基于PPMgLN晶體的大范圍溫度測(cè)量裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及基于PPMgLN晶體的大范圍溫度測(cè)量裝置及方法，屬于溫度測(cè)量技術(shù) 領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 溫度是一個(gè)基本的物理量，自然界中的一切過程無不與溫度相關(guān)，因此對(duì)溫度進(jìn) 行測(cè)量與控制具有十分重要的意義。溫度傳感器的研發(fā)引起了人們廣泛關(guān)注，經(jīng)過不斷地 研宄和開發(fā)，溫度傳感器在測(cè)量范圍和測(cè)量精度等方面的性能不斷提高，但是這些溫度傳 感器在大范圍測(cè)溫領(lǐng)域的應(yīng)用還具有一定的局限性。
[0003] 目前，市場(chǎng)上主流的溫度傳感器有：熱電阻、熱敏電阻、以及IC溫度傳感器，這些 溫度傳感器的共同特點(diǎn)是測(cè)溫范圍有限。熱電阻溫度檢測(cè)器一般用于中低溫區(qū)的溫度測(cè) 量，其測(cè)溫范圍約-200~500°C。熱敏電阻溫度檢測(cè)器大量用于汽車和家電的溫度檢測(cè)與 控制，其測(cè)溫范圍約-50~300°C。IC溫度傳感器主要用于PLC電路中溫度采樣，其測(cè)溫范 圍約10~80°C。但是，以上這些溫度檢測(cè)器不能滿足高溫熔爐、航空航天以及鋼鐵鍛造等 特殊領(lǐng)域的測(cè)溫需求，這就迫切要求發(fā)展能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍測(cè)溫的溫度測(cè)量裝置。
[0004] 近年來，激光應(yīng)用領(lǐng)域的變頻技術(shù)受到人們的廣泛關(guān)注，最常見的變頻技術(shù)有差 頻、和頻、倍頻、光參量振蕩等，在變頻過程中為了使變頻效率最高通常要進(jìn)行相位匹配。目 前最常用的是準(zhǔn)相位匹配，它是通過調(diào)節(jié)晶體的極化周期來補(bǔ)償參量過程中由于折射率色 散造成的抽運(yùn)光與參量光之間的相位失配。用于準(zhǔn)相位匹配的非線性光學(xué)晶體的工作參數(shù) 與溫度有著密切的聯(lián)系，其折射率和極化周期都會(huì)隨著溫度的改變發(fā)生不同程度的變化。 一般情況下人們選擇控制晶體的溫度來實(shí)現(xiàn)高效變頻，但是，在長時(shí)間的控溫過程中，由于 外界因素的干擾以及控溫設(shè)備的不精確，容易導(dǎo)致溫度控制不穩(wěn)定，從而使得溫度測(cè)量不 精確。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供一種基于PPMgLN晶體的大范圍溫度測(cè)量裝 置及方法，利用PPMgLN晶體實(shí)現(xiàn)高效率的光光轉(zhuǎn)換，增大了測(cè)量溫度的范圍。
[0006] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：
[0007] 基于PPMgLN晶體的大范圍溫度測(cè)量裝置，包括LD激光二極管、NchYVO4晶體、 PPMgLN晶體、精密旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、帶通濾波片以及光功率計(jì)；所述LD激光二極管、NchYVO4晶體、 PPMgLN晶體、帶通濾波片、光功率計(jì)從左到右依次排列，所述Nd: YVO4晶體和PPMgLN晶體位 于同一水平面且相互分離，PPMgLN晶體放置于所述精密旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，精密旋轉(zhuǎn)平臺(tái)用于帶 動(dòng)PPMgLN晶體旋轉(zhuǎn)；所述Nd: YVO4晶體的兩端均鍍有增透膜和高反膜，所述PPMgLN晶體朝 向Nd:YVO^b體的一端鍍有增透膜，朝向帶通濾波片的一端鍍有增透膜和高反膜；
[0008] 所述LD激光二極管產(chǎn)生的紅外光入射Nd:YVO4晶體后產(chǎn)生泵浦光，泵浦光入射 PPMgLN晶體并經(jīng)PPMgLN晶體倍頻后產(chǎn)生倍頻光，倍頻光入射帶通濾波片，帶通濾波片將濾 波后的倍頻光入射至光功率計(jì)。
[0009] 優(yōu)選的，所述LD激光二極管的中心波長為808nm。
[0010] 優(yōu)選的，所述NchYVO^體朝向LD激光二極管的一端鍍有808nm的增透膜和 1064nm的高反膜，朝向PPMgLN晶體的一端鍍有1064nm的增透膜和808nm的高反膜。
[0011] 優(yōu)選的，所述PPMgLN晶體朝向Nd: YVO^體的一端鍍有1064nm的增透膜，朝向帶 通濾波片的一端鍍有532nm的增透膜和1064nm的高反膜。
[0012] 優(yōu)選的，所述帶通濾波片為雙面涂層的高透濾光片。
[0013] 基于如上所述基于PPMgLN晶體的大范圍溫度測(cè)量裝置的測(cè)量方法，將上述溫 度測(cè)量裝置置于待測(cè)溫度的環(huán)境中，使LD激光二極管產(chǎn)生的紅外光入射NchYVO 4晶體后 產(chǎn)生的泵浦光與參考溫度下產(chǎn)生的泵浦光相同，通過調(diào)節(jié)精密旋轉(zhuǎn)平臺(tái)使之帶動(dòng)PPMgLN 晶體旋轉(zhuǎn)角度S1，滿足倍頻過程中的準(zhǔn)相位匹配條件，根據(jù)PPMgLN晶體在參考溫度 下的極化周期A ci與旋轉(zhuǎn)角度Θ i之間的函數(shù)關(guān)系計(jì)算PPMgLN晶體新的極化周期Λ， 根據(jù)新的極化周期Λ與溫度之間的函數(shù)關(guān)系計(jì)算出溫度T，溫度T的計(jì)算公式如下： 」^ =八(25°〇[1 + ?_(廠-25。(：)^-25°02]，其中，熱膨脹系數(shù)α、β為定值， α = cost/, 2· 0Χ10Λ β = 2· 2Χ10Λ
[0014] 優(yōu)選的，所述PPMgLN晶體在參考溫度下的極化周期Aci與旋轉(zhuǎn)角度θ 間的函 數(shù)關(guān)系計(jì)算PPMgLN晶體新的極化周期Λ，公式如下：Λ = 。
[0015] 優(yōu)選的，所述新的極化周期λ與溫度T之間的函數(shù)關(guān)系式如下：Λ⑴= Λ(25〇〇[1+α . (Τ-25° Τ) + β · (T-250C)2]〇
[0016] 本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：
[0017] 1、本發(fā)明的大范圍溫度測(cè)量裝置，采用PPMgLN晶體，其化學(xué)性能穩(wěn)定，非線性系 數(shù)大，透光范圍寬，熔點(diǎn)較高，能夠?qū)崿F(xiàn)高效率的光光轉(zhuǎn)換。
[0018] 2、本發(fā)明的大范圍溫度測(cè)量裝置，測(cè)量的溫度范圍大，能夠滿足某種特殊領(lǐng)域的 測(cè)溫需求，大大增強(qiáng)了溫度測(cè)量裝置的實(shí)用性。
[0019] 3、本發(fā)明的大范圍溫度測(cè)量裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，小型化便于推廣使用 的特點(diǎn)。
【附圖說明】
[0020] 圖1是本發(fā)明大范圍溫度測(cè)量裝置的整體架構(gòu)圖。
[0021] 其中：1為LD激光二極管，2為NchYVO4晶體，3為PPMgLN晶體，4為精密旋轉(zhuǎn)平臺(tái)， 5為帶通濾波片，6為光功率計(jì)。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施方式，所述實(shí)施方式的示例在附圖中示出，其中自始 至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參 考附圖描述的實(shí)施方式是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對(duì)本發(fā)明的限制。
[0023] 本發(fā)明采用逆向思維通過計(jì)算晶體的光學(xué)參數(shù)來反推其溫度的變化，從而實(shí)現(xiàn)溫 度測(cè)量?，F(xiàn)階段被用來進(jìn)行變頻的非線性光學(xué)晶體有很多，其中PPMgLN晶體具有較大的非 線性系數(shù)、較高的熔點(diǎn)、較寬的透光范圍等優(yōu)點(diǎn)，在眾多光學(xué)晶體中脫穎而出成為變頻技術(shù) 中的首選晶體。由于PPMgLN晶體的熔點(diǎn)高達(dá)1250°C，其在25°C~1250°C條件下都可以正 常工作，從而就實(shí)現(xiàn)了大范圍溫度測(cè)量。
[0024] 如圖1所示，基于PPMgLN晶體的大范圍溫度測(cè)量裝置，包括LD激光二極管1、 NchYVO4晶體2、PPMgLN晶體3、精密旋轉(zhuǎn)平臺(tái)4、帶通濾波片5、光功率計(jì)6,其位置關(guān)系如 下：LD激光二極管、NchYVO 4晶體、PPMgLN晶體、帶通濾波片、光功率計(jì)從左到右依次排列， Nd:YVO4晶體、PPMgLN晶體處在同一水平面上且相互分離，精密旋轉(zhuǎn)平臺(tái)置于PPMgLN晶體 的下方用來顯示晶體的旋轉(zhuǎn)度數(shù)。
[0025] LD激光二極管最大輸出功率為8W，中心波長為808nm ;Nd:YV04晶體的左端面S i 鍍808nm的增透膜和1064nm的高反膜，右端面&鍍1064nm的增透膜和808nm的高反膜； PPMgLN晶體其中MgO的濃度為5%，且周期為6. 95 μ m。其左端面53鍍1064nm的增透膜， 右端面&鍍532nm的增透膜和1064nm的高反膜；帶通濾波片是雙面涂層的高透濾光片，對(duì) 515nm~535nm波段的光高透，對(duì)基頻光高反。
[0026] 在PPMgLN晶體倍頻過程中，為了使倍頻效率達(dá)到最高，倍頻光波矢與兩倍基頻光 波矢之差應(yīng)該滿足相位匹配條件，即Ak = 0。對(duì)于準(zhǔn)相位匹配，波矢的失配量表示為：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 基于PPMgLN晶體的大范圍溫度測(cè)量裝置，其特征在于：包括LD激光二極管、Nd:YV04 晶體、PPMgLN晶體、精密旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、帶通濾波片以及光功率計(jì)；所述LD激光二極管、Nd:YV04 晶體、PPMgLN晶體、帶通濾波片、光功率計(jì)從左到右依次排列，所述Nd:YV04晶體和PPMgLN 晶體位于同一水平面且相互分離，PPMgLN晶體放置于所述精密旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，精密旋轉(zhuǎn)平臺(tái) 用于帶動(dòng)PPMgLN晶體旋轉(zhuǎn)；所述Nd:YV04晶體的兩端均鍍有增透膜和高反膜，所述PPMgLN 晶體朝向Nd:YVO^sB體的一端鍍有增透膜，朝向帶通濾波片的一端鍍有增透膜和高反膜； 所述LD激光二極管產(chǎn)生的紅外光入射Nd:YV04晶體后產(chǎn)生泵浦光，泵浦光入射PPMgLN晶體并經(jīng)PPMgLN晶體倍頻后產(chǎn)生倍頻光，倍頻光入射帶通濾波片，帶通濾波片將濾波后的 倍頻光入射至光功率計(jì)。
2. 如權(quán)利要求1所述基于PPMgLN晶體的大范圍溫度測(cè)量裝置，其特征在于：所述LD激 光二極管的中心波長為808nm〇
3. 如權(quán)利要求1所述基于PPMgLN晶體的大范圍溫度測(cè)量裝置，其特征在于：所述 Nd:YVO#sB體朝向LD激光二極管的一端鍍有808nm的增透膜和1064nm的高反膜，朝向 PPMgLN晶體的一端鍍有1064nm的增透膜和808nm的高反膜。
4. 如權(quán)利要求1所述基于PPMgLN晶體的大范圍溫度測(cè)量裝置，其特征在于：所述 PPMgLN晶體朝向Nd:YVO#sB體的一端鍍有1064nm的增透膜，朝向帶通濾波片的一端鍍有 532nm的增透膜和1064nm的高反膜。
5. 如權(quán)利要求1所述基于PPMgLN晶體的大范圍溫度測(cè)量裝置，其特征在于：所述帶通 濾波片為雙面涂層的高透濾光片。
6. 基于權(quán)利要求1所述基于PPMgLN晶體的大范圍溫度測(cè)量裝置的測(cè)量方法，其特征 在于：將上述溫度測(cè)量裝置置于待測(cè)溫度的環(huán)境中，使LD激光二極管產(chǎn)生的紅外光入射 Nd:YV04晶體后產(chǎn)生的泵浦光與參考溫度下產(chǎn)生的泵浦光相同，通過調(diào)節(jié)精密旋轉(zhuǎn)平臺(tái)使 之帶動(dòng)PPMgLN晶體旋轉(zhuǎn)角度0i，滿足倍頻過程中的準(zhǔn)相位匹配條件，根據(jù)PPMgLN晶體在 參考溫度下的極化周期A。與旋轉(zhuǎn)角度0i之間的函數(shù)關(guān)系計(jì)算PPMgLN晶體新的極化周期 A，根據(jù)新的極化周期A與溫度T之間的函數(shù)關(guān)系計(jì)算出溫度T，溫度T的計(jì)算公式如下：
其中，熱膨脹系數(shù)a、0為定值，a= 2. 0X10_6, 0 = 2. 2X10_6。
7. 如權(quán)利要求6所述基于PPMgLN晶體的大范圍溫度測(cè)量方法，其特征在于：所述 PPMgLN晶體在參考溫度下的極化周期與旋轉(zhuǎn)角度0 1之間的函數(shù)關(guān)系計(jì)算PPMgLN晶 體新的極化周期A，公式如下：
8. 如權(quán)利要求6所述基于PPMgLN晶體的大范圍溫度測(cè)量方法，其特征在于：所述新的 極化周期A與溫度T之間的函數(shù)關(guān)系式如下： A(T) =A(25°C) [1+a? (T-25。T) + 0 ? (T_25°C)2]。
【專利摘要】本發(fā)明公開了基于PPMgLN晶體的大范圍溫度測(cè)量裝置及方法，該裝置包括LD激光二極管、Nd:YVO4晶體、PPMgLN晶體、精密旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、帶通濾波片以及光功率計(jì)；LD激光二極管、Nd:YVO4晶體、PPMgLN晶體、帶通濾波片、光功率計(jì)從左到右依次排列，Nd:YVO4晶體和PPMgLN晶體位于同一水平面且相互分離，PPMgLN晶體放置于所述精密旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，精密旋轉(zhuǎn)平臺(tái)用于帶動(dòng)PPMgLN晶體旋轉(zhuǎn)。本發(fā)明的大范圍溫度測(cè)量裝置及方法，采用PPMgLN晶體化學(xué)性能穩(wěn)定、非線性系數(shù)大、透光范圍寬、熔點(diǎn)較高的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)高效率的光光轉(zhuǎn)換；且測(cè)量的溫度范圍大，能夠滿足某種特殊領(lǐng)域的測(cè)溫需求，大大增強(qiáng)了溫度測(cè)量裝置的實(shí)用性。
【IPC分類】G01K11-30
【公開號(hào)】CN104807556
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510243770
【發(fā)明人】常建華, 嚴(yán)娜, 桂詩信, 郭躍, 唐安慶, 顧久馭
【申請(qǐng)人】南京信息工程大學(xué)
【公開日】2015年7月29日
【申請(qǐng)日】2015年5月13日