一种温度探测装置、方法及激光超低温监测系统

本发明涉及温度测量领域，具体涉及一种温度探测装置、方法及激光超低温监测系统。

背景技术：

1、随着科技进步，航天、超导、量子技术等都对超低温的监测提出了要求，监测温度从所用介质不同而跨度很大，例如液氮(77k)、液氦(4k)以及冷原子体系级别。虽然测量温度的传感器的原理非常多，但在超低温区，传感器性能、线性度和其他关键特性会有显著变化而难以应用。在超低温区，有些测量器件本身就存在测量不确定性，难以达到所需的精度，例如基于铂、锗、碳基电阻器等。

2、采用激光进行温度测量的方法有两大类：一类基于折射率与温度的关系，一类基于拉曼散射、布里渊散射、瑞利散射与温度的关系。更为精确的超低温测量技术往往采用直接测量分子的热运动能量即温度的方法，包括：基于分子在精密梯度磁场中的轨迹来测量分子的能量、基于激光推动分子、激光能量与分子运动轨迹的关系得出目标能量。这些测量方法容易实施的，往往由于测量误差本身就在测量目标值的级别，而无法进行超低温测量。能够有效测量的，则方法复杂难以构建，原理上，需要高阶效应的校正与补偿。

3、分子的热运动是温度的直接体现，如上所述，直接测量分子的运动是极其困难的。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种温度探测装置、方法及激光超低温监测系统，其利用光波导传输特性实现基于分子热运动的激光超低温监测，降低基于分子热运动测温原理的测量技术难度。

2、本发明的技术方案是这样实现的：本发明公开了一种温度探测装置，包括硅波导，其特征在于：硅波导包括传输波导和耦合波导，所述传输波导的一端连接有波导输入端口，传输波导的另一端连接有波导输出端口，所述波导输入端口、波导输出端口和耦合波导分别设置在衬底上，所述传输波导至少部分处于可自由振动的悬空状态，传输波导的悬空段的长度与传输波导芯层横截面尺度的比值大于1000，传输波导的悬空段与耦合波导之间具有水平间距，两者之间存在光耦合效应导致的光能交换；

3、在非绝对零度时，传输波导的悬空段的分子热运动导致传输波导的悬空段发生热机械振动，使得传输波导的悬空段与耦合波导之间的间距实时动态变化，导致传输波导的悬空段与耦合波导之间的光耦合能量交换实时变化，波导输出端口输出的光信号也随之发生实时动态变化。

4、进一步地，当传输波导芯层横截面为矩形时，传输波导的悬空段的长度与传输波导芯层横截面的长边边长的比值大于1000。

5、传输波导的悬空段的横截面尺度为纳米级，传输波导的悬空段的长度为微米级。

6、进一步地，耦合波导与传输波导的悬空段在同一水平面上平行，耦合波导与传输波导的悬空段之间的水平间距大于10纳米，且小于100纳米。

7、进一步地，所述衬底上位于传输波导的悬空段的正下方设有凹槽，使传输波导的悬空段处于悬空状态。

8、进一步地，本发明的温度探测装置还包括输入光纤和输出光纤，所述输入光纤的一端连接波导输入端口，输入光纤的另一端连接光纤输入接口，所述输出光纤的一端连接波导输出端口，输出光纤的另一端连接光纤输出接口。

9、进一步地，所述传输波导包括第一传输波导段、第二传输波导段和第三传输波导段，所述第一传输波导段的一端与波导输入端口连接，第一传输波导段的另一端与第二传输波导段的一端连接，第二传输波导段的另一端与第三传输波导段的一端连接，第三传输波导段的另一端与波导输出端口连接，所述第一传输波导段和第三传输波导段设置在衬底上，所述第二传输波导段为传输波导的悬空段，处于悬空状态。

10、进一步地，所述耦合波导包括至少一个耦合子波导，各个耦合子波导位于传输波导的悬空段的旁侧，当耦合子波导为多个时，多个耦合子波导沿光在传输波导的悬空段的传输方向依次间隔设置，使传输波导的悬空段中的激光依次与每一个耦合子波导之间发生光耦合效应导致的光能交换。

11、进一步地，相邻的两个耦合子波导之间的间距大于2倍的工作波长。

12、进一步地，当绝对零度时，耦合子波导与传输波导的悬空段之间光耦合的耦合长度为lc，则耦合子波导的长度设置为2倍的lc。

13、进一步地，耦合子波导为直条状波导，在工作波长存在导模；至少传输波导的悬空段为条状波导，在工作波长存在导模。

14、进一步地，各个耦合子波导与传输波导的悬空段平行间隔设置。

15、进一步地，各个耦合子波导与传输波导的悬空段位于同一水平面。

16、本发明公开了一种激光超低温监测系统，包括激光光源、光电转换模块、信号采集卡和计算机系统以及如上所述的温度探测装置，所述激光光源用于发出激光；所述温度探测装置用于接收激光光源发出的激光，并将实时变化的光信号输出到光电转换模块；所述光电转换模块用于将输入的光信号转换为电信号，并输出电信号到信号采集卡；信号采集卡用于采集电信号并输出信号数据给计算机系统；计算机系统用于计算信号数据的标准方差，根据信号数据的标准方差与温度的对应关系计算出所需监测的温度。

17、本发明公开了一种温度探测方法，采用了如上所述的温度探测装置实现，包括如下步骤：

18、波导输入端口接收光，并输出至传输波导，光在传输波导中传输，并由传输波导的悬空段耦合进入耦合波导，再由耦合波导耦合回传输波导的悬空段中，传输波导的悬空段的分子热运动导致传输波导的悬空段发生热机械振动，传输波导的悬空段发生热机械振动使得传输波导的悬空段与耦合波导之间的间距实时动态变化，传输波导的悬空段与耦合波导之间的间距实时动态变化导致传输波导的悬空段与耦合波导之间的光耦合能量交换实时变化，导致波导输出端口输出的光信号也随之发生实时动态变化；

19、监测波导输出端口输出的光信号的变化来监测所需监测的温度。

20、本发明至少具有如下有益效果：

21、(1)直接分子热运动测温原理的测温技术实现技术难度高，本发明采用微纳尺度的结构，可以将分子热运动转换为结构的热机械振动，然后在微纳结构中传输光信号，通过监测微纳结构热机械振动对光信号传输特性的影响，实现对分子热运动即温度的监测，技术实现难度与成本都比较低。

22、(2)本发明采用的微纳结构为两端固定、中间悬空的直条形状波导，波导的横截面尺度为纳米级，波导的长度为微米级，极小的振动体积以及相应地极小质量，将能有效地将分子热运动转换为波导结构的热机械振动。另一方面，热机械振动的振幅直接与波导长度成正比，与波导截面尺度成反比，将波导的长度设计成远大于波导的横截面尺度，在相同温度下，将能获得更大的热机械振动的振幅，从而提高后续探测灵敏度。

23、(3)本发明采用光波导的耦合特征来监测传输波导的热机械振动。为了增强热机械振动探测的灵敏度，耦合波导设计成一组排列成线状的n个子波导构成，传输波导中的光信号将依次与各子波导发生耦合。热机械振动导致每个子波导的耦合特征都发生变化，最终输出的光信号将是单一子波导导致变化的n倍，这将能够提升探测的灵敏度。

24、(4)本发明最后计算机分析的是信号的标准方差，而不是信号本身的强度，系统温度越高，热机械振动越显著，耦合波导与传输波导的悬空段之间的间距动态变化越大，随之耦合输出光信号的动态变化也越显著，标准方差也越大，对信号的标准方差，而不是信号本身的强度，进行监测具有更高的监测稳健性。