溫度傳感器、溫度測量方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種溫度傳感器、溫度測量方法及裝置，屬于測量【技術領域】。本發(fā)明以非線性光學晶體作為溫度傳感器，在待測溫度下利用所述非線性光學晶體進行準相位匹配的光頻率轉換，得到待測溫度下所述非線性光學晶體的準相位匹配周期Λ(T)；然后根據下式計算得到待測溫度T：Λ(T)＝Λ(T0)[1+α·(T-T0)+β·(T-T0)2]，式中，Λ(T0)為參考溫度T0下所述非線性光學晶體的準相位匹配周期，α、β為所述非線性光學晶體的熱膨脹系數(shù)。本發(fā)明以非線性光學晶體作為溫度傳感器，利用非線性光學晶體的準相位匹配周期與環(huán)境溫度之間的關系進行溫度測量，在大幅提高了測量量程的同時，還為溫度測量技術指出了一個新的方向。
【專利說明】溫度傳感器、溫度測量方法及裝置

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種溫度傳感器、溫度測量方法及裝置，屬于測量【技術領域】。

【背景技術】
[0002] 溫度是物質的一個重要狀態(tài)參數(shù)，其測量和控制對于人們的日常生活、工業(yè)生產 以及科學研究等各個領域都有著十分重要的意義，因此，溫度傳感器也一直被人們廣為關 注。經過不斷的研究和市場開發(fā)，溫度傳感器在測量范圍和測量精度等方面的性能都在不 斷提升，其應用也已經從生活和一般工業(yè)生產領域擴展到了冶金、材料、航空航天和武器試 驗等測量環(huán)境復雜的特種應用領域。
[0003] 目前，雖然溫度傳感器種類繁多，但常用的溫度測量方法都存在一定的局限性，不 能很好的適用于大量程和惡劣環(huán)境下的溫度測量需求?，F(xiàn)有的每一種溫度傳感器都有各自 的優(yōu)勢、適用范圍和局限性，針對具體的溫度測量需求，必須綜合考慮溫度測量范圍、精度、 響應時間、尺寸、持續(xù)工作時間等相關要求和使用環(huán)境等因素，最終選取一種相對合適的測 量方法。


【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術問題在于克服現(xiàn)有技術不足，提供一種溫度傳感器、溫度 測量方法及裝置，可實現(xiàn)大量程的溫度傳感、測量。
[0005] 本發(fā)明采用以下技術方案解決上述技術問題：
[0006] -種溫度傳感器，所述溫度傳感器為非線性光學晶體。
[0007] -種溫度測量方法，利用非線性光學晶體作為溫度傳感器實現(xiàn)溫度測量，具體如 下：在待測溫度下利用所述非線性光學晶體進行準相位匹配的光頻率轉換，得到待測溫度 下所述非線性光學晶體的準相位匹配周期Λ (T);然后根據下式計算得到待測溫度T :
[0008] Λ (T) = Λ (T0) [1+α · (Τ_Τ0) + β · (T-T0)2],
[0009] 式中，Λ (Ttl)為參考溫度Ttl下所述非線性光學晶體的準相位匹配周期，α、β為 所述非線性光學晶體的熱膨脹系數(shù)。
[0010] 一種溫度測量裝置，包括頻率可調的光源、非線性光學晶體、光電檢測單元、控制 和計算單元；所述光源用于向所述非線性光學晶體發(fā)射入射光；所述光電檢測單元用于接 收通過所述非線性光學晶體并被光頻率轉換后的光信號，并將所述光信號轉換為電信號傳 輸給控制和計算單元；所述控制和計算單元用于通過控制所述光源的輸出頻率實現(xiàn)所述非 線性光學晶體的準相位匹配，并根據當前的準相位匹配周期Λ (T)，利用下式計算得到所述 非線性光學晶體的環(huán)境溫度T :
[0011] λ (T) = Λ (T0) [1+α · (τ-τ0) + β · (T-T0)2],
[0012] 式中，Λ (Ttl)為參考溫度Ttl下所述非線性光學晶體的準相位匹配周期，α、β為 所述非線性光學晶體的熱膨脹系數(shù)。
[0013] 相比現(xiàn)有技術，本發(fā)明具有以下有益效果：
[0014] 本發(fā)明首次提出利用非線性光學晶體作為溫度傳感器，利用非線性光學晶體的準 相位匹配周期與環(huán)境溫度之間的關系進行溫度測量，為溫度測量技術指出了一條新的路 徑；
[0015] 本發(fā)明適用的溫度測量范圍取決于非線性光學晶體的熔點，得益于非線性光學晶 體的高熔點，本發(fā)明可實現(xiàn)大量程的溫度測量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖1為本發(fā)明溫度測量裝置一個具體實施例的結構示意圖；其中，1為光源，2為非 線性光學晶體，3為帶通濾波片，4為光電探測器，5為數(shù)據采集卡，6為計算機。

【具體實施方式】
[0017] 下面結合附圖對本發(fā)明的技術方案進行詳細說明：
[0018] 本發(fā)明的思路是以非線性光學晶體作為溫度傳感器，利用非線性光學晶體的準相 位匹配周期與環(huán)境溫度之間的關系進行溫度測量。為了便于公眾理解，在對本發(fā)明技術方 案進行詳細說明前，首先對非線性光學晶體的相關知識進行簡要介紹。
[0019] 非線性光學晶體是具有頻率轉換效應、電光效應和光折變效應等一類晶體的統(tǒng) 稱，非線性光學和相關學科的發(fā)展在很大程度上得益于非線性光學晶體的出現(xiàn)和應用。特 別在頻率轉換方面起著越來越重要的作用，廣泛應用于倍頻、差頻、和頻及光學參量振蕩等 非線性頻率轉換技術中。在非線性頻率轉換過程中，為了有效的進行頻率轉換，提高頻率轉 化效率，需進行相位匹配。對周期極化的非線性光學晶體進行準相位匹配是目前最常用的 的相位匹配技術。準相位匹配（QPM)技術是通過調節(jié)晶體的極化周期來補償由于折射率色 散而產生的波矢失配，能夠最大限度地利用非線性晶體的有效非線性系數(shù)，而晶體的極化 周期主要受入射光波長和晶體溫度的影響。當晶體的溫度為定值時，可以通過改變入射光 的波長來滿足準相位匹配條件，從而使頻率轉換達到最佳的轉換效率。
[0020] 圖1為本發(fā)明溫度測量裝置一個具體實施例的結構示意圖，如圖所示，該裝置包 括光源1、非線性光學晶體2、帶通濾波片3、光電探測器4、數(shù)據采集卡5、計算機6。光源1 發(fā)出的光透過非線性光學晶體2后，經過帶通濾波片3之后被光電探測器4檢測到并轉換 為電信號；數(shù)據采集卡5采集光電探測器4輸出的信號，計算機6根據數(shù)據采集卡所采集的 信號數(shù)據計算出非線性光學晶體的溫度，同時還可對光源1的輸出頻率進行調整。
[0021] 本發(fā)明的非線性光學晶體可采用周期極化的鈮酸鋰（LiNbO3)晶體（PPLN)、周期極 化的鉭酸鋰（LiTaO 3)晶體（PPLT)、周期極化的磷酸氧鈦鉀（KTiOPO4)晶體（PPKTP)等。其 中，PPLN和PPLT晶體因具有非常大的二階非線性系數(shù)，且容易生長出大尺寸的晶體材料， 獲得了更為廣泛的應用。在PPLN和PPLT晶體中摻雜氧化鎂（MgO)相比于沒摻雜的晶體， 具有在常溫下工作不會發(fā)生光折變效應的特性，所以適用的溫度比未摻雜晶體更低、范圍 更大。因此，本發(fā)明的非線性光學晶體優(yōu)選采用氧化鎂摻雜的周期極化鈮酸鋰晶體（簡稱 MgO = PPLN)或者氧化鎂摻雜的周期極化鉭酸鋰晶體（簡稱MgO:PPLT)。
[0022] 上述溫度測量裝置實際上是一套光頻率轉換系統(tǒng)，通過非線性光學晶體2的準相 位匹配，使得光源1發(fā)出的光以最大轉換效率轉換為另一頻率的光輸出。所述光頻率轉換 可以是倍頻轉換、差頻轉換或和頻轉換。根據光頻率轉換方式的不同，光源1的具體結構也 不同，例如，當采用倍頻轉換方式，則光源1僅需要一個頻率可調的激光器，用來輸出基頻 光；如采用和頻和差頻轉換方式，則光源1需要兩個頻率可調的激光器，分別用來輸出泵浦 光和信號光。
[0023] 利用上述裝置進行溫度測量時，首先將非線性光學晶體2置于待測的環(huán)境溫度 下，通過調整光源1的輸出波長，使得頻率轉換過程滿足準相位匹配條件，即使得光轉換效 率達到最高（可通過判斷所輸出的轉換后的光強是否達到最大值來確定是否實現(xiàn)準相位 匹配）；根據此時的光源1的輸出波長以及轉換后的波長可計算當前環(huán)境溫度下非線性光 學晶體2的準相位匹配周期Λ (T)，然后將Λ (T)代入下式即可計算得到非線性光學晶體2 的環(huán)境溫度T :
[0024] Λ (T) = Λ (T0) [1+α · (Τ_Τ0) + β · (T-T0)2],
[0025] 式中，Λ (Ttl)為參考溫度Ttl下非線性光學晶體2的準相位匹配周期，α、β為非 線性光學晶體2的熱膨脹系數(shù)。
[0026] 為了使公眾更好地理解，下面對本發(fā)明的原理進行詳細說明。
[0027] 在倍頻過程中，設λ i、λ 2分別為基頻光和倍頻光的波長，ηι、η2分別為基頻光和 倍頻光在非線性光學晶體中的折射率。對于準相位匹配過程，波矢的失配量Ak = O,則

【權利要求】
1. 一種溫度傳感器，其特征在于，所述溫度傳感器為非線性光學晶體。
2. 如權利要求1所述溫度傳感器，其特征在于，所述非線性光學晶體為氧化鎂摻雜的 周期極化鈮酸鋰晶體或者氧化鎂摻雜的周期極化鉭酸鋰晶體。
3. -種溫度測量方法，其特征在于，利用非線性光學晶體作為溫度傳感器實現(xiàn)溫度測 量，具體如下：在待測溫度下利用所述非線性光學晶體進行準相位匹配的光頻率轉換，得到 待測溫度下所述非線性光學晶體的準相位匹配周期A (T);然后根據下式計算得到待測溫 度T : A (T) = A (T0) [1+a ? (T-T0) + @ ? (T_T0)2]， 式中，ACU為參考溫度I；下所述非線性光學晶體的準相位匹配周期，a、0為所述 非線性光學晶體的熱膨脹系數(shù)。
4. 如權利要求3所述溫度測量方法，其特征在于，所述參考溫度L為25°C。
5. 如權利要求3所述溫度測量方法，其特征在于，所述非線性光學晶體為氧化鎂摻雜 的周期極化鈮酸鋰晶體或者氧化鎂摻雜的周期極化鉭酸鋰晶體。
6. 如權利要求3所述溫度測量方法，其特征在于，所述光頻率轉換為倍頻轉換、和頻轉 換或差頻轉換。
7. -種溫度測量裝置，其特征在于，包括頻率可調的光源、非線性光學晶體、光電檢測 單元、控制和計算單元；所述光源用于向所述非線性光學晶體發(fā)射入射光；所述光電檢測 單元用于接收通過所述非線性光學晶體并被光頻率轉換后的光信號，并將所述光信號轉換 為電信號傳輸給控制和計算單元；所述控制和計算單元用于通過控制所述光源的輸出頻率 實現(xiàn)所述非線性光學晶體的準相位匹配，并根據當前的準相位匹配周期A (T)，利用下式計 算得到所述非線性光學晶體的環(huán)境溫度T : A (T) = A (T0) [1+a ? (T-T0) + @ ? (T_T0)2]， 式中，ACU為參考溫度I；下所述非線性光學晶體的準相位匹配周期，a、0為所述 非線性光學晶體的熱膨脹系數(shù)。
8. 如權利要求7所述溫度測量裝置，其特征在于，所述非線性光學晶體為氧化鎂摻雜 的周期極化鈮酸鋰晶體或者氧化鎂摻雜的周期極化鉭酸鋰晶體。
9. 如權利要求7所述溫度測量裝置，其特征在于，所述光頻率轉換為倍頻轉換、和頻轉 換或差頻轉換。
10. 如權利要求7所述溫度測量裝置，其特征在于，所述參考溫度L為25°C。
【文檔編號】G01K11/00GK104390721SQ201410679860
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年11月24日 優(yōu)先權日:2014年11月24日
【發(fā)明者】常建華, 郭躍, 桂詩信, 嚴娜, 顧久馭 申請人:南京信息工程大學