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近期，山东高等技术研究院热科学团队在光学测温方向取得新进展，提出并验证了一种基于氮化硅纳米薄膜热应变光力学效应的非接触低温测温方法，为低温精密测量提供了一种非侵入式的计量新方案。相关成果以“Cryogenic thermometry via nanofilm thermal-strain optomechanics”为题发表在光学领域期刊《Photonics Research》。

低温测量对热负荷的引入要求苛刻，传统接触式测温通过温度传感器，不可避免地引入自热负载，且易受环境扰动引起热漂移。因此，发展一种非侵入式低扰动的测温方法在低温测量领域具有重要价值。针对这一问题，研究团队的思路是采用氮化硅纳米薄膜窗作为传感元件，利用弱光干涉技术测量其机械噪声功率谱获得共振频率。并且氮化硅薄膜的热应力随温度发生变化，致使其机械共振频率发生偏移。该方法通过建立共振频率和温度的定量关系，将“温度信号”转化为“光学可读出的频率信号”，进而实现无需电接触的非侵入式测温。

图1 实验系统图与悬浮氮化硅薄膜

实验表明，氮化硅纳米薄膜在低温环境下呈现出清晰的多振动模式，且所有振动模态在214 K附近均出现明显的频率响应拐点。在高于214 K时，频率随温度呈现正相关。在低于214 K的温区内，共振频率随温度呈负相关的线性变化，此时，本征频率-温度系数约为-122 Hz/K。通过这一线性关系，结合多个振动模频率在95–214 K范围内实现精准温度重建，平均绝对测温误差减小至208 mK。

图2 振动模式频率随温度变化与多模式温度重建

该工作利用氮化硅纳米薄膜热膨胀失配的温度依赖性，揭示了其在低温环境下的光力学响应机制，并建立了基于多模频率信息重构的非接触低温测温方法。在此基础上，该技术将进一步拓展至4 K温区，有望为低温电子学、量子器件热管理和极低温精密测量提供新的计量工具。