一种双波导耦合SNAP结构微腔阵列的位移传感系统技术方案

本发明专利技术公开了一种双波导耦合SNAP结构微腔阵列的位移传感系统，包括可调谐激光器、偏振控制器、双耦合波导、SNAP结构微腔阵列、位移装置、光电探测器及计算机。可调谐激光器产生的扫频激光，经过偏振控制器和耦合波导进入SNAP结构微腔阵列，经光电探测器对输入光波信号进行探测后，输出给计算机，经处理后测得位移量。当SNAP结构微腔阵列相对于两个耦合波导移动时，谐振谱中各谐振模式的特征参数将发生规律性变化。通过使用其中一个耦合波导的光波信号可实现半个SNAP结构长度的位移量的精密测量。通过切换使用两根耦合波导的信号可达到全范围位移的测量。因此，本发明专利技术具有大量程、高分辨率、体积小、制作简单、成本低等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种双波导耦合SNAP结构微腔阵列的位移传感系统
本专利技术涉及光学传感
，尤其涉及一种双波导耦合SNAP(SurfaceNanoscaleAxialPhotonics，表面纳米轴向光子)结构微腔阵列的位移传感系统。
技术介绍
位移传感系统在超精密加工、高精度测量等众多领域扮演着重要的作用，现有较成熟并应用广泛的位移传感测量系统有光栅尺、磁栅尺、激光测距系统以及基于特定物理量传感效应实现的各类测量头等，它们在满足工业现场多种测量需求的同时，也有着各自的限制。因此，为满足一些特定应用场合的需求，开发新型的位移传感技术一直是关注热点。回音壁模式微腔是近二十年被广泛研究的一种光学器件，其极高的Q值使得它在传感领域具备极高的灵敏度。基于微腔的位移传感器件可以实现亚微米的分辨率，具有体积小、易于集成化的优势，给微小结构测量提供了一种很好的选择。微腔位移传感的常用实现方式是通过检测谐振谱中谐振模式中心波长的偏移来实现，但由于中心波长容易受仪器稳定性、环境因素等的影响，难以在实际环境中实现稳定的传感测量。SNAP结构微腔具备规律的谐振谱，综合利用多个谐振模式的Q值或透过率可以实现高分辨率位移的传感，具备较高的稳定性。但是，由于单个SNAP结构微腔的轴向长度范围有限，一般只有几百个微米，且单波导耦合只能保证半个SNAP结构长度的位移测量，因此无法实现大范围的位移传感。因此，为了提高基于SNAP结构微腔的位移传感性能，实现高分辨率、大量程的传感测量，需要开发一种新型的位移传感方法及系统。
技术实现思路
>本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种双波导耦合SNAP结构微腔阵列的位移传感系统。本专利技术的目的通过下述技术方案实现：一种双波导耦合SNAP结构微腔阵列的位移传感系统，该系统基于多个谐振模式的Q值或透过率变化规律，利用单波导耦合SNAP结构微腔，可以实现半个SNAP结构长度的位移传感特性。该系统使用双耦合波导和SNAP结构微腔阵列实现位移传感，通过合理布置双耦合波导的空间位置与SNAP结构微腔阵列中的不同微腔进行耦合，交替使用两个耦合波导获取的透射谱，实现SNAP结构微腔阵列范围内的位移传感。该方法在保证高分辨率的同时，可以实现大量程的位移传感测量，同时具有体积小、制作成本低的优势。具体的，本专利技术所提供的位移传感系统主要包括可调谐激光器、偏振控制器、双耦合波导、SNAP结构微腔阵列、位移装置、光电探测器及计算机。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双耦合波导相连，所述双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SNAP结构微腔阵列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两路波长可调谐的激光并输入到光纤中；所述偏振控制器调整光波的偏振态并送入双耦合波导；所述双耦合波导分别与两个不同区域的SNAP结构微腔耦合，形成两个耦合单元，满足谐振条件的光波通过倏逝场耦合进两SNAP结构微腔中；所述光电探测器用于将接收到的光信号转化为电信号，从而获取两耦合单元的谐振谱；所述SNAP结构微腔阵列是传感系统的核心器件，决定谐振光波信号特征；所述位移装置用于调整微腔阵列相对于两个耦合波导的相对位置，使得SNAP结构微腔阵列相对于双耦合波导产生移动，改变SNAP结构微腔与双耦合波导的耦合位置，以改变SNAP结构微腔内谐振模式的Q值及透过率。进一步的，所述双耦合波导可以是微纳锥形光纤、耦合棱镜、平面波导、研磨倾角光纤或者光纤光栅。进一步的，所述SNAP结构微腔阵列上的每个SNAP结构都是回音壁微腔，每个SNAP结构具有相同的轴向长度和有效半径变化量，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，所述双耦合波导平行放置，两者之间间隔(N+1/2)倍的单SNAP结构轴向长度，其中N为正整数。进一步的，所述双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均匀光纤上获得，所述SNAP结构微腔阵列中单个SNAP结构的轴向长度为0.5～1.5mm，有效半径变化量为10～100nm，阵列数目可依据实际需要确定，不设限。本专利技术还公开了一种基于双波导耦合SNAP结构微腔阵列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双耦合波导，耦合波导中的光波经过SNAP结构微腔后，通过光电探测器转换为电信号并送入计算机处理。步骤S2：当位移装置沿一定方向移动时，SNAP结构微腔阵列相对于双耦合波导产生位移改变。相应地，两耦合单元对应谐振谱中的各轴向模式的Q值或透过率将会发生变化，且每经过半个SNAP结构轴向长度的距离后，两谐振谱将彼此周期性复现。综合利用单谐振谱的多个轴向模式，可以实现半个SNAP结构长度内的位移传感。步骤S3：以谐振谱中的偶数阶模式消失为切换信号，交替使用两耦合波导的谐振谱数据，实现对SNAP结构微腔阵列全范围位移的测量。本专利技术的工作过程和原理是：由于谐振模式的耦合强度由其微腔模式场与耦合波导模式场的重叠积分决定，因此，对于单个SNAP结构微腔与单波导组成的耦合单元，SNAP结构微腔各轴向模式的场分布规律决定了耦合位置对谐振谱的影响规律。当位移导致耦合位置改变时，对应的谐振谱中各轴向模式的Q值或透过率发生变化，综合利用多阶轴向模式Q或透过率的变化规律，可以实现高精度位移传感。但由于SNAP结构在轴向上关于中心点对称，因此，单个耦合单元只能实现半个SNAP结构长度的位移传感。通过在光纤上制备出SNAP结构微腔阵列，并使用双耦合波导与其上的不同SNAP结构微腔发生耦合，可以构成两个耦合单元。当SNAP结构微腔阵列移动时，两个谐振谱均发生规律性改变，通过信号切换，交替使用两个耦合单元产生的谐振谱信号，可以实现SNAP结构微腔阵列全范围的位移传感。与现有技术相比，本专利技术还具有以下优点：(1)本专利技术所提供的双波导耦合SNAP结构微腔阵列的位移传感系统可实现高分辨率、大量程的位移测量，解决了单SNAP结构微腔由于轴向长度较小而无法实现大量程测量的缺点。(2)本专利技术所提供的双波导耦合SNAP结构微腔阵列的位移传感系统，其核心部件SNAP结构微腔阵列体积小、制作简单、成本低廉且适用于微结构测量场合。(3)本专利技术所提供的双波导耦合SNAP结构微腔阵列的位移传感系统能够均化误差，具备较强的抗噪声信号干扰能力。附图说明图1是本专利技术所提供的双波导耦合SNAP结构微腔阵列的位移传感系统的结构示意图。图2是本专利技术所提供的SNAP结构微腔阵列与双耦合波导的装配示意图。图3(a)和图3(b)是本专利技术所提供的SNAP结构微腔阵列处在六个不同位置时的双耦合波导对应输出的谐振谱图。图4(a)和图4(b)是本专利技术所提供的双耦合波导输出谱中前8阶轴本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双波导耦合SNAP结构微腔阵列的位移传感系统，其特征在于，包括可调谐激光器、偏振控制器、双耦合波导、SNAP结构微腔阵列、位移装置、光电探测器、以及计算机；所述偏振控制器的一端与可调谐激光器连接，另一端与双耦合波导的一端连接；所述光电探测器的输入端与双耦合波导的另一端连接，输出端与计算机的输入端连接；所述双耦合波导设有两个出射端和两个入射端，出射端与入射端一一对应，且出射端之间、入射端之间均间隔设置；所述SNAP结构微腔阵列设置在双耦合波导的两出射端与入射端之间，使激光从出射端射出并穿过SNAP结构微腔阵列后进入入射端；所述SNAP结构微腔阵列安装在位移装置上；所述位移装置安装在移动平台上；/n所述可调谐激光器产生两路波长可调谐的激光并输入到所述偏振控制器中，通过调整光波的偏振态并送入双耦合波导；所述双耦合波导的出射端分别与SNAP结构微腔阵列的两个不同区域进行耦合，形成两个耦合单元，满足谐振条件的激光通过倏逝场耦合进SNAP结构微腔阵列的两个不同区域中；/n所述光电探测器用于将接收到的光信号转化为电信号，从而获取两耦合单元的谐振谱；所述位移装置用于调整SNAP结构微腔阵列相对于两个耦合波导的相对位置，使得SNAP结构微腔阵列相对于双耦合波导产生移动，改变SNAP结构微腔阵列与双耦合波导的耦合位置，实现改变SNAP结构微腔内谐振模式的Q值及透过率。/n...

【技术特征摘要】
1.一种双波导耦合SNAP结构微腔阵列的位移传感系统，其特征在于，包括可调谐激光器、偏振控制器、双耦合波导、SNAP结构微腔阵列、位移装置、光电探测器、以及计算机；所述偏振控制器的一端与可调谐激光器连接，另一端与双耦合波导的一端连接；所述光电探测器的输入端与双耦合波导的另一端连接，输出端与计算机的输入端连接；所述双耦合波导设有两个出射端和两个入射端，出射端与入射端一一对应，且出射端之间、入射端之间均间隔设置；所述SNAP结构微腔阵列设置在双耦合波导的两出射端与入射端之间，使激光从出射端射出并穿过SNAP结构微腔阵列后进入入射端；所述SNAP结构微腔阵列安装在位移装置上；所述位移装置安装在移动平台上；
所述可调谐激光器产生两路波长可调谐的激光并输入到所述偏振控制器中，通过调整光波的偏振态并送入双耦合波导；所述双耦合波导的出射端分别与SNAP结构微腔阵列的两个不同区域进行耦合，形成两个耦合单元，满足谐振条件的激光通过倏逝场耦合进SNAP结构微腔阵列的两个不同区域中；
所述光电探测器用于将接收到的光信号转化为电信号，从而获取两耦合单元的谐振谱；所述位移装置用于调整SNAP结构微腔阵列相对于两个耦合波导的相对位置，使得SNAP结构微腔阵列相对于双耦合波导产生移动，改变SNAP结构微腔阵列与双耦合波导的耦合位置，实现改变SNAP结构微腔内谐振模式的Q值及透过率。


2.根据权利要求1所述的双波导耦合SNAP结构微腔阵列的...

【专利技术属性】
技术研发人员：董永超，陈剑，孙鹏辉，赵泽政，王晗，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东;44