申请/专利权人：常州工业职业技术学院;常州宇科新技术开发有限公司

申请日：2019-05-08

公开（公告）日：2024-04-05

公开（公告）号：CN110133388B

主分类号：G01R29/12

分类号：G01R29/12

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.05#授权;2024.03.19#著录事项变更;2019.09.10#实质审查的生效;2019.08.16#公开

摘要：一种单向反射PT对称结构电场传感器，所述电场传感器采用周期PT对称结构，其中每一个周期都依次由A、B、C三种不同的介质层构成，周期数为N；A层由增益介质材料构成，C层由损耗介质材料构成，B层使用电光材料构建；结构中的B层充当了共振腔的作用，配合周期性结构产生布拉格散射；所有材料均为非磁性材料。所述电场传感器在布拉格散射与共振腔的共同作用下，结构上主要呈现带边模式和单向反射现象，可通过测量结构透射率大小实现对电场的传感，并通过反射率的分析判断外电场方向。通过对该传感器设计方案的分析，可知该方案在较小的电场波动范围内拥有极高的灵敏度，电场每变化1Vnm，透射率变化最高可达3000dB。

主权项：1.一种单向反射PT对称结构电场传感器，其特征在于：所述电场传感器采用周期PT对称结构，其中每一个周期都依次由A、B、C三种不同的介质层构成，周期数为N，整个结构可以用ABCN表示；结构周期数为N＝400，增强带边模式，同时产生增强的位置出现宽度很窄的高透射、反射峰；A层由增益介质材料构成，C层由损耗介质材料构成，B层使用电光材料构建；结构中的B层充当了共振腔的作用，配合周期性结构产生布拉格散射；所有材料均为非磁性材料，即相对磁导率为1；A层和C层中，使用洛伦兹模型描述A、C层的介电常数： 式1中的电子弛豫率γ＝1×1014s-1，震荡频率ω0＝1.221×1015，对应λ0＝1543.835nm，基底材料电常数εh与入射波长λ的关系可用Sellmeier色散关系描述； 三个波长点分别为λ1＝68nm、λ2＝116nm、λ3＝9896nm，所对应的系数分别为C1＝0.7、C2＝0.41、C3＝0.9；对于A层，α＝-1.8428×10-3表示增益，对于C层α＝1.8428×10-3表示损耗；在外部电场正向入射且符号为正时，外部电场越大，最高透射峰越向左移，而高度则有所降低；当换为外部电场反向入射且符号为负，外部电场方向反转，透射峰值随电场大小的增大而提高，位置也逐渐右移；通过观察电场传感器的透射谱线，调节外加电场的大小，结构会在较长的一段波长范围内落入带隙之中，利用在带隙边缘存在的带边模式，通过观测透射峰值的高度得出所处的电场大小；由电场传感器结构的布拉格散射所导致的单向反射，对比正反两个方向的反射率大小，判断出传感器所处电场的方向。

全文数据：一种单向反射PT对称结构电场传感器技术领域本专利涉及光学器件设计领域，具体涉及一种单向反射PT对称结构电场传感器。背景技术电场强度的测量是工业生产和科学研究中不可或缺的重要环节，各式各样的电场强度或电压测量仪器遍布人们生产生活的方方面面。在电场传感设备的设计中，高强度电场测量和传感是较为困难的一个领域。高强度的电场对于人和设备都是极其危险的，这就要求传感设备具有可靠性高、电气特性稳定、部署与使用过程安全便捷等特点，而光学电场传感器恰恰满足了这样的要求。近些年，光学器件设计领域涌现出一大批以PTparity-time，宇称-时间对称结构为基础的研究成果。PT对称结构与传统光学器件结合，不仅为器件性能改进打开了新的思路，也揭示了PT对称结构所具有的一系列奇异的物理性质。发明内容本专利将PT对称结构应用至光学器件设计领域，提出一种单向反射PT对称结构电场传感器。一种单向反射PT对称结构电场传感器，所述电场传感器采用周期PT对称结构，其中每一个周期都依次由A、B、C三种不同的介质层构成，周期数为N，整个结构可以用ABCN表示；A层由增益介质材料构成，C层由损耗介质材料构成，B层使用电光材料构建；结构中的B层充当了共振腔的作用，配合周期性结构产生布拉格散射；所有材料均为非磁性材料，即相对磁导率为1。进一步地，A层和C层中使用二氧化硅作基底材料掺杂不同形式的量子点，分别构成增益介质材料和损耗介质材料。进一步地，B层的电光材料采用5mol％氧化镁掺杂的铌酸锂，其为一种典型的电光材料，其折射率会随外加电场变化。进一步地，保持A层和C层厚度相等，使结构内折射率分布在指定的工作波长附近，满足PT对称条件。进一步地，取A层和C层厚度dA＝dc＝1870nm；B层可以看作是A层和C层之间的一个共振腔，其厚度dB＝675.95nm，这样的厚度调整使入射波在B层中发生共振，强度得到提升，与增益、损耗介质作用时也会产生更强的特异性现象。进一步地，通过观察电场传感器的透射谱线，调节外加电场的大小，结构会在较长的一段波长范围内落入带隙之中，利用在带隙边缘存在的带边模式，通过观测透射峰值的高度可得出所处的电场大小。进一步地，由电场传感器结构的布拉格散射所导致的单向反射，对比正反两个方向的反射率大小，可判断出传感器所处电场的方向。本专利到达的有益效果为：所述电场传感器在布拉格散射与共振腔的共同作用下，结构上主要呈现出两个特殊性质：带边模式和单向反射现象。带边模式会在结构的透射谱中产生一个较高的峰值，其高度与外加电场有关。以此为基础，建立外电场大小与透射峰高度的对应关系，即可通过测量结构透射率大小实现对电场的传感。而结构中出现的单向反射现象，使得沿不同入射方向的电磁波拥有不同的反射率。其方向性受外电场方向影响，因此可以用于判断外电场方向。通过对该传感器设计方案的分析，可知该方案在较小的电场波动范围内拥有极高的灵敏度，电场每变化1Vnm，透射率变化最高可达3000dB。附图说明图1为本专利所述的电场传感器的结构示意图。具体实施方式下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。一种单向反射PT对称结构电场传感器，所述电场传感器采用周期PT对称结构，其中每一个周期都依次由A、B、C三种不同的介质层构成，周期数为N，整个结构可以用ABCN表示。A层由增益介质材料构成，C层由损耗介质材料构成，B层使用电光材料构建；结构中的B层充当了共振腔的作用，配合周期性结构产生布拉格散射。所有材料均为非磁性材料，即相对磁导率为1。A层和C层中使用二氧化硅作基底材料掺杂不同形式的量子点，分别构成增益介质材料和损耗介质材料。可以使用洛伦兹模型描述A、C层的介电常数：式1中的电子弛豫率γ＝1×1014s-1，震荡频率ω0＝1.221×1015对应λ0＝1543.835nm。对于基底材料SiO2，其介电常数εh与入射波长λ的关系可用Sellmeier色散关系描述。式1中的三个波长点分别为λ1＝68nm、λ2＝116nm、λ3＝9896nm，所对应的系数分别为C1＝0.7、C2＝0.41、C3＝0.9。对于A层，α＝-1.8428×10-3表示增益，而对于C层α＝1.8428×10-3表示损耗。B层的电光材料采用5mol％氧化镁掺杂的铌酸锂，其为一种典型的电光材料，其折射率会随外加电场Eex变化。由于LiNbO3是3m对称点阵结构，当外界电场施加在z轴方向时，介质的折射率椭圆可以表示为：由于LiNbO3是一种单轴晶体，可以用no表示x和y轴向的折射率，用ne表示z轴向折射率。考虑入射波只存在y方向上的电场，即TE波入射的情况，式3可以被化简并得到式4中B层折射率nB的形式，其中，nB0＝2.286相当于式3中的ne，电光常数γ13＝8.6×10-12mV。首先，为了使结构表现出不同寻常的光学性质，结构内总体折射率分布需要满足或基本满足PT对称条件。一方面，在外加电场恒定的情况下，由式4可知B层的折射率为一固定值且虚部为0。另一方面，由式1可以得知A、C层介质取相反的α值保证了nA和nC的虚部则始终保持互为相反数的关系。因此，只要保持A层和C层厚度相等，使结构内折射率分布在指定的工作波长附近，满足PT对称条件。其次，为了增强PT对称结构的特殊传输现象，可以调整各层厚度使得传输特性的计算结果达到最优。根据式1中洛伦兹模型的振荡频率，取A层和C层厚度dA＝dc＝1870nm；B层可以看作是A层和C层之间的一个共振腔，其厚度可以由共振增强条件nBdB＝λ0计算得出，假定外加电场Eex＝0，得到dB＝675.95nm，这样的厚度调整使入射波在B层中发生共振，强度得到提升，与增益、损耗介质作用时也会产生更强的特异性现象。通过观察电场传感器的透射谱线，调节外加电场的大小，结构会在较长的一段波长范围内落入带隙之中，利用在带隙边缘存在的带边模式，通过观测透射峰值的高度可得出所处的电场大小。PT对称结构在带边存在增益或损耗现象，虽然结构中增益和损耗介质是均匀分布的，但结构中的共振导致光子与增益或损耗介质的作用时间不同，当光子与增益介质作用的时间大于损耗介质时，整体就表现出对入射光的增益作用，反之则表现出损耗。此外，这种现象在带隙边缘处最为明显，是因为此时结构中光波的群速度最低，光子与增益、损耗介质作用的时间也最长，表现出的增益或损耗现象也是最明显的。具体来看，结构中的B层充当了共振腔的作用，配合周期性结构产生布拉格散射，进而产生了诸多奇异的传输现象。所以，结构周期数N和B层的性质对于结构整体性质具有重要的影响。先将结构周期数增加到N＝400，带边模式将得到明显的增强，同时产生增强的位置出现了宽度很窄的高透射、反射峰，这是实现传感器的基础。真正将结构的传输性质与外部电场大小联系起来的，是B层中的电光材料。在外部电场正向入射且符号为正时，外部电场越大，最高透射峰越向左移，而高度则有所降低。当换为外部电场反向入射且符号为负，外部电场方向反转，透射峰值随电场大小的增大而提高，位置也逐渐右移。有了透射峰值随外部电场大小变化的规律，就可以通过观测结构透射峰值的高度得出结构所处的电场大小，也就实现了电场传感。这样一种传感机制的最大优点在于免去了峰值位置检测的过程，仅检测透射率的大小，在传感数据的读取方面更加简单。同时，PT对称结构在带隙边缘处的放大作用，相当于传感器自带了放大器，也为透射率变化提供了更广的范围。由电场传感器结构的布拉格散射所导致的单向反射，对比正反两个方向的反射率大小，可判断出传感器所处电场的方向。单向反射现象之所以可以用于电场方向的判断，是因为单向反射的方向性与电场方向相关。在外部电场入射方向相反的情况下，正向入射时反射波能量减弱，而反向入射时，反射波能量被增强。对比正反两个方向的反射率大小，即可判断出传感器所处电场的方向。以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

权利要求：1.一种单向反射PT对称结构电场传感器，其特征在于：所述电场传感器采用周期PT对称结构，其中每一个周期都依次由A、B、C三种不同的介质层构成，周期数为N，整个结构可以用ABCN表示；A层由增益介质材料构成，C层由损耗介质材料构成，B层使用电光材料构建；结构中的B层充当了共振腔的作用，配合周期性结构产生布拉格散射；所有材料均为非磁性材料，即相对磁导率为1。2.根据权利要求1所述的一种单向反射PT对称结构电场传感器，其特征在于：A层和C层中使用二氧化硅作基底材料掺杂不同形式的量子点，分别构成增益介质材料和损耗介质材料。3.根据权利要求1所述的一种单向反射PT对称结构电场传感器，其特征在于：B层的电光材料采用5mol％氧化镁掺杂的铌酸锂，其为一种典型的电光材料，其折射率会随外加电场变化。4.根据权利要求1所述的一种单向反射PT对称结构电场传感器，其特征在于：保持A层和C层厚度相等，使结构内折射率分布在指定的工作波长附近，满足PT对称条件。5.根据权利要求1所述的一种单向反射PT对称结构电场传感器，其特征在于：取A层和C层厚度dA＝dc＝1870nm；B层可以看作是A层和C层之间的一个共振腔，其厚度dB＝675.95nm，这样的厚度调整使入射波在B层中发生共振，强度得到提升，与增益、损耗介质作用时也会产生更强的特异性现象。6.根据权利要求1所述的一种单向反射PT对称结构电场传感器，其特征在于：通过观察电场传感器的透射谱线，调节外加电场的大小，结构会在较长的一段波长范围内落入带隙之中，利用在带隙边缘存在的带边模式，通过观测透射峰值的高度可得出所处的电场大小。7.根据权利要求1所述的一种单向反射PT对称结构电场传感器，其特征在于：由电场传感器结构的布拉格散射所导致的单向反射，对比正反两个方向的反射率大小，可判断出传感器所处电场的方向。

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