波长来探测静态压强。
(2)本发明实施例1的静态压强传感器的灵敏度系数高达nm/GPa(纳米/吉帕)，且灵敏度系数还可以通过外界温度来灵活地调控。
附图说明
图1为本发明实施例1的静态压强传感器中缺陷光子晶体结构DABABABCBABABAD的示意图(N＝3)；
图2(a)为本发明实施例1的缺陷光子晶体在环境温度Te＝50K时静态压强分别为P＝90GPa、100GPa和110GPa对应的光波透射谱，图2(b)为本发明实施例1的缺陷光子晶体在环境温度Te＝100K时静态压强分别为P＝90GPa、100GPa和110GPa对应的光波透射谱；
图3为本发明实施例1的缺陷光子晶体在环境温度Te＝50K时缺陷模中心波长随静态压强的变化关系，以及本发明实施例1的静态压强传感器在环境温度Te＝50K时灵敏度系数随静态压强的变化关系；
图4(a)为本发明实施例1的缺陷光子晶体在环境温度Te＝100K时缺陷模中心波长随静态压强的变化关系；图4(b)为本发明实施例1的静态压强传感器在环境温度Te＝100K时灵敏度系数随静态压强的变化关系。
具体实施方式
以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
除非另有说明，本发明采用的原料为本技术领域常规原料，皆可于市场购得。以下实施例的试验方法和检测方法中，如无特别说明，均为常规方法，试验中所用器具仪器皆可通过商业途径获得。本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
在低温环境下，超导材料和半导体材料对温度和压强十分敏感，于是发明人考虑利用这两种材料的媒质薄片复合，形成带缺陷的光子晶体，在光子能带中得到透射率极大的缺陷模。当环境温度固定时，就可以实现随压强改变的共振缺陷模。继而，利用缺陷模对应的中心波长随外界静态压强的变化关系，能否得到低温环境下的高灵敏度压强传感器。为了将压强和光波同时诱导进缺陷光子晶体，是否还需要在缺陷光子晶体的两端增设光波导。为了解决上述问题，以设计出能够对压强进行高精度测量的静态压强传感器并验证其可行性，发明人经过了大量的实验和研究。以下为本发明的实施例及性能测试实验举例。
实施例1
如图1所示，本实施例设计的一种基于超导材料和缺陷光子晶体的静态压强传感器，包括结构可表示为D(AB)3C(BA)3D的一维缺陷光子晶体，即空间周期数N＝3。
具体地，将两种折射率不同的媒质薄片A和媒质薄片B交替排列，形成一维周期性结构的光子晶体：SN＝(AB)N(BA)N，其中N(N＝1，2，3，……)为光子晶体的空间周期数。当N取有限值时，所述光子晶体为截断光子晶体。将媒质薄片C嵌入到光子晶体的中心处，就形成关于缺陷层C的中心对称分布的缺陷光子晶体，其中缺陷层C用于产生缺陷模，且C的材质和厚度与A、B的材质和厚度不能完全一样。
图1给出的就是空间周期数N＝3的截断光子晶体ABABABBABABA的正中间置入缺陷层C后的缺陷光子晶体ABABABCBABABA。图中的符号两个D分别表示输入光波导和输出光波导。符号Ii表示入射光线，符号Io表示透射光线；F表示静压力。以图中竖直向下的方向为Z轴的正方向。
所述媒质薄片A由超导材料HgBa2Ca2Cu3O8+δ制成，媒质薄片B由半导体材料GaAs制成。所述超导材料HgBa2Ca2Cu3O8+δ是无损耗的，其介电常数为
其中c为真空中光速，ω＝2πf为光波角频率，f＝c/λ为光波频率，λ为光波波长，伦敦(London)穿透深度λL为
其中λ0＝6.1μm，其中Te为环境温度，临界温度Tc＝A1+B1P+D1P2，而A1＝134，B1＝2.009，D1＝-4.194×10-2，P为压强。
半导体材料GaAs的介电常数为
其中K表示绝对温度单位(开尔文)。媒质薄片B的厚度与压强的关系为
db(P)＝db0[1-(S11+2S12)P] (4)
其中db0为P＝0的初始厚度，弹性常数S11＝1.16×10-2GPa-1(GPa-1表示每吉帕)和S12＝-3.7×10-3GPa-1。
以环境温度Te＝100K，P＝100GPa为标准，得到HgBa2Ca2Cu3O8+δ的折射率为na0＝0.9984，以及GaAs的折射率为nb0＝3.2773。设定中心为λ0＝1.55μm，并以此确定媒质薄片A和媒质薄片B的厚度均为各自1/4光学波长，即媒质薄片A的厚度为da0＝λ0/(4na0)＝0.3881μm，媒质薄片B的厚度为db0＝λ0/(4nb0)＝0.1182μm。
所述缺陷层C的材质也为HgBa2Ca2Cu3O8+δ，折射率为nc0＝0.9984，缺陷层C的厚度为1/2光学波长，即缺陷层C的厚度为dc0＝λ0/(2nc0)＝0.7762μm。
所述光波导D的材质为SiO2，其折射率为nd＝1.5。光波导D的横截面为等腰梯形，底角为45°。入射光线Ii垂直于输入光波导D的侧面(即等腰梯形的腰)进入输入光波导D。梯形光波导D的主要作用有两个：1、将外界压力传递到缺陷光子晶体，在缺陷光子晶体上形成静态压强；2、引导光入射和出射缺陷光子晶体。
以实施例1的缺陷光子晶体及静态压强传感器进行性能测试。
横磁波垂直于光波导D的侧面入射时，在环境温度Te＝50K时，图2(a)给出的是不同外界静态压强P＝90GPa、100GPa和110GPa下缺陷光子晶体中光波的透射谱。纵坐标T表示透射率，横坐标(ω-ω0)/ωgap表示归一化角频率，其中ω＝2πc/λ、ω0＝2πc/λ0和ωgap＝4ω0arcsin│(na0-nb0)/(na0+nb0)|2/π分别表示入射光角频率、入射光中心角频率和角频率带隙，c为真空中光速，arcsin为求反正弦函数。可以看到，不同的静态压强对应着不同的光波透射谱曲线；在归一化频率为(-1,2)区间内，每一根透射谱曲线中间，都存在一个光子带隙；在带隙中间，出现1个共振峰，如虚线框标注的位置。
所述共振模为缺陷模，由于缺陷光子晶体可以看成是一个共振腔，缺陷层为腔体，缺陷层两边的多层为腔的反射器。光波在缺陷层中共振激射，形成透射模。透射模对电场具有局域作用，电场能量主要被限制在缺陷层中。
当静态压强P＝90GPa时，缺陷模对应的中心波长为λp＝1.0508μm；当静态压强P＝100GPa时，缺陷模对应的中心波长为λp＝1.0307μm；当静态压强P＝110GPa时，缺陷模对应的中心波长为λp＝1.0084μm。可见，随着外界静态压强的增大，缺陷模对应中心频率向高频方向移动，则缺陷模对应中心波长向短波长方向移动。此时P＝90GPa和P＝110GPa对应的缺陷模中心波长差为1.0508μm-1.0084μm＝0.0424μm。可见，不同的静态压强，对应的缺陷模中心波长不同，即缺陷模中心波长和静态压强存在一一对应关系，因此可以通过透射模的中心波长来探测缺陷光子晶体上的静态压强。
当环境温度Te＝100K时，图2(b)给出的是不同静态压强P＝90GPa、100GPa和110GPa下缺陷光子晶体中光波的透射谱。可以看到：在光子带隙中间也存在透射模；透射模的位置随压强的增大向高频方向移动。相对于环境温度Te＝50K时的情形，静态压强P＝90GPa、100GPa和110GPa时分别对应的三个透射模的间距变小了。此时，当静态压强P＝90GPa时，缺陷模对应的中心波长为λp＝1.0448μm；当静态压强P＝100GPa时，缺陷模对应的中心波长为λp＝1.031μm；当静态压强P＝110GPa时，缺陷模对应的中心波长为λp＝1.0091μm。此时P＝90GPa和P＝110GPa对应的缺陷模中心波长差为1.0448μm-1.0091μm＝0.0357μm。可见，当环境温度变化时，对应的透射模中心波长改变，且波长的变化范围不同，即当环境温度升高时，缺陷模中心波长变化范围变窄。
以环境温度Te＝50K为例，改变外界静态压强，得到缺陷模对应的中心波长为λp，如图3(左侧部分)所示。可以看到，随着静态压强P的增大，λp减小。整个变化关系曲线中，存在两个近线性段I和II；在P＝85GPa时，没有缺陷模，以及在该点附近，缺陷模对应的中心波长λp随压强P的变化存在异常。这是因为在P＝85GPa时，超导材料HgBa2Ca2Cu3O8+δ的损耗系数最大，中心缺陷模的能量都被耗散了。在静态压强传感器中，要求输入-输出关系曲线线性度好，因此实际使用中可以选择线段I和II作为传感器的工作关系曲线。
在Te＝50K，将所述缺陷光子晶体应用于静态压强传感器时，选取线段I作为输入-输出的工作曲线。图3(右侧部分)给出的是静态压强传感器的灵敏度系数随静态压强的变化关系。此时外界静态压强变化范围设置为(0GPa，80GPa)。可以看到，静态压强传感器的灵敏度系数的绝对值|S|随着静态压强的增大略微地减小。当P＝80GPa时，静态压强传感器的灵敏度系数为|S|＝1.9nm/GPa。
增大环境温度，使得Te＝100K，图4(a)给出的是缺陷模对应的中心波长λp随外界静态压强的变化关系。同样地，可以看到，随着静态压强P的增大，λp减小。整个变化关系曲线中，也存在两个近线性段III和IV；在P＝[84GPa，87GPa]范围内，都不存在缺陷模。这是因为在P＝[84GPa，87GPa]区间内，超导材料HgBa2Ca2Cu3O8+δ的损耗系数非常大，中心缺陷模的能量都被耗散了。以及在该压强区间附近，缺陷模对应的波长λp随静态压强P的变化存在异常。在静态压强传感器中，要求输入-输出关系曲线线性度好，因此实际使用中可以选择线段III和IV作为传感器的工作关系曲线。
在Te＝100K，将所述缺陷光子晶体应用于静态压强传感器时，选取线段III作为输入-输出的工作曲线。图4(b)给出的是静态压强传感器的灵敏度系数随静态压强的变化关系。此时外界静态压强变化范围也设置为(0GPa，80GPa)。横坐标为输入的静态压强，可以看到，静态压强传感器的灵敏度系数的绝对值|S|随着静态压强的增大略微地减小。当P＝80GPa时，静态压强传感器的灵敏度系数为|S|＝0.9711nm/GPa。
总之，本发明实施例1将两种折射率不同的媒质薄片A和媒质薄片B交替排列，形成一维周期性结构的截断光子晶体ABABABBABABA，再将缺陷层C置于截断光子晶体的正中间，形成缺陷光子晶体ABABABCBABABA。媒质薄片A的材质和缺陷层C的材质均为HgBa2Ca2Cu3O8+δ，媒质薄片B的材质为GaAs。媒质薄片A和媒质薄片B的厚度均为1/4光学波长，而缺陷层C的厚度为1/2光学波长。再在缺陷光子晶体两端设置梯形光波导D，形成结构DABABABCBABABAD。光波导D能诱导光入射进缺陷光子晶体和出射出缺陷光子晶体，同时能将外界压力传递到缺陷光子晶体上，形成静态压强。超导材料HgBa2Ca2Cu3O8+δ和半导体材料GaAs均是压强和温度函数。因此缺陷光子晶体支持的缺陷模对应的中心波长是温度和压强的函数。当环境温度固定时，缺陷模对应的中心波长与缺陷光子晶体上的静态压强呈近线性关系，由此可得到低温环境下的高灵敏度静态压强传感器，并通过缺陷模对应的中心波长来探测静态压强。本发明实施例1的静态压强传感器能够对压强进行高精度测量，其灵敏度系数高达nm/GPa，且灵敏度系数还可以通过外界温度来灵活地调控。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于超导材料和缺陷光子晶体的静态压强传感器，其特征在于，包括结构表示为D(AB)NC(BA)ND的一维缺陷光子晶体，其中N为正整数、用于表示空间周期数，A和B分别为折射率不同的媒质薄片，且媒质薄片A由超导材料HgBa2Ca2Cu3O8+δ制成，媒质薄片B由半导体材料GaAs制成，C为用于产生缺陷模的缺陷层，且C的材质和厚度与A、B的材质和厚度不完全一样，两个D分别为输入光波导和输出光波导，用于引导光入射和出射所述缺陷光子晶体，同时光波导D将外界压力传递到缺陷光子晶体上，形成静态压强；环境温度Te＝100K、压强P＝100GPa时，所述媒质薄片A的折射率为na0＝0.9984，所述媒质薄片B的折射率为nb0＝3.2773，所述媒质薄片A和媒质薄片B的厚度均为各自1/4光学波长。
2.根据权利要求1所述的一种基于超导材料和缺陷光子晶体的静态压强传感器，其特征在于，所述缺陷光子晶体支持的缺陷模所对应的中心波长是温度和压强的函数。
3.根据权利要求2所述的一种基于超导材料和缺陷光子晶体的静态压强传感器，其特征在于，环境温度固定时，所述缺陷光子晶体上的静态压强通过缺陷模对应的中心波长来探测。
4.根据权利要求2所述的一种基于超导材料和缺陷光子晶体的静态压强传感器，其特征在于，所述静态压强传感器的灵敏度系数通过环境温度调控。
5.根据权利要求1所述的一种基于超导材料和缺陷光子晶体的静态压强传感器，其特征在于，所述空间周期数N＝3，所述缺陷光子晶体的结构为DABABABCBABABAD。
6.根据权利要求1所述的一种基于超导材料和缺陷光子晶体的静态压强传感器，其特征在于，所述缺陷层C的材质为HgBa2Ca2Cu3O8+δ，所述缺陷层C的折射率为nc0＝0.9984，所述缺陷层C的厚度为1/2光学波长。
7.根据权利要求6所述的一种基于超导材料和缺陷光子晶体的静态压强传感器，其特征在于，设定中心为λ0＝1.55μm，所述媒质薄片A的厚度为da0＝λ0/(4na0)＝0.3881μm，媒质薄片B的厚度为db0＝λ0/(4nb0)＝0.1182μm，缺陷层C的厚度为dc0＝λ0/(2nc0)＝0.7762μm。
8.根据权利要求1所述的一种基于超导材料和缺陷光子晶体的静态压强传感器，其特征在于，所述光波导D的材质为SiO2，所述光波导D折射率为nd＝1.5，且光波导D的横截面为等腰梯形，底角为45°，入射光线Ii垂直于输入光波导D的侧面进入输入光波导D。
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