阅读说明：本技术 一种基于双链式snap结构微腔阵列的位移传感系统 (Displacement sensing system based on double-chain SNAP structure microcavity array ) 是由 董永超 孙鹏辉 赵泽政 陈剑 王晗 王瑞洲 于 2020-06-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于双链式SNAP结构微腔阵列的位移传感系统,该位移传感系统主要包括可调谐激光器、偏振控制器、耦合波导、SNAP结构微腔阵列双链、位移装置、光电探测器、以及计算机。可调谐激光器产生扫频激光,经偏振控制器和耦合波导进入双链的SNAP结构微腔,光电探测器获取谐振谱并送入计算机处理。当微腔移动时,基于单个SNAP结构微腔的谐振谱特征实现半个SNAP结构长度的位移传感；每跨过半个SNAP结构长度,通过依次切换使用双链中的SNAP微腔产生的谐振谱,实现全范围的位移传感。该位移传感系统可实现大量程位移的高精度传感,且具有体积小、成本低和具备微结构测量的优势。(The invention discloses a displacement sensing system based on a double-chain SNAP structure microcavity array. The tunable laser generates sweep-frequency laser, the sweep-frequency laser enters the double-chain SNAP structural microcavity through the polarization controller and the coupling waveguide, and the photoelectric detector acquires a resonance spectrum and sends the resonance spectrum to the computer for processing. When the micro-cavity moves, displacement sensing of half SNAP structure length is realized based on resonance spectrum characteristics of the single SNAP structure micro-cavity; and when the length of each SNAP structure is over half, the full-range displacement sensing is realized by sequentially switching resonance spectrums generated by SNAP micro-cavities in the double chains. The displacement sensing system can realize high-precision sensing of large-range displacement, and has the advantages of small volume, low cost and microstructure measurement.)

一种基于双链式SNAP结构微腔阵列的位移传感系统

技术领域

本发明涉及光学传感技术领域，尤其涉及一种基于双链式表面纳米轴向光子(Surfacenanoscaleaxialphotonics,SNAP)结构微腔阵列的位移传感系统。

背景技术

近二十年内，精密以及超精密加工技术得到飞速发展，比如超精密加工机床、光刻机等设备，在根本上都依赖于超精密位移测量设备的发展。超精密位移测量设备包括磁电式传感、光电编码器以及光栅尺测量系统等。其中磁电式传感系统分辨率难以做到亚微米量级，且存在磁条不易于集成，漏磁等问题。光电式编码器包括光电编码器以及光栅尺，它们都是利用光电传感方式来进行测量的，其问题在于制作成本比较高，体积较大，对实际环境要求较高等。SNAP结构微腔作为一种高性能光学谐振腔，在高精度位移传感领域将会发挥巨大的潜力。理论上它可以达到亚微米级精度，不易受外部电磁干扰，且其基于光纤制作，成本低廉，体积小，适用于一些微结构领域的高精度位移测量。然而，单个SNAP结构微腔轴向尺寸有限，难以实现大量程位移传感。因此，为了解决SNAP结构微腔轴向测量范围有限的问题，促进其在大量程位移传感领域的应用，需要研发一种新型的位移传感方案和系统。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于双链式SNAP结构微腔阵列的位移传感系统。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种基于双链式SNAP结构微腔阵列的位移传感系统，主要包括可调谐激光器、偏振控制器、耦合波导、SNAP结构微腔阵列双链、位移装置、光电探测器以及计算机。所述可调谐激光器与所述偏振控制器相连，所述偏振控制器与所述耦合波导相连，所述耦合波导与所述光电探测器相连，所述光电探测器的输出端与计算机的数据输入端口相连，所述表面纳米轴向光子结构微腔阵列双链固定在所述位移装置上，所述位置装置设置在移动平台上。

其中，所述可调谐激光器产生连续且波长可调谐的激光并输入到光纤中，所述偏振控制器控制光纤中光波的偏振态，所述耦合波导将光纤中的光波通过倏逝场耦合进入两条链的SNAP结构微腔中，所述光电探测器用于将光信号转化为电信号，所述SNAP结构微腔阵列双链是传感系统的核心器件，用于产生谐振光波信号，所述位移装置用于调整微腔阵列相对于耦合波导的位移，使得SNAP结构微腔阵列相对于耦合波导产生移动，改变微腔与波导的耦合位置，以改变微腔内谐振模式的Q值以及透过率。所述光电探测器在测量到谐振信号后输入所述计算机内部进行处理。

进一步的，所述耦合波导可以是微纳锥形光纤、耦合棱镜、集成光波导、研磨倾角光纤或者光纤光栅。

进一步的，所述微腔阵列上的每个SNAP结构都是微腔，两条链上SNAP结构具有相同的轴向长度，SNAP结构的纵向截面形状可以是抛物线形、高斯曲线形或者梯形。

进一步的，两条SNAP微腔阵列链平行放置，间距控制在1mm以上，轴向上错开半个SNAP结构长度的距离。

进一步的，所述两条SNAP微腔阵列链之间的ERV不同，保证不同链产生的谐振模式在谐振谱上便于区分。

进一步的，所述耦合波导在工作过程中始终与SNAP结构微腔阵列保持接触。

进一步的，所述的SNAP结构微腔阵列利用电弧放电、二氧化碳激光或者紫外光作用在光纤上获得，所述SNAP结构单个微腔的轴向长度L为0.5～1.5mm，阵列数目可依据实际需要确定，不设限，所述表面纳米轴向光子结构微腔的ERV为10～100nm。

本发明还公开了一种基于表面纳米轴向光子结构微腔阵列结构的位移传感系统的实现方法，该方法主要包括如下具体步骤：

步骤S1：从可调谐激光器中发出的激光经偏振控制器作用后输入锥形光纤波导，经锥形光纤的倏逝场耦合进入SNAP结构微腔中，经光电探测器测得相应的谐振谱数据，输入计算机中的数据经处理而得到谐振谱。

步骤S2：当位移装置单方向运动时，SNAP结构微腔阵列相对于耦合光波导产生位移，相应地，谐振谱中的各轴向模式的Q值和透过率将会发生变化，在对Q值或透过率进行二进制编码后，通过计算机识别这些特征即可映射出发生耦合的位置，基于此效应能够实现半个SNAP结构长度内的位移测量。由于双链SNAP结构阵列之间的ERV不同，使得其在谐振谱上的谐振模式可以区分，在此基础上，每跨过半个SNAP结构长度，通过依次切换使用双链中的SNAP微腔产生的谐振谱，可实现全范围的位移传感。

本发明的工作过程和原理是：本方案利用微腔的模式场分布以及谐振谱特征参数依赖于腔体ERV的原理，通过一定的加工手段在光纤上制作出SNAP结构微腔阵列，且将两个SNAP结构微腔阵列交错分布，两者相差半个SNAP结构的长度，通过位移装置固定微腔阵列并使之与耦合波导相互耦合。由于SNAP结构径向尺寸变化量极小，只有纳米量级，因此能够很好抑制高阶模式的激发。通过改变耦合波导与微腔的相对位移引起谐振模式的变化，在模式谱上表现为相应的Q值以及光波透过率的变化，利用这些参数进行二进制编码，将二进制编码映射到对应的耦合位置上；当参数变化时，相对应的二进制编码同时发生变化，所指示的位移也相应会发生变化，在每个编码区内部，依据具有最高灵敏度的谐振模式实现高分辨率传感；继而实现半个SNAP结构长度的位移量的高分辨率传感。通过设置具有不同ERV的SNAP结构微腔阵列双链，两链上的微腔会同时与耦合波导发生耦合作用，由于两链所产生的谐振谱的谐振中心波长不同，因此谐振谱上会出现两个谐振区域。若先利用谐振波长较小区域的谐振数据实现半个SNAP结构长度内位移的测量，当耦合波导与微腔半径最大处发生耦合时，则此微腔的谐振谱上出现所有偶数阶模式消失的现象，以此现象作为切换信号，再利用谐振波长较大区域的谐振数据，即可实现一个SNAP结构长度位移量的测量；重复上述步骤，即可实现大量程位移的连续测量。

与现有技术相比，本发明还具有以下优点：

(1)本发明所提供的基于双链式SNAP结构微腔阵列的位移传感系统具有亚微米的分辨率，同时体积小、制作简单、成本低廉且适用于微结构测量场合。

(2)本发明所提供的基于双链式SNAP结构微腔阵列的位移传感系统中的双链式SNAP结构微腔阵列在工作过程中始终与耦合波导保持接触，两者之间的微弱静电力为系统提供稳定性，使得整个系统具有较好的抗振动干扰能力。

(3)本发明所提供的基于双链式SNAP结构微腔阵列的位移传感系统实现了大量程、高精度的位移传感，克服了单个SNAP结构微腔由于轴向长度较小而无法实现测量较大量程位移的缺点。

附图说明

图1是本发明所提供的基于双链式SNAP结构微腔阵列的位移传感系统的结构示意图。

图2是本发明所提供的SNAP结构微腔阵列双链与位移装置的安装结构示意图。

图3是本发明所提供的具有不同ERV的SNAP结构微腔的理论谐振模式谱图。

图4是本发明所提供的各模式透过率与位移间的关系曲线图。

上述附图中的标号说明：

1-调谐激光器，2-偏振控制器，3-耦合波导，4-SNAP结构微腔阵列，5-位移装置，6-光电探测器，7-计算机。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

如图1至图4所示，本实施例公开了一种基于双链式SNAP结构微腔阵列的位移传感系统。该系统是基于SNAP结构微腔的谐振模式特征，利用微腔与耦合波导3产生相对位移引起的谐振参数变化实现位移传感。两条SNAP结构微腔阵列4平行放置，轴向上错开半个SNAP结构长度。

在半个SNAP结构长度内，当位移装置单方向运动时，SNAP结构微腔阵列4相对于耦合光波导3产生位移，相应地，谐振谱中的各轴向模式的Q值与透过率将会发生变化，在对Q值或透过率进行二进制编码后，可以建立起编码与位移间的映射关系，在每个编码区内部，依据具有最高灵敏度的谐振模式实现高分辨率传感；在此基础上，通过设置具有不同有效半径变化量(EffectiveRadiusVariation,ERV)的微腔阵列，耦合波导3同时与两链上的微腔发生耦合，依据微腔耦合理论，不同的单链与耦合波导3发生耦合后将产生谐振中心波长不同的谐振谱区。通过先后利用不同谐振谱区的特征参数，可以实现对整个SNAP结构长度内位移的测量功能；通过对微腔进行阵列排布，重复以上测量步骤后，即可实现对全范围位移的测量。同时，由于SNAP结构微腔阵列4具有制作简单、成本低和体积小的优势，适用于一些微结构的高精度、大量程位移的精密测量。

图1是本发明提出的基于双链式SNAP结构微腔阵列的位移传感系统的结构示意图，为了更清楚地表达系统原理，图中所有器件的尺寸和比例均不遵从真实比例，特此说明。该系统包括可调谐激光器1、偏振控制器2、耦合波导3、SNAP结构微腔阵列双链4、位移装置5、光电探测器6以及计算机7。其中，可调谐激光器1产生连续、波长可调谐的激光并输入到连接光纤中；偏振控制器2控制光纤中的光波偏振态；耦合波导3将光波通过倏逝场耦合进SNAP结构微腔双链4；SNAP结构微腔阵列双链4是传感系统的核心器件，固定在位移装置5的连接单元上，用来对连续波长光波进行选频；位移装置5用来改变微腔与耦合波导的相对耦合位置，进而验证位移传感系统的可靠性以及精度；光电探测器6用于将光信号转换为电信号，获取耦合系统的谐振谱数据；计算机7用于处理光电探测器6输出的谐振谱数据并输出显示。

本实施例中，可调谐激光器1的工作波长在1550nm附近，线宽300kHz；耦合波导3为锥腰直径约2的锥形光纤；SNAP结构微腔阵列双链4通过电弧放电加工获得，阵列数为4。系统工作过程中，耦合波导3与SNAP结构微腔阵列双链4保持接触，以提高耦合系统的稳定性。从可调谐激光器1中发出的激光经耦合波导3进入SNAP结构微腔阵列双链4中，满足谐振条件的特定波长的光波在微腔内形成谐振。谐振谱中的模式特征参数(Q值和透过率)受耦合条件(即微腔耦合位置)的影响，当位移装置5使SNAP结构微腔阵列双链4产生位移时，谐振谱中的各轴向模式特征参数会发生变化，通过对特征参数进行二进制编码，可将位移与谐振谱特征参数对应起来，基于此效应能够实现SNAP结构微腔阵列双链4的轴向位移传感。

当SNAP结构微腔阵列双链4相对于耦合波导移动时，通过识别模式谱上单链a(见图2)的特征参数可实现半个SNAP结构长度位移量的测量；当耦合波导与微腔半径最大处耦合时，会出现谐振谱上的所有偶数阶模式消失的现象，以此作为切换点，切换到单链b的模式谱区，通过识别单链b的谐振谱区域的特征参数实现半个SNAP结构长度的位移测量；通过重复上述测量过程，即可实现全范围位移的连续测量。在保证SNAP结构微腔双链4加工质量的前提下，该位移传感系统的分辨率和量程分别由轴向模式的阶数以及单链上微腔阵列个数决定。

图2是本实施例中位移装置的连接单元与两条SNAP微腔阵列单链进行连接的位置关系图，单链a与单链b的中心轴相互平行，两链之间的距离不小于1mm以免相互耦合，图中位移装置的两个连接单元并非一定相差半个SNAP结构长度L/2，但需要保证两个单链上微腔错开半个SNAP结构长度L/2。

图3是本实施例中SNAP结构微腔阵列双链4不同耦合位置的理论谐振谱图，两条链中SNAP结构微腔的谐振谱处于不同的波段，其中，单链a的谐振波段为1550.44-1550.68nm，单链b的谐振波段为1550.75-1551nm，经过编码后的信号不会重复，以便于识别。谐振谱图中8个波谷代表前8阶轴向模式。微腔耦合理论表明，谐振模式的特征参数由耦合系数决定，而耦合系数由该模式场与耦合波导模式场的重叠积分决定，因此，各轴向模式的场分布决定了其Q值或透过率随耦合位置的变化特性。从图3中可以看出，在不同耦合位置，各谐振模式的Q值和透过率均不相同，且具有一定规律性。

图4给出了单链a的半个SNAP结构长度微腔中的前8阶轴向模式的透过率随位移的变化曲线。可以看出，对于1阶模式，在耦合位置从左到右的变化过程中，其透过经历了从大到小再从小到大的过程；对于2阶模式，经历了两次类似的变化历程；同理，n阶轴向模式经历n次类似的变化历程。单链b中的SNAP结构微腔的各阶模式特征参数变化规律与此相同。综合利用各阶轴向模式特征参数的变化规律，可以实现大范围位移传感。该传感方法中，谐振模式的轴向分布范围决定位移传感的量程，单位位移中透过率变化大小决定位移传感的分辨率。

实施例2：

本实施例中，可调谐激光器1的工作波长在1550nm附近，线宽300kHz；耦合波导3为研磨倾角光纤，通过对常规光纤端面进行高精度的研磨获得；SNAP结构微腔阵列双链4上的单个SNAP结构微腔通过二氧化碳激光器加工获得，其轴向长度约300，径向呈高斯曲线形，最大半径变化约15nm，阵列数为50。

实施例3：

本实施例中，可调谐激光器1的工作波长在1550nm附近，线宽300kHz；耦合波导3为耦合棱镜；SNAP结构微腔阵列双链4上的单个微腔通过紫外线激光加工获得，其轴向长度约400，径向呈类梯形，最大半径变化约10nm，阵列数为20。

综上所述，本发明提出了一种基于双链式SNAP结构微腔阵列的位移传感系统，该系统基于SNAP结构微腔的模式场分布和模式谱结构特点，利用位移改变会引起SNAP结构微腔的各轴向模式特征参数改变的特性，通过测量谐振谱中各模式的Q值或透过率并映射到对应的二进制编码上，实现半个SNAP结构长度位移的传感；通过设置两个具有不同ERV的SNAP结构微腔阵列单链，保证两个谐振谱区分开以便于区分，以此来区分各个单链进入耦合的顺序，再通过切换点实现两个谐振谱区的相互切换，实现多个SNAP结构长度的位移连续测量功能。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。