基于PPMgLN晶体的大范围温度测量装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及基于PPMgLN晶体的大范围温度测量装置及方法，属于温度测量技术 领域。
【背景技术】
[0002] 温度是一个基本的物理量，自然界中的一切过程无不与温度相关，因此对温度进 行测量与控制具有十分重要的意义。温度传感器的研发引起了人们广泛关注，经过不断地 研宄和开发，温度传感器在测量范围和测量精度等方面的性能不断提高，但是这些温度传 感器在大范围测温领域的应用还具有一定的局限性。
[0003] 目前，市场上主流的温度传感器有：热电阻、热敏电阻、以及IC温度传感器，这些 温度传感器的共同特点是测温范围有限。热电阻温度检测器一般用于中低温区的温度测 量，其测温范围约-200~500°C。热敏电阻温度检测器大量用于汽车和家电的温度检测与 控制，其测温范围约-50~300°C。IC温度传感器主要用于PLC电路中温度采样，其测温范 围约10~80°C。但是，以上这些温度检测器不能满足高温熔炉、航空航天以及钢铁锻造等 特殊领域的测温需求，这就迫切要求发展能够实现大范围测温的温度测量装置。
[0004] 近年来，激光应用领域的变频技术受到人们的广泛关注，最常见的变频技术有差 频、和频、倍频、光参量振荡等，在变频过程中为了使变频效率最高通常要进行相位匹配。目 前最常用的是准相位匹配，它是通过调节晶体的极化周期来补偿参量过程中由于折射率色 散造成的抽运光与参量光之间的相位失配。用于准相位匹配的非线性光学晶体的工作参数 与温度有着密切的联系，其折射率和极化周期都会随着温度的改变发生不同程度的变化。 一般情况下人们选择控制晶体的温度来实现高效变频，但是，在长时间的控温过程中，由于 外界因素的干扰以及控温设备的不精确，容易导致温度控制不稳定，从而使得温度测量不 精确。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于PPMgLN晶体的大范围温度测量装 置及方法，利用PPMgLN晶体实现高效率的光光转换，增大了测量温度的范围。
[0006] 本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0007] 基于PPMgLN晶体的大范围温度测量装置，包括LD激光二极管、NchYVO4晶体、 PPMgLN晶体、精密旋转平台、带通滤波片以及光功率计；所述LD激光二极管、NchYVO4晶体、 PPMgLN晶体、带通滤波片、光功率计从左到右依次排列，所述Nd: YVO4晶体和PPMgLN晶体位 于同一水平面且相互分离，PPMgLN晶体放置于所述精密旋转平台上，精密旋转平台用于带 动PPMgLN晶体旋转；所述Nd: YVO4晶体的两端均镀有增透膜和高反膜，所述PPMgLN晶体朝 向Nd:YVO^b体的一端镀有增透膜，朝向带通滤波片的一端镀有增透膜和高反膜；
[0008] 所述LD激光二极管产生的红外光入射Nd:YVO4晶体后产生泵浦光，泵浦光入射 PPMgLN晶体并经PPMgLN晶体倍频后产生倍频光，倍频光入射带通滤波片，带通滤波片将滤 波后的倍频光入射至光功率计。
[0009] 优选的，所述LD激光二极管的中心波长为808nm。
[0010] 优选的，所述NchYVO^体朝向LD激光二极管的一端镀有808nm的增透膜和 1064nm的高反膜，朝向PPMgLN晶体的一端镀有1064nm的增透膜和808nm的高反膜。
[0011] 优选的，所述PPMgLN晶体朝向Nd: YVO^体的一端镀有1064nm的增透膜，朝向带 通滤波片的一端镀有532nm的增透膜和1064nm的高反膜。
[0012] 优选的，所述带通滤波片为双面涂层的高透滤光片。
[0013] 基于如上所述基于PPMgLN晶体的大范围温度测量装置的测量方法，将上述温 度测量装置置于待测温度的环境中，使LD激光二极管产生的红外光入射NchYVO 4晶体后 产生的泵浦光与参考温度下产生的泵浦光相同，通过调节精密旋转平台使之带动PPMgLN 晶体旋转角度S1，满足倍频过程中的准相位匹配条件，根据PPMgLN晶体在参考温度 下的极化周期A ci与旋转角度Θ i之间的函数关系计算PPMgLN晶体新的极化周期Λ， 根据新的极化周期Λ与温度之间的函数关系计算出温度T，温度T的计算公式如下： 」^ =八(25°〇[1 + ?_(厂-25。(：)^-25°02]，其中，热膨胀系数α、β为定值， α = cost/, 2· 0Χ10Λ β = 2· 2Χ10Λ
[0014] 优选的，所述PPMgLN晶体在参考温度下的极化周期Aci与旋转角度θ 间的函 数关系计算PPMgLN晶体新的极化周期Λ，公式如下：Λ = 。
[0015] 优选的，所述新的极化周期λ与温度T之间的函数关系式如下：Λ⑴= Λ(25〇〇[1+α . (Τ-25° Τ) + β · (T-250C)2]〇
[0016] 本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
[0017] 1、本发明的大范围温度测量装置，采用PPMgLN晶体，其化学性能稳定，非线性系 数大，透光范围宽，熔点较高，能够实现高效率的光光转换。
[0018] 2、本发明的大范围温度测量装置，测量的温度范围大，能够满足某种特殊领域的 测温需求，大大增强了温度测量装置的实用性。
[0019] 3、本发明的大范围温度测量装置，具有结构简单，易于实现，小型化便于推广使用 的特点。
【附图说明】
[0020] 图1是本发明大范围温度测量装置的整体架构图。
[0021] 其中：1为LD激光二极管，2为NchYVO4晶体，3为PPMgLN晶体，4为精密旋转平台， 5为带通滤波片，6为光功率计。
【具体实施方式】
[0022] 下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始 至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参 考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
[0023] 本发明采用逆向思维通过计算晶体的光学参数来反推其温度的变化，从而实现温 度测量。现阶段被用来进行变频的非线性光学晶体有很多，其中PPMgLN晶体具有较大的非 线性系数、较高的熔点、较宽的透光范围等优点，在众多光学晶体中脱颖而出成为变频技术 中的首选晶体。由于PPMgLN晶体的熔点高达1250°C，其在25°C~1250°C条件下都可以正 常工作，从而就实现了大范围温度测量。
[0024] 如图1所示，基于PPMgLN晶体的大范围温度测量装置，包括LD激光二极管1、 NchYVO4晶体2、PPMgLN晶体3、精密旋转平台4、带通滤波片5、光功率计6,其位置关系如 下：LD激光二极管、NchYVO 4晶体、PPMgLN晶体、带通滤波片、光功率计从左到右依次排列， Nd:YVO4晶体、PPMgLN晶体处在同一水平面上且相互分离，精密旋转平台置于PPMgLN晶体 的下方用来显示晶体的旋转度数。
[0025] LD激光二极管最大输出功率为8W，中心波长为808nm ;Nd:YV04晶体的左端面S i 镀808nm的增透膜和1064nm的高反膜，右端面&镀1064nm的增透膜和808nm的高反膜； PPMgLN晶体其中MgO的浓度为5%，且周期为6. 95 μ m。其左端面53镀1064nm的增透膜， 右端面&镀532nm的增透膜和1064nm的高反膜；带通滤波片是双面涂层的高透滤光片，对 515nm~535nm波段的光高透，对基频光高反。
[0026] 在PPMgLN晶体倍频过程中，为了使倍频效率达到最高，倍频光波矢与两倍基频光 波矢之差应该满足相位匹配条件，即Ak = 0。对于准相位匹配，波矢的失配量表示为：
【主权项】
1. 基于PPMgLN晶体的大范围温度测量装置，其特征在于：包括LD激光二极管、Nd:YV04 晶体、PPMgLN晶体、精密旋转平台、带通滤波片以及光功率计；所述LD激光二极管、Nd:YV04 晶体、PPMgLN晶体、带通滤波片、光功率计从左到右依次排列，所述Nd:YV04晶体和PPMgLN 晶体位于同一水平面且相互分离，PPMgLN晶体放置于所述精密旋转平台上，精密旋转平台 用于带动PPMgLN晶体旋转；所述Nd:YV04晶体的两端均镀有增透膜和高反膜，所述PPMgLN 晶体朝向Nd:YVO^sB体的一端镀有增透膜，朝向带通滤波片的一端镀有增透膜和高反膜； 所述LD激光二极管产生的红外光入射Nd:YV04晶体后产生泵浦光，泵浦光入射PPMgLN晶体并经PPMgLN晶体倍频后产生倍频光，倍频光入射带通滤波片，带通滤波片将滤波后的 倍频光入射至光功率计。
2. 如权利要求1所述基于PPMgLN晶体的大范围温度测量装置，其特征在于：所述LD激 光二极管的中心波长为808nm〇
3. 如权利要求1所述基于PPMgLN晶体的大范围温度测量装置，其特征在于：所述 Nd:YVO#sB体朝向LD激光二极管的一端镀有808nm的增透膜和1064nm的高反膜，朝向 PPMgLN晶体的一端镀有1064nm的增透膜和808nm的高反膜。
4. 如权利要求1所述基于PPMgLN晶体的大范围温度测量装置，其特征在于：所述 PPMgLN晶体朝向Nd:YVO#sB体的一端镀有1064nm的增透膜，朝向带通滤波片的一端镀有 532nm的增透膜和1064nm的高反膜。
5. 如权利要求1所述基于PPMgLN晶体的大范围温度测量装置，其特征在于：所述带通 滤波片为双面涂层的高透滤光片。
6. 基于权利要求1所述基于PPMgLN晶体的大范围温度测量装置的测量方法，其特征 在于：将上述温度测量装置置于待测温度的环境中，使LD激光二极管产生的红外光入射 Nd:YV04晶体后产生的泵浦光与参考温度下产生的泵浦光相同，通过调节精密旋转平台使 之带动PPMgLN晶体旋转角度0i，满足倍频过程中的准相位匹配条件，根据PPMgLN晶体在 参考温度下的极化周期A。与旋转角度0i之间的函数关系计算PPMgLN晶体新的极化周期 A，根据新的极化周期A与温度T之间的函数关系计算出温度T，温度T的计算公式如下：
其中，热膨胀系数a、0为定值，a= 2. 0X10_6, 0 = 2. 2X10_6。
7. 如权利要求6所述基于PPMgLN晶体的大范围温度测量方法，其特征在于：所述 PPMgLN晶体在参考温度下的极化周期与旋转角度0 1之间的函数关系计算PPMgLN晶 体新的极化周期A，公式如下：
8. 如权利要求6所述基于PPMgLN晶体的大范围温度测量方法，其特征在于：所述新的 极化周期A与温度T之间的函数关系式如下： A(T) =A(25°C) [1+a? (T-25。T) + 0 ? (T_25°C)2]。
【专利摘要】本发明公开了基于PPMgLN晶体的大范围温度测量装置及方法，该装置包括LD激光二极管、Nd:YVO4晶体、PPMgLN晶体、精密旋转平台、带通滤波片以及光功率计；LD激光二极管、Nd:YVO4晶体、PPMgLN晶体、带通滤波片、光功率计从左到右依次排列，Nd:YVO4晶体和PPMgLN晶体位于同一水平面且相互分离，PPMgLN晶体放置于所述精密旋转平台上，精密旋转平台用于带动PPMgLN晶体旋转。本发明的大范围温度测量装置及方法，采用PPMgLN晶体化学性能稳定、非线性系数大、透光范围宽、熔点较高的特点，实现高效率的光光转换；且测量的温度范围大，能够满足某种特殊领域的测温需求，大大增强了温度测量装置的实用性。
【IPC分类】G01K11-30
【公开号】CN104807556
【申请号】CN201510243770
【发明人】常建华, 严娜, 桂诗信, 郭跃, 唐安庆, 顾久驭
【申请人】南京信息工程大学
【公开日】2015年7月29日
【申请日】2015年5月13日