一种太赫兹光栅温度传感器和温度检测方法与流程

本申请涉及光电子技术领域，特别是涉及一种太赫兹光栅温度传感器和温度检测方法。

背景技术：

环境温度的检测在工业生产和日常生活中非常必要。常用的环境温度检测方法为通过放置在某一环境中的光学温度传感器，对该环境的环境温度进行检测。

传统的光学温度传感器由产生可见光的半导体激光器、光子晶体光纤、以及光谱仪组成。在使用中，光学温度传感器可以通过半导体激光器产生可见光，可见光作为光子晶体光纤的入射光，入射到光子晶体光纤中；然后，通过光谱仪接收光子晶体的出射光，并对出射光进行光谱分析，得到出射光的光谱中波谷的频率；之后，光学温度传感器根据预设的频率与温度的对应关系，确定环境温度。

技术实现要素：

本申请实施例的目的在于提供一种太赫兹光栅温度传感器和温度检测方法，以实现基于太赫兹激光进行温度检测。具体技术方案如下：

第一方面，提供了一种太赫兹光栅温度传感器，所述温度传感器包括太赫兹激光器、全介质超材料光栅、以及光谱分析设备，其中，所述全介质超材料光栅设置在所述太赫兹激光器预设的光轴上，所述光谱分析设备设置在所述全介质超材料光栅预设的出光方向上；

所述全介质超材料光栅由全介质超材料组成；

所述全介质超材料光栅的光栅常数为预设的狭缝的透光缝宽的2倍，所述狭缝的深度与所述全介质超材料光栅的厚度相同。

可选的，所述全介质超材料包括硅或硅化合物。

可选的，所述太赫兹激光器的光轴垂直于所述全介质超材料光栅预设的接收面，以使所述太赫兹激光器产生的太赫兹激光垂直入射所述全介质超材料光栅。

可选的，所述光谱分析设备包括光谱仪。

第二方面，提供了一种温度检测方法，所述方法包括：

接收环境温度检测指令；

基于所述环境温度检测指令和预设的太赫兹激光器，生成太赫兹激光；

通过预设的全介质超材料光栅，接收所述太赫兹激光，得到透射光；

通过预设的光谱分析设备接收所述透射光，对所述透射光进行分析，得到当前环境的环境温度。

可选的，所述太赫兹激光垂直入射所述全介质超材料光栅。

可选的，所述全介质超材料光栅由以预设的光栅常数为刻蚀间隔、预设的透光缝宽为刻蚀宽度、预设的光栅长度为刻蚀长度、以及所述全介质超材料光栅的厚度为刻蚀深度，对预先存储的硅板进行刻蚀得到。

第三方面，提供了一种温度检测装置，所述装置包括：

第一接收模块，用于接收环境温度检测指令；

生成模块，用于基于所述环境温度检测指令和预设的太赫兹激光器，生成太赫兹激光；

第二接收模块，用于通过预设的全介质超材料光栅，接收所述太赫兹激光，得到透射光；

分析模块，用于通过预设的光谱分析设备接收所述透射光，对所述透射光进行分析，得到当前环境的环境温度。

可选的，所述太赫兹激光垂直入射所述全介质超材料光栅。

可选的，所述全介质超材料光栅由以预设的光栅常数为刻蚀间隔、预设的透光缝宽为刻蚀宽度、预设的光栅长度为刻蚀长度、以及所述全介质超材料光栅的厚度为刻蚀深度，对预先存储的硅板进行刻蚀得到。

第四方面，提供了一种电子设备，包括处理器、通信接口、存储器和通信总线，其中，处理器，通信接口，存储器通过通信总线完成相互间的通信；

存储器，用于存放计算机程序；

处理器，用于执行存储器上所存放的程序时，实现第二方面任一所述的方法步骤。

第五方面，提供了一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现第二方面任一所述的方法步骤。

本申请实施例提供了一种太赫兹光栅温度传感器和温度检测方法，温度传感器包括太赫兹激光器、全介质超材料光栅、以及光谱分析设备。由于全介质超材料光栅由全介质超材料组成，全介质超材料的折射率随环境温度的变化而变化，太赫兹激光透过全介质超材料光栅得到透射光的透射光谱中波谷对应的频率也不同，因此，可以通过分析透射光谱中波谷对应的频率确定环境温度，采用本申请，能够实现太赫兹波段的温度检测。

当然，实施本申请的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种太赫兹光栅温度传感器的结构示意图；

图2a为本申请实施例提供的一种全介质超材料光栅的主视图；

图2b为本申请实施例提供的一种光栅结构单元的主视图；

图2c为本申请实施例提供的一种光栅结构单元的俯视图；

图3为本申请实施例提供的一种温度检测方法的方法流程图；

图4为本申请实施例提供的一种全介质超材料光栅的折射率随环境温度变化的示意图；

图5为本申请实施例提供的一种不同环境温度的透射光谱图的示意图；

图6为本申请实施例提供的一种温度检测装置的结构示意图；

图7为本申请实施例提供的一种电子设备的结构示意图。

图例说明

101太赫兹激光器102全介质超材料光栅

103光谱分析设备210光栅结构单元

211狭缝212栅区

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例提供了一种太赫兹光栅温度传感器，可以基于太赫兹激光，实现对环境温度的检测。如图1所示，为本申请提供的一种太赫兹光栅温度传感器的结构示意图，其中，温度传感器包括太赫兹激光器101、全介质超材料光栅102、以及光谱分析设备103。

全介质超材料光栅102设置在太赫兹激光器101预设的光轴上，光谱分析设备103设置在全介质超材料光栅102预设的出光方向上；全介质超材料光栅102由全介质超材料组成；全介质超材料光栅102的光栅常数为预设的狭缝211的透光缝宽的2倍，狭缝211的深度与全介质超材料光栅102的厚度相同。

在实施中，太赫兹激光为频率在0.1thz～10thz之间的电磁波。太赫兹激光器101可以是任一能够产生太赫兹激光的激光器，例如，太赫兹激光器101可以是型号为leo-50的飞秒激光器。太赫兹激光器101的光轴可以是太赫兹激光器101产生的太赫兹激光的传播方向，或者，也可以是太赫兹激光器101预设的出光面的法线方向。

全介质超材料光栅102由全介质超材料组成，如图2a所示，为本申请提供的一种全介质超材料光栅102的主视图，全介质超材料光栅102包括多条等宽等间隔平行分布的狭缝211，以及狭缝211相邻的栅区212。其中，每条狭缝211和相邻的一个栅区212组成光栅结构单元210，如图2b所示，为本申请提供的一种光栅结构单元210的主视图。如图2c所示，为本申请提供的一种光栅结构单元210的俯视图，在每个光栅结构单元210中，光栅常数p为预设的狭缝211的透光缝宽a的2倍，即狭缝211的透光缝宽与栅区212的宽度相同，狭缝211的深度d与全介质超材料光栅102的厚度d相同。

本申请提供了一种全介质超材料光栅102，其中，光栅常数p为200μm，透光缝宽为100μm，狭缝211的深度与全介质超材料光栅102的厚度均为100μm。

可选的，构成全介质超材料光栅102的全介质超材料可以是任一折射率随温度变化的非金属化合物。例如，全介质超材料可以是硅，或者硅化合物，或者钛酸锶，或者锑化铟。

本申请实施例中，与基于金属结构单元的超材料相比，全介质超材料具有欧姆损耗低、辐射损耗低、结构简单、易于制造、各向同性、以及应用范围广等优点，因此，由全介质超材料构成的全介质超材料光栅102更适合实现太赫兹光栅温度传感器的产品应用化。

此外，全介质超材料光栅102由折射率随温度变化的非金属化合物构成，使得太赫兹激光经过全介质超材料光栅102得到的透射光的透射光谱中，波谷的偏移随环境温度的变化呈近似线性变化，因此，太赫兹光栅温度传感器可以通过检测太赫兹激光经过全介质超材料光栅102后的透射光谱中波谷的偏移，实现对环境温度的检测。

在一种优选的实施方式中，全介质超材料可以是硅，由于与其他非金属化合物相比，硅具有热光系数大、折射率随温度变化的变化率大等优点，因此，当环境温度发生变化时，太赫兹激光经过由硅构成的全介质超材料光栅102，得到的透射光谱中波谷的偏移更加明显。

当全介质超材料由基质和硅组成时，由于基质和硅的热膨胀系数不同，当环境温度变化时，全介质超材料光栅102会发生微小的形变，导致温度检测的准确度下降。而本申请实施例中，全介质超材料仅包含硅，因此当环境温度变化时，全介质超材料光栅102不会出现形变，能够提高温度检测的准确度，另一方面，透射光谱中波谷的偏移只与随温度变化的硅的折射率有关，不会受到随温度变化的基质的折射率的影响，能够提高温度检测的准确度。

全介质超材料光栅102设置在太赫兹激光器101预设的光轴上，以接收太赫兹激光器101产生的太赫兹激光。

可选的，太赫兹激光器101的光轴垂直于全介质超材料光栅102预设的接收面，以使太赫兹激光器101产生的太赫兹激光垂直入射全介质超材料光栅102。

在实施中，全介质超材料光栅102包含多条狭缝211，太赫兹激光通过全介质超材料光栅102时，会得到每条狭缝211对应的透射光的次波。

当太赫兹激光器101的光轴垂直于全介质超材料光栅102预设的接收面，也即当太赫兹激光垂直入射全介质超材料光栅102时，能够确保各狭缝211对应的透射光的次波在初始时刻的相位相同，便于光谱分析设备103在对透射光进行分析时，使用光栅衍射公式计算衍射级等参数。

可选的，光谱分析设备103包括光谱仪。

在实施中，光谱分析设备103可以包括光谱仪以及和光谱仪保持通信连接的具有数据处理功能的电子设备，光谱仪可以是任一能够对接收到的太赫兹波段激光进行分析，生成光谱的仪器。光谱分析设备103还可以是某一具有数据处理功能的光谱仪。

本申请实施例中，太赫兹激光经全介质超材料光栅102透射后，生成透射光，光谱分析设备103能够通过光谱仪对透射光进行分析，得到透射光谱，并进一步的，基于对透射光谱的分析，得到环境温度。

与传统的光学温度传感器相比，本申请提出的太赫兹光栅温度传感器由太赫兹激光器101、全介质超材料光栅102、以及光谱检测部件103构成，太赫兹光栅温度传感器具有更高的q值(品质因子)，能够实现太赫兹波段的温度有效传感，同时，太赫兹光栅温度传感器具有更小的体积和重量，有利于实现产品的小型化和集成化。

本申请实施例还提供了一种温度检测方法，该方法应用于电子设备，电子设备可以是包括太赫兹激光器101、全介质超材料光栅102、以及光谱分析设备103的设备，电子设备也可以是与太赫兹激光器101、以及光谱分析设备103保持通信连接的设备，例如个人电脑。太赫兹激光器101可以是任一能够产生太赫兹激光的激光器。

如图3所示，本申请提供的一种温度检测方法的具体处理流程如下：

步骤301，接收环境温度检测指令。

在实施中，环境温度检测指令可以由工作人员发出，或者，可以由电子设备中预设的应用程序按照预设的处理周期发出。电子设备可以在接收到环境温度检测指令后，对环境温度进行检测。

步骤302，基于环境温度检测指令和预设的太赫兹激光器101，生成太赫兹激光。

在实施中，电子设备可以在接收到环境温度检测指令后，发送预设的太赫兹激光生成指令给太赫兹激光器101，然后，通过太赫兹激光器101产生太赫兹激光。

例如，电子设备可以在接收到环境温度检测指令后，发送预设的太赫兹激光生成指令给太赫兹激光器101，然后，电子设备可以通过太赫兹激光器101，产生驱动电流，并基于驱动电流产生太赫兹激光。

步骤303，通过预设的全介质超材料光栅102，接收太赫兹激光，得到透射光。

在实施中，电子设备可以通过预设的全介质超材料光栅102，接收太赫兹激光，太赫兹激光通过全介质超材料光栅102，得到透射光。

可选的，全介质超材料光栅102在接收太赫兹激光时，太赫兹激光垂直入射全介质超材料光栅102。

在实施中，全介质超材料光栅102设置在太赫兹激光器101预设的光轴上，全介质超材料光栅102的接收面与太赫兹激光的入射方向垂直，以使实现太赫兹激光垂直入射全介质超材料光栅102。

本申请实施例中，全介质超材料光栅102由全介质超材料构成，全介质超材料可以是折射率随温度变化的非金属化合物，例如硅化合物、钛酸锶、锑化铟。在一种可行的实现方式中，全介质超材料可以是硅。

由于全介质超材料的折射率随温度变化，本申请基于全介质超材料的热光效应对环境温度进行检测。当环境温度变化时，全介质超材料的折射率会发生明显变化，而由于全介质超材料的特殊性质，当全介质超材料的折射率变化时，全介质超材料的磁导率和介电常数也会相应变化。因此，当环境温度变化，此时，入射光入射到全介质超材料，会产生磁共振和电共振，导致各种谐振模式所产生的波长不相同，透射光谱中波谷的位置发生明显的偏移，波谷对应的频率发生改变。

例如，如图4所示，为本申请实施例提供的一种全介质超材料光栅102的折射率随环境温度变化的示意图，本申请实施例中，全介质超材料光栅102由硅构成，当温度升高时，全介质超材料光栅102的折射率也随之增加，折射率随环境温度变化呈近似线性。如图5所示，为本申请实施例提供的一种不同环境温度的透射光谱图的示意图，当温度升高时，透射光谱的波谷发生明显的红移现象。

可选的，当全介质超材料为硅时，全介质超材料光栅由以预设的光栅常数为刻蚀间隔、预设的透光缝宽为刻蚀宽度、预设的光栅长度为刻蚀长度、以及全介质超材料光栅102的厚度为刻蚀深度，对预先存储的硅板进行刻蚀得到。

在实施中，机械加工设备可以获取预先存储的硅板，硅板的厚度为预设的厚度，然后，机械加工设备可以获取预设的刻蚀参数，并基于刻蚀参数对硅板进行刻蚀，得到全介质超材料光栅102，其中，刻蚀参数包括光栅常数、透光缝宽、光栅长度、以及硅板厚度。

例如，机械加工设备可以以光栅常数为刻蚀间隔、以透光缝宽为刻蚀宽度、以光栅长度为刻蚀长度，以硅板厚度为刻蚀深度，对硅板进行刻蚀，得到全介质超材料光栅102。

本申请提供了一种全介质超材料光栅102，全介质超材料为硅，光栅常数p为200μm，透光缝宽为100μm，狭缝的深度与全介质超材料光栅102的厚度均为100μm。

本申请实施例中，光栅常数是透光缝宽的两倍。刻蚀的方式是多种多样的，包括干法刻蚀和湿法刻蚀，本申请实施例不作具体限定。

步骤304，通过预设的光谱分析设备103接收透射光，对透射光进行分析，得到当前环境的环境温度。

在实施中，电子设备中可以预先存储有频率与环境温度的对应关系。光谱分析设备103包括光谱仪，光谱仪可以是任一能够对接收到的太赫兹波段激光进行分析，生成光谱的仪器。

电子设备可以通过预设的光谱分析设备103接收透射光，并对透射光进行分析，得到透射光的透射光谱，然后，电子设备可以通过光谱分析设备103确定透射光谱的波谷对应的频率，再根据预先存储的频率与环境温度的对应关系，确定该频率对应的环境温度，即为当前环境的环境温度。

本申请实施例中，电子设备通过太赫兹激光器101生成太赫兹激光，再通过全介质超材料光栅102接收太赫兹激光，得到透射光；然后，通过光谱分析设备103对透射光进行分析，得到透射光谱；之后，根据透射光谱中波谷的移动，确定环境温度。由于全介质超材料光栅102具有热光效应，当温度变化时，太赫兹激光经过全介质超材料光栅102得到的透射光谱中波谷对应的频率也会发生变化，因此，本申请能够根据透射光谱中波谷的移动确定环境温度的变化，在实现太赫兹波段的温度检测的同时，提高温度检测准确率。

本申请实施例还提供了一种温度检测装置，如图6所示，所述装置包括：

第一接收模块610，用于接收环境温度检测指令；

生成模块620，用于基于所述环境温度检测指令和预设的太赫兹激光器，生成太赫兹激光；

第二接收模块630，用于通过预设的全介质超材料光栅，接收所述太赫兹激光，得到透射光；

分析模块640，用于通过预设的光谱分析设备接收所述透射光，对所述透射光进行分析，得到当前环境的环境温度。

可选的，所述太赫兹激光垂直入射所述全介质超材料光栅。

可选的，所述全介质超材料光栅由以预设的光栅常数为刻蚀间隔、预设的透光缝宽为刻蚀宽度、预设的光栅长度为刻蚀长度、以及所述全介质超材料光栅的厚度为刻蚀深度，对预先存储的硅板进行刻蚀得到。

本申请实施例提供了一种太赫兹光栅温度传感器和温度检测方法，温度传感器包括太赫兹激光器、全介质超材料光栅、以及光谱分析设备。由于全介质超材料光栅由全介质超材料组成，全介质超材料的折射率随环境温度的变化而变化，太赫兹激光透过全介质超材料光栅得到透射光的透射光谱中波谷对应的频率也不同，因此，可以通过分析透射光谱中波谷对应的频率确定环境温度，采用本申请，能够实现太赫兹波段的温度检测。

本申请实施例还提供了一种电子设备，如图7所示，包括处理器701、通信接口702、存储器703和通信总线704，其中，处理器701，通信接口702，存储器703通过通信总线704完成相互间的通信，

存储器703，用于存放计算机程序；

处理器701，用于执行存储器703上所存放的程序时，实现如下步骤：

接收环境温度检测指令；

基于所述环境温度检测指令和预设的太赫兹激光器，生成太赫兹激光；

通过预设的全介质超材料光栅，接收所述太赫兹激光，得到透射光；

通过预设的光谱分析设备接收所述透射光，对所述透射光进行分析，得到当前环境的环境温度。

可选的，所述太赫兹激光垂直入射所述全介质超材料光栅。

可选的，所述全介质超材料光栅由以预设的光栅常数为刻蚀间隔、预设的透光缝宽为刻蚀宽度、预设的光栅长度为刻蚀长度、以及所述全介质超材料光栅的厚度为刻蚀深度，对预先存储的硅板进行刻蚀得到。

上述电子设备提到的通信总线可以是外设部件互连标准(peripheralcomponentinterconnect，pci)总线或扩展工业标准结构(extendedindustrystandardarchitecture，eisa)总线等。该通信总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。

通信接口用于上述电子设备与其他设备之间的通信。

存储器可以包括随机存取存储器(randomaccessmemory，ram)，也可以包括非易失性存储器(non-volatilememory，nvm)，例如至少一个磁盘存储器。可选的，存储器还可以是至少一个位于远离前述处理器的存储装置。

上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(centralprocessingunit，cpu)、网络处理器(networkprocessor，np)等；还可以是数字信号处理器(digitalsignalprocessing，dsp)、专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，asic)、现场可编程门阵列(field-programmablegatearray，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。

在本申请提供的又一实施例中，还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一温度检测方法的步骤。

在本申请提供的又一实施例中，还提供了一种包含指令的计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述实施例中任一温度检测方法。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(dsl))或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，dvd)、或者半导体介质(例如固态硬盘solidstatedisk(ssd))等。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并非用于限定本申请的保护范围。凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本申请的保护范围内。