一种基于量子增强的微悬臂梁光纤光栅微位移传感器制造技术

本实用新型专利技术公开了基于量子增强的微悬臂梁光纤光栅微位移传感器，其特征包括激光器、2×1耦合器、滤波器、掺铒光纤放大器、滤波器、光纤偏振控制器、光纤偏振分束器、色散位移光纤、粗波分复用器、光纤隔离器、光纤布拉格光栅、微悬臂梁、平衡探测器、频谱分析仪；本实用新型专利技术使用经四波混频后产生的量子纠缠双光束，其具有高度量子相关性，每个模式的强度差量子噪声都降低，探测光与参考光量子相关噪声相减，产生低于散粒噪声极限的噪声基底，使被湮没在量子噪声下的信号可以被探测到，由此实现对微位移的突破量子噪声极限的超高灵敏度测量。本实用新型专利技术微悬臂梁光纤光栅微位移传感器具有极高灵敏度，安全可靠的优点。

A quantum enhanced micro cantilever FBG micro displacement sensor

【技术实现步骤摘要】
一种基于量子增强的微悬臂梁光纤光栅微位移传感器
本技术属于光纤传感
，特别涉及一种基于量子增强的微悬臂梁光纤光栅微位移传感器。
技术介绍
光纤光栅微位移传感器利用布拉格光纤光栅会在外部应变变化的状况下中心波长发生改变，导致反射光强度变化的原理来实现对位移量的测量。又因为其具有以下优点：1)抗电磁干扰，难腐蚀；2)信号通过光波传播，速度快；3)可复用，可以很大的提高光纤的利用率；4)体积小，形状具有可塑性。所以光纤光栅微位移传感器广泛应用于民用工程领域的结构检测，例如，桥梁、大坝、电力设施、海上石油平台等大型架构。长度量是最基本的几何参量之一，它包括距离、位移等。长度量的测量对于人们进行科学研究以及促进科学发展都具有十分重要的意义。尤其是微米、纳米级别的微位移测量，在各个领域的研究中都占有重要的地位，随着科技的进步和发展，其重要性也日益增加。微位移测量技术在精密系统测量、精密材料加工、微型装置装配、纳米技术和基因工程的显微操作系统等方面具有很好的应用前景。现阶段，微小位移的测量精度不断提高，检测方法呈现出多样化。微悬臂梁传感器是微机电系统器件中具有结构简单、分辨率高、易阵列化和易集成化等优势的传感器，使其成为人们研究的热点领域之一。微悬臂梁的尺寸属于微纳米量级，并具有多种结构样式可实现多样化功能，从而被广泛的应用于信息工程、生物工程、微力测量、环境监测等诸多领域。随着应用领域的不断拓展，同时因为结构特点及尺寸的特殊性，使微悬臂梁传感器正朝着多功能化、智能化、集成化、微型化的应用需求趋势发展。>普通光纤光栅微位移传感器通常采用波长检测，但是它们会受到波长灵敏度和分辨率的限制，使得测量精度不能进一步提高。本技术提出一种基于量子增强的微悬臂梁光纤光栅微位移传感器用于实现位移的极高灵敏度测量。本技术采用强度检测取代普通光纤光栅微位移传感器的波长检测。强度检测相较于波长检测具有更高的精度，但很微小的光强度可能会被湮没在噪声里，因此将量子增强引入到光纤光栅传感中。本技术利用量子纠缠源产生的共轭光束对位移量进行探测，因为量子共轭光束具有高度量子相关性，对双光束做差分处理可以使灵敏度突破量子噪声极限。因此本技术提出的突破量子噪声极限的基于量子增强的微悬臂梁光纤光栅微位移传感器具有极高灵敏度，结构简单，具有很高的实用价值。
技术实现思路
为了克服普通光纤光栅微位移传感器测量精度受量子标准极限影响，不能突破量子噪声极限，不可能提高超出散粒噪声极限以外的灵敏度的问题，本技术提出了一种具有极高灵敏度，结构简单，具有很高的实用价值的突破量子噪声极限的基于量子增强的微悬臂梁光纤光栅微位移传感器。本技术为解决技术问题所采取的技术方案为：一种基于量子增强的微悬臂梁光纤光栅微位移传感器，包括激光器、2×1耦合器、滤波器、掺铒光纤放大器(EDFA)、滤波器、光纤偏振控制器(FPC)、光纤偏振分束器(FPBS)、色散位移光纤(DSF)、粗波分复用器(CWDM)、光纤隔离器、光纤布拉格光栅(FBG)、微悬臂梁、平衡探测器、频谱分析仪。2×1耦合器包括第一耦合器、第二耦合器和第三耦合器，光纤偏振控制器包括第一、第二和第三偏振控制器，光纤偏振分束器包括第一和第二偏振分束器，滤波器包括第一和第二滤波器。第一耦合器一端口一端与激光器相连，第一耦合器两端口一侧的高分光比端口与第一滤波器输入端相连，第一滤波器输出端与掺铒光纤放大器输入端相连，掺铒光纤放大器输出端与第一偏振控制器一端相连，第一偏振控制器另一端与第一偏振分束器一端相连，第一偏振分束器另一端与第二耦合器两端口的一端相连，第一耦合器两端口一侧的低分光比端口与第二滤波器输入端相连，第二滤波器输出端与第二偏振控制器一端相连，第二偏振控制器另一端与第二偏振分束器一端相连，第二偏振分束器另一端与第三偏振控制器一端相连，第三偏振控制器另一端与第二耦合器两端口的另一端相连，第二耦合器一端口的一端与色散位移光纤一端相连，色散位移光纤另一端与粗波分复用器输入端相连，粗波分复用器输出端一端口与平衡探测器输入端一端口相连，粗波分复用器输出端另一端口与光纤隔离器一端相连，光纤隔离器另一端与第三耦合器两端口一端相连，第三耦合器一端口一端与布拉格光纤光栅一端相连，布拉格光纤光栅另一端与微悬臂梁相连，第三耦合器两端口另一端与平衡探测器输入端另一端口相连，平衡探测器输出端与频谱分析仪相连。所述布拉格光纤光栅传感头采用温度不敏感布拉格光纤光栅，中心波长与信号光波长匹配。本技术的有益效果为：本技术能使原来被湮没在量子噪声下的信号可以被探测到。量子噪声直接源于海森堡不确定性原理，其包含两个主要噪声源，即反作用噪声和散粒噪声。反作用噪声来自光子动量噪声传递引起的微悬臂位置的扰动。在许多情况下，热噪声、经典激光噪声和量子力学反作用可以限制微悬臂梁中最小的可检测位移，但是我们可以通过别的技术方法避开这些噪声。因此相干光场的噪声水平，即光子散粒噪声极限，成为了主要的噪声源。用传统光学手段无法突破散粒噪声极限，只能采用量子增强才可以突破。而本技术使用的信号和闲频双光束在强度(光子数)波动方面具有很强的量子相关性，即它们强度差的量子噪声水平比散粒噪声极限低3.1分贝(校正损耗后为10.4分贝)。这使得信号光经过光纤布拉格光栅输入到平衡探测器后，微位移造成的强度差即使低于散粒噪声极限，其仍能被探测到。由此可以实现对微位移的突破量子噪声极限的超高灵敏度测量。本技术用温度不敏感光纤布拉格光栅避免应力与温度的交叉敏感问题。随着位移的变化，光纤光栅折射率分布和栅距发生改变，使得布拉格光纤光栅的反射光强度发生变化，探测光与参考光量子相关噪声相减，产生低于散粒噪声极限的噪声基底，因此可以实现位移的突破量子噪声极限的高灵敏度测量。附图说明图1为一种基于量子增强的微悬臂梁光纤光栅微位移传感器结构示意图。具体实施方式下面结合附图对本技术作进一步描述。如图1所示，一种基于量子增强的微悬臂梁光纤光栅微位移传感器，包括激光器1、第一耦合器2、第一滤波器3、掺铒光纤放大器4、第一光纤偏振控制器5、第一光纤偏振分束器6、第二滤波器7、第二光纤偏振控制器8、第二光纤偏振分束器9、第二光纤偏振控制器10、第二耦合器11、色散位移光纤12、粗波分复用器13、光纤隔离器14、第三耦合器15、传输光纤16，光纤布拉格光栅17、微悬臂梁18、平衡探测器19、频谱分析仪20。第一耦合器2一端口一端201与激光器相连，第一耦合器2两端口一侧的高分光比端口202与第一滤波器3输入端相连，第一滤波器3输出端与掺铒光纤放大器4输入端相连，掺铒光纤放大器4输出端与第一偏振控制器5一端相连，第一偏振控制器5另一端与第一偏振分束器6一端相连，第一偏振分束器6另一端与第二耦合器11两端口的一端1102相连，第一耦合器2两端口一侧的低分光比端口203与第二滤波器7输入端相连，第二滤波器7输出端与第二偏振控制器8一端相连，第二偏本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于量子增强的微悬臂梁光纤光栅微位移传感器，其特征在于包括激光器、2×1耦合器、滤波器、掺铒光纤放大器、滤波器、光纤偏振控制器、光纤偏振分束器、色散位移光纤、粗波分复用器、光纤隔离器、光纤布拉格光栅、微悬臂梁、平衡探测器、频谱分析仪；第一耦合器一端口一端与激光器相连，第一耦合器两端口一侧的高分光比端口与第一滤波器输入端相连，第一滤波器输出端与掺铒光纤放大器输入端相连，掺铒光纤放大器输出端与第一偏振控制器一端相连，第一偏振控制器另一端与第一偏振分束器一端相连，第一偏振分束器另一端与第二耦合器两端口的一端相连，第一耦合器两端口一侧的低分光比端口与第二滤波器输入端相连，第二滤波器输出端与第二偏振控制器一端相连，第二偏振控制器另一端与第二偏振分束器一端相连，第二偏振分束器另一端与第三偏振控制器一端相连，第三偏振控制器另一端与第二耦合器两端口的另一端相连，第二耦合器一端口的一端与色散位移光纤一端相连，色散位移光纤另一端与粗波分复用器输入端相连，粗波分复用器输出端一端口与平衡探测器输入端一端口相连，粗波分复用器输出端另一端口与光纤隔离器一端相连，光纤隔离器另一端与第三耦合器两端口一端相连，第三耦合器一端口一端与布拉格光纤光栅一端相连，布拉格光纤光栅另一端与微悬臂梁相连，第三耦合器两端口另一端与平衡探测器输入端另一端口相连，平衡探测器输出端与频谱分析仪相连，进行位移信息分析；所述布拉格光纤光栅传感头采用温度不敏感布拉格光纤光栅，中心波长与探测光波长匹配。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于量子增强的微悬臂梁光纤光栅微位移传感器，其特征在于包括激光器、2×1耦合器、滤波器、掺铒光纤放大器、滤波器、光纤偏振控制器、光纤偏振分束器、色散位移光纤、粗波分复用器、光纤隔离器、光纤布拉格光栅、微悬臂梁、平衡探测器、频谱分析仪；第一耦合器一端口一端与激光器相连，第一耦合器两端口一侧的高分光比端口与第一滤波器输入端相连，第一滤波器输出端与掺铒光纤放大器输入端相连，掺铒光纤放大器输出端与第一偏振控制器一端相连，第一偏振控制器另一端与第一偏振分束器一端相连，第一偏振分束器另一端与第二耦合器两端口的一端相连，第一耦合器两端口一侧的低分光比端口与第二滤波器输入端相连，第二滤波器输出端与第二偏振控制器一端相连，第二偏振控制器...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵春柳，王武楠，王海龙，石岩，陈君，金尚忠，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：新型
国别省市：浙江;33