阅读说明：本技术 一种测量纳米光纤振动模式的装置及方法 (Device and method for measuring vibration mode of nano optical fiber ) 是由 王晨曦 张鹏飞 李刚 张天才 于 2020-04-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种测量纳米光纤振动模式的装置及方法,在激光器的出射方向上设置有分光系统,将光分为两束,第一光束与第二光束,第一光束的出射方向设置有第一45度全反射镜、光频移系统、第二45度全反射镜、无偏振分束镜；第二光束的出射方向上设置有待测纳米光纤系统、无偏振分束镜,两束光在无偏振分束镜上分束叠加后,分为第三光束与第四光束,第三光束传输至普通探测器,转换为电信号传递至示波器,第四光束传输至单光子探测器,单光子探测器将输入的光信号转换为电脉冲信号进入数据采集卡,并保存下来。采用本发明的装置及方法最终可以实现实时测量纳米光纤的机械频率,并且测量方法简单易重复,可以测量皮瓦量级的微弱信号。(The invention discloses a device and a method for measuring a vibration mode of a nano optical fiber, wherein a light splitting system is arranged in the emergent direction of a laser, the light is split into two beams, namely a first light beam and a second light beam, and a first 45-degree total reflector, a light frequency shift system, a second 45-degree total reflector and a non-polarization beam splitter are arranged in the emergent direction of the first light beam; and a nano optical fiber system to be detected and an unpolarized beam splitter are arranged in the emergent direction of the second light beam, two light beams are split and superposed on the unpolarized beam splitter and then are divided into a third light beam and a fourth light beam, the third light beam is transmitted to a common detector and converted into an electric signal to be transmitted to an oscilloscope, the fourth light beam is transmitted to a single photon detector, and the single photon detector converts an input optical signal into an electric pulse signal, enters a data acquisition card and stores the electric pulse signal. The device and the method can finally realize the real-time measurement of the mechanical frequency of the nano optical fiber, and the measurement method is simple and easy to repeat, and can measure the picowatt-level weak signal.)

一种测量纳米光纤振动模式的装置及方法

技术领域

本发明涉及纳米光纤机械振动频率的技术领域，尤其涉及一种测量纳米光纤振动模式的装置及方法。

背景技术

由于通信技术的快速发展，光纤波导成为一种重要的现代技术。它不仅在网络通信、光纤传感等方面有重要应用，它还在基础科学研究中作为一种重要的科研工具为人们广泛使用。

纳米光纤是由普通单模光纤加热熔融拉伸制成，它最细的腰椎直径在亚波长量级。纳米光纤对光的横向传输模式有很强的束缚，因而具有很强的倏逝场，为光与原子相互作用提供必要条件。研究表明，位于光纤表面倏逝场内的原子的辐射可以被有效增强。与此同时，纳米光纤可以对表面原子辐射荧光进行高效的收集，理论上收集效率可达20％以上，相较于传统的高数值孔径物镜4％～5％的收集效率已经大大提高，鉴于纳米光纤在荧光收集方面的优势，因而其在微纳光子学、量子精密测量、非线性光学领域等诸多领域均得到了广泛的应用。

纳米光纤产生的倏逝场，分布在光纤表面半个波长区域内，具有模式体积小和光功率密度高等特点。由于纳米光纤芯径处于亚波长量级，只有基模可以稳定传输，因此在纳米光纤表面利用倏逝场可以建立偶极阱并用于俘获原子阵列。基于纳米光纤的冷原子的偶极俘获显著提升了在倏逝场中相互作用的有效原子数及倏逝场中冷原子寿命，并增强了二者间的相互作用强度。

与此同时，处在高真空环境中的纳米光纤受到环境阻力小，它会产生一些固有的机械振动频率包括violin振动频率、扭转频率、呼吸频率，与建立偶极阱中俘获的原子振动频率接近，从而产生共振，使得阱中俘获的原子具有一定的概率从阱中逃逸。另外，在纳米光纤用于传感应用中，纳米光纤本身的机械振动对高频传感会产生影响，因此在传感应用过程中，避开纳米光纤的振动频率或者反馈控制光纤振动是至关重要的。因而，对于纳米光纤机械振动频率的测量成为一项亟待解决的问题。

发明内容

为解决现有技术的缺点和不足，提供一种测量纳米光纤振动模式的装置及方法，避免纳米光纤的振动频率或者反馈控制光纤振动，利用外差探测来测量纳米光纤的机械振动频率。

为实现本发明目的而提供的一种测量纳米光纤振动模式的装置及方法，包括有激光器、分光系统、待测纳米光纤系统、无偏振分束镜，待测纳米光纤系统包括有真空腔以及放置在真空腔内的纳米光纤组成，所述激光器出射的激光进入分光系统，分为第一光束、第二光束，所述第一光束经过第一45度全反射镜、光频移系统、第二45度全反射镜，传输至所述无偏振分束镜；所述第二光束输入到待测纳米光纤系统，入射到纳米光纤的内部，光强设置为微瓦量级，与传输来的第一光束在无偏振分束镜上叠加干涉后形成第三光束，传输至普通探测器，转换为电信号传递至示波器，示波器得到信号用于优化干涉对比度，当两束光干涉对比度调节到最大时，第二光束照射到纳米光纤的腰部，光强设置为单光子量级，与传输来的第一光束在无偏振分束镜上叠加干涉后形成第四光束，传输至单光子探测器，单光子探测器将输入的光信号转换为电脉冲信号进入数据采集卡，对采集的数据进行傅里叶分析得到纳米光纤振动频率。

作为上述方案的进一步改进，所述分光系统包括激光器的锁定光路以及分光光路，所述锁定光路以及分光光路分别用于待测纳米光纤系统和光频移系统。

作为上述方案的进一步改进，所述光频移系统包括两个双通声光调制器，使得第一光束和第二光束的光频移22.5MHz。

作为上述方案的进一步改进，所述纳米光纤是由普通单模光纤熔融拉锥制成，光纤最细的腰部直径在400-600nm，纳米光纤包含三个部分，单模光纤部分、锥区、腰部。

作为上述方案的进一步改进，真空腔具有两个大窗片和六个小窗片，大窗片分别在真空腔的上下密封，六个小窗片分别在真空腔的侧面围绕一圈，纳米光纤的腰部处于真空腔体的中心位置，两端的单模光纤部分通过feedthrough结构穿过真空腔。

作为上述方案的进一步改进，所述激光器是外腔反馈式半导体激光器，激光器波长为852nm，最大光功率为100mW。

作为上述方案的进一步改进，所述45度全反射镜是反射率为99.9％的高反射镜，作用波段为750nm-1050nm。

作为上述方案的进一步改进，所述无偏振分光棱镜的分光比为9:1，作用波段为700-1100nm。

作为上述方案的进一步改进，

包括以下步骤：

S1.开启激光器，激光通过分光系统分为第一光束和第二光束；

S2.第一光束经过第一45度全反射镜、光频移系统、第二45度全反射镜、入射至无偏振分束棱镜，第二光束输入纳米光纤内部，设置光强为微瓦量级，两束光在9:1的无偏振分束棱镜上分束叠加干涉，输出第三光束由普通探测器探测，再将电信号输入示波器，根据示波器上显示的干涉条纹对比度去调节两束光的指向性，光斑大小和形状、偏振，使得两束光的干涉对比度达到最大，最终使得对比度达到95％以上；

S3.当两束光干涉对比度调节到最大时，第二光束通过待测纳米光纤系统的真空腔的窗片入射到纳米光纤的腰部，第二光束的部分光耦合到纳米光纤内，设置光强为单光子量级通过纳米光纤的另一端出射至无偏振分束棱镜，与传输来的第一光束在无偏振分束镜上叠加干涉后形成第四光束，传输至单光子探测器；

S4.单光子探测器将输入的光信号转换为电脉冲信号进入数据采集卡；

S5.读取数据采集卡存储的数据，对采集的信号数据进行傅里叶分析，在拍频处可得到一系列纳米光纤振动频率。

本发明的有益效果是：

与现有技术相比，本发明提供的一种测量纳米光纤振动模式的装置及方法，具体为在激光器的出射方向上设置有分光系统，将光分为两束，第一光束与第二光束，第一光束的出射方向设置有第一45度全反射镜、光频移系统、第二45 度全反射镜、无偏振分束镜；第二光束的出射方向上设置有待测纳米光纤系统、无偏振分束镜，两束光在无偏振分束镜上分束叠加后，分为第三光束与第四光束，第三光束传输至普通探测器，转换为电信号传递至示波器，第四光束传输至单光子探测器，单光子探测器将输入的光信号转换为电脉冲信号进入数据采集卡，并保存下来。该装置及方法可以提高测量纳米光纤的振动频率的信噪比、探测到纳米光纤振动的violin振动频率、扭转频率、呼吸频率，可广泛应用于低频信号测量领域。采用本发明的装置及方法最终可以实现实时测量纳米光纤的机械频率，并且测量方法简单易重复，可以测量皮瓦量级的微弱信号。

附图说明

以下结合附图对本发明的

具体实施方式

作进一步的详细说明，其中：

图1为本发明的装置的结构示意图；

图2是示波器上采集的干涉条纹，通过软件拟合得到第一光束和第二光束的干涉对比度示意图；

图3是通过单光子探测器和数据采集卡记录的数据经过傅里叶变换，测量到的纳米光纤的机械频率示意图。

具体实施方式

如图1-图3所示，本发明提供的一种测量纳米光纤振动模式的装置及方法，包括有激光器1、分光系统2、待测纳米光纤系统8、无偏振分束镜9，待测纳米光纤系统8包括有真空腔以及放置在真空腔内的纳米光纤组成，激光器1出射的激光进入分光系统2，分为第一光束3、第二光束4，第一光束3经过第一 45度全反射镜5、光频移系统6、第二45度全反射镜7，传输至无偏振分束镜9；第二光束4输入到待测纳米光纤系统8，入射到纳米光纤的内部，设置光强微瓦量级，与传输来的第一光束3在无偏振分束镜9上叠加干涉后形成第三光束10，传输至普通探测器14，转换为电信号传递至示波器15，示波器15得到信号用于优化干涉对比度，当两束光干涉对比度调节到最大时，通过第二光束4照射到纳米光纤的腰部，设置光强单光子量级，与传输来的第一光束3在无偏振分束镜9上叠加干涉后形成第四光束11，传输至单光子探测器12，单光子探测器 12将输入的光信号转换为电脉冲信号进入数据采集卡13，对采集的数据进行傅里叶分析得到纳米光纤振动频率。

本发明中普通探测器14型号为(Thorlabs)PDA10A-EC，探测波长范围是 200-1100nm，探测带宽150MHz。

单光子探测器12的型号为SPCM-NIR-14-FC，暗计数<100c/s，输出脉宽平均是7ns，死时间为20ns，探测中心波长800nm。

数据采集卡13分辨率为1ns，每个输入的计数速率最高可达1GHz。

作为上述方案的进一步改进，分光系统2包括激光器1的锁定光路以及分光光路，锁定光路以及分光光路分别用于待测纳米光纤系统8和光频移系统6。

作为上述方案的进一步改进，光频移系统6包括两个双通声光调制器，使得第一光束3和第二光束4之间的光频移为22.5MHz。第一个双通声光调制器设置频移为正失谐87MHz，第二个双通声光调制器设置频移为负失谐 75.75MHz。将激光器1锁定在铯原子D₂线|F＝4>→|F′＝4,5>的交叉线上，使用一双通声光调制器(光路中未标出)使得激光器出射光频移相对该交叉线为负失谐 51.5MHz后，输出光通过另一个双通声光调制器(光路中未标出)频移正 164.5MHz，此时输出光频率为铯原子D₂线|F＝4>→|F′＝5>负失谐12.5MHz，通过无偏振分束棱镜将光路分为第一光束3和第二光束4，可知第一光束3和第二光束4出射光频率为铯原子D₂线|F＝4>→|F′＝5>负失谐12.5MHz。第一光束3通过射频源加载在第一个声光调制器的频率为正87MHz，双次通过声光调制器后移频为正174MHz，出射的光再经过第二个声光调制器，射频源设置频移为负 75.75MHz，双次通过声光调制器后频移为负151.5MHz，最终第一光束3相对第二光束4频移为22.5MHz，第一光束3相对铯原子D₂线|F＝4>→|F′＝5>频移为正 10MHz

作为上述方案的进一步改进，纳米光纤是由普通单模光纤熔融拉锥制成，光纤最细的腰部直径在400-600nm，纳米光纤包含三个部分，单模光纤部分、锥区、腰部，其中腰部长度大约为1mm。

作为上述方案的进一步改进，真空腔具有两个大窗片和六个小窗片，大窗片分别在真空腔的上下密封，六个小窗片分别在真空腔的侧面围绕一圈，纳米光纤的腰部处于真空腔体的中心位置，两端的单模光纤部分通过feedthrough结构(真空穿通密封件)穿过真空腔，真空度大约在10^-7pa量级。

作为上述方案的进一步改进，激光器1是外腔反馈式半导体激光器1，激光器1波长为852nm，最大光功率为100mW。

作为上述方案的进一步改进，45度全反射镜是反射率为99.9％的高反射镜，作用波段为750nm-1050nm。

作为上述方案的进一步改进，无偏振分光棱镜的分光比为9:1，作用波段为 700-1100nm。

作为上述方案的进一步改进，

包括以下步骤：

S1.开启激光器1，采用饱和吸收光谱技术，激光器1出射的光分成两路，其中μW量级的光用来将激光器1锁定在铯原子D₂线|F＝4>→|F′＝4,5>的交叉线上，另一路光通过分光系统2分为第一光束3和第二光束4；

其中，μW量级的光分为两路probe光和pump光，pump光的光强是probe 光的10倍左右。两束光传播方向相反，交叠穿过铯泡，给激光器1一个250kHz 的外部调制，并用普通探测器14探测probe光的信号去产生鉴频曲线。用PID 去调节激光器1的压电陶瓷驱动器PZT改变激光器1的腔长，从而调节输出激光频率。同时PID调节激光器1的电流去调节激光输出频率，使用射频信号发生器和高压放大器将激光器1频率扫描起来，可以从示波器15上读取饱和吸收谱的谱线和鉴频曲线。调节扫频的增益和偏置将谱线在|F＝4>→|F′＝4,5>的交叉线上展开，使激光器1锁定在该交叉线上。输出光经过正频移声光调制器 164.5MHz和负频移声光调制器51.5MHz，将输出激光的频率频移到铯原子D₂线 |F＝4>→|F′＝5>跃迁线负失谐12.5MHz。

S2.第一光束3经过第一45度全反射镜5、光频移系统6、第二45度全反射镜7、入射至无偏振分束棱镜，第二光束4输入纳米光纤内部，设置光强为微瓦量级，两束光在9:1的无偏振分束棱镜上分束叠加干涉，输出第三光束10由普通探测器14探测，再将电信号输入示波器15，根据示波器15上显示的干涉条纹对比度去调节两束光的指向性，光斑大小和形状、偏振，使得两束光的干涉对比度达到最大，如图3所示，最终使得对比度达到95％以上；干涉对比度的计算公式为η＝A/y₀，其中A是干涉条纹的振幅大小，y₀是拟合干涉条纹相对零的偏置。调节光斑大小可以通过透镜变换，使得光斑扩大或缩小；两束光是从同一束光分光而来，因而光斑形状不会有太大的变化，可以调节光路中的一些器件，如声光调制器，光纤耦合准直器，保证光斑形状不会改变太多；两束光的空间指向性需要调节到完全重合，两束光的偏振通过偏振控制器和玻片调节，使得干涉对比度达到最大。

S3.当两束光干涉对比度调节到最大时，第二光束4通过待测纳米光纤系统 8的真空腔的窗片入射到纳米光纤的腰部，设置光强为单光子量级，第二光束4 的部分光从纳米光纤的倏逝场内耦合到纳米光纤内，通过纳米光纤的另一端出射至无偏振分束棱镜，与传输来的第一光束3在无偏振分束镜9上叠加干涉后形成第四光束11，传输至单光子探测器12；

S4.单光子探测器12将输入的光信号转换为电脉冲信号进入数据采集卡13，数据采集卡13的时间分辨率为1ns，按时间顺序累积测量20次的数据分别保存记录下来；

S5.将数据采集卡13存储的数据提取出来，通过Matlab导入采集的数据，并对数据进行傅里叶分析，将时域信号转换为频域信号，最终呈现出频域上的频谱分布，可以在拍频频率处获得携带纳米光纤振动频率的信息，如图3所示。在中心频率处，可以观测到一系列频谱峰。根据仿真模拟获得纳米光纤振动频率结果，并与测量所得结果对比，可以确定纳米光纤振动的violin振动频率，呼吸振动频率，扭转振动频率。

以上实施例不局限于该实施例自身的技术方案，实施例之间可以相互结合成新的实施例。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而并非对其进行限制，凡未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明技术方案的范围内。