一种基于单个回音壁光学微腔的多参量并行检测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于单个回音壁光学微腔的多参量并行检测方法，属于回音壁微腔领域；包括光偏振控制器两端分别连接激光器和回音壁微腔传感器，回音壁微腔传感器连接多个目标参量信息扰动装置，以及光电探测器；激光器输出光信号，通过光偏振控制器调至最大耦合效率后，输出至回音壁微腔传感器中，通过调整目标参量信息扰动装置对光信号进行目标参量的扰动，扰动后的光信号经光电探测器输出至示波器，体现为n个谐振模式偏移，通过n个偏移量结合n阶传感矩阵的信号处理方法，计算出n个目标参量的变化量，从而实现回音壁光学微腔多参数并行检测。本发明专利技术可以实现多个参量的高精度解耦与并行检测。耦与并行检测。耦与并行检测。

【技术实现步骤摘要】
一种基于单个回音壁光学微腔的多参量并行检测方法


[0001]本专利技术属于回音壁微腔领域，具体是一种基于单个回音壁光学微腔的多参量并行检测方法。

技术介绍

[0002]回音壁微腔由于其具有超高的品质因子和较小的模式体积，能极大地增强光与物质的相互作用，在高灵敏传感等领域引起越来越多的关注。例如，超高品质因子回音壁微腔，通过结合局域表面等离激元增强、激光锁模、光学弹簧效应、外差检测等技术或机制，已经达到单分子乃至单离子检测水平；如文献1:Yu D,Humar M,Meserve K,et al.Whispering
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gallery
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mode sensors for biological and physical sensing[J].Nature Reviews Methods Primers,2021,1(1):1
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22。而传统的微腔传感机制(如单个谐振模式的波长偏移等)难以实现多参量的独立解耦与并行检测。这主要是因为在实际复杂的检测环境中，微腔传感器单个谐振波长的偏移是由多个不同参量变化共同作用导致的。
[0003]为解决上述问题，近年来，国内外相关研究组提出了基于回音壁微腔阵列结构来实现多参量并行检测方案。例如，2008年，Kwon等人利用两个回音壁微环谐振器阵列结构实现了葡萄糖溶液温度和浓度的并行检测。如文献2：Kwon M S,Steier W H.Microring
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resonator
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based sensor measuring both the concentration and temperature of a solution.Optics express,2008,16(13):9372
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9377。2018年，Mallik等人通过将两个微球腔阵列结构耦合到同一光纤锥上，基于模式偏移机制实现了氨气和湿度的并行检测；如文献:3:Mallik A K,Farrell G,Ramakrishnan M,et al.Whispering gallery mode micro resonators for multi
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parameter sensing applications.Optics express,2018,26(24):31829
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31838。2019年，Kavungal等人基于三个级联的封装微柱腔阵列结构实现了温度和应变的并行检测；如文献4:Kavungal V,Farrell G,Wu Q,et al.Packaged inline cascaded optical micro
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resonators for multi
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parameter sensing.Optical Fiber Technology,2019,50:50
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54。
[0004]然而，上述绝大部分工作都是基于回音壁微腔传感阵列结构，并结合波分复用技术实现的多参量并行检测，相对于单腔传感，阵列结构复杂，检测成本较高，操作难度大，阻碍了其进一步发展。
[0005]回音壁模式光谱中的多个谐振模式对不同待测目标具有不同响应，这为多参数的并行测量提供了解决方法。

技术实现思路

[0006]针对上述问题，本专利技术提出一种基于单个回音壁光学微腔的多参量并行检测方法，利用回音壁微腔同一光谱中存在的多个谐振模式，结合传感矩阵等信号处理方法，实现多个参量的独立解耦和并行检测。
[0007]所述的单个回音壁光学微腔的多参量并行检测方法，具体内容如下：
[0008]首先，搭建单个回音壁光学微腔的多参量并行检测装置，包括激光器，光偏振控制器，回音壁微腔传感器，n个目标参量信息扰动装置(n≥2，与待测目标参量保持一致)，光电探测器，示波器和数据采集卡；
[0009]所述回音壁微腔传感器是由回音壁微腔和锥形光纤耦合形成的传感平台；
[0010]其中，光偏振控制器两端分别连接激光器和回音壁微腔传感器，回音壁微腔传感器连接n个目标参量信息扰动装置，以及光电探测器，光电探测器的输出同时连接示波器和数据采集卡；
[0011]然后，激光器输出连续的光信号，通过光偏振控制器调至最大耦合效率后，输出至回音壁微腔传感器中，调整n个目标参量信息扰动装置，对输出至回音壁微腔传感器的光信号进行目标参量的扰动，扰动后的光信号经光电探测器接收并输出至示波器，在示波器上体现为n个谐振模式偏移，利用数据采集卡对透射谱进行实时采集。
[0012]通过计算采集数据中n个谐振模式的偏移量，并结合n阶传感矩阵的信号处理方法，计算出n个目标参量的变化量，从而实现回音壁光学微腔多参数并行检测。
[0013]具体计算过程为：
[0014]首先，回音壁微腔传感器中回音壁微腔和锥形光纤耦合，激发的光谱中存在多个谐振模式，任选n个响应不同的谐振模式进行n个目标参量传感；
[0015]通过控制变量法，固定n
‑
1个目标参量不变，利用对应的目标参量信息扰动装置对某单一目标参量进行调控，回音壁微腔折射率变化导致谐振模式偏移，根据n个不同模式的偏移量分别得出单个目标参量的n个模式灵敏度[S
11 S
21
…
S
n1
]‑1；
[0016]重复上述过程，依次获得n个目标参量的n个模式灵敏度，构成n
×
n阶灵敏度矩阵；
[0017][0018]然后，通过n个目标参量信息扰动装置使n个目标参量变化，使n个目标参量共同作用于传感平台，根据n个谐振模式在光谱中起始位置的变化得出n个谐振模式偏移量[Δλ
1 Δλ2…
Δλ
n
]‑1。
[0019]利用n阶灵敏度矩阵，结合n个谐振模式偏移量，计算与n个目标参量变化量之间的关系；关系如下：
[0020][0021]M
n
×
n
为可逆矩阵，最后求解出n个目标参量变化量[ΔV1ΔV2…
ΔV
n
]‑1，从而实现多参量并行传感。
[0022]本专利技术的优点在于：
[0023](1)一种基于单个回音壁光学微腔的多参量并行检测方法，利用单腔多模式进行传感，制备方法简单，成本低，易于控制，可避免复杂的级联操作，简化传感器结构，同时实现多参量传感信息的获取。
[0024](2)一种基于单个回音壁光学微腔的多参量并行检测方法，单个回音壁微腔存在
多个谐振模式，结合n阶传感矩阵信号处理方法，可以实现n个参量的高精度解耦与并行检测。
[0025](3)一种基于单个回音壁光学微腔的多参量并行检测方法，在实际检测中，只需保证一定的模式间距，即不同模式在外界环境变化时不会相互串扰，可以任选多个谐振模式进行多参数的并行检测与独立解耦。
附图说明
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于单个回音壁光学微腔的多参量并行检测方法，其特征在于，具体包括：首先，搭建单个回音壁光学微腔的多参量并行检测装置，包括激光器，光偏振控制器，回音壁微腔传感器，n个目标参量信息扰动装置；n≥2，与待测目标参量保持一致；光电探测器，示波器和数据采集卡；然后，激光器输出连续的光信号，通过光偏振控制器调至最大耦合效率后，输出至回音壁微腔传感器中，调整n个目标参量信息扰动装置，对输出至回音壁微腔传感器的光信号进行目标参量的扰动，扰动后的光信号经光电探测器接收并输出至示波器，在示波器上体现为n个谐振模式偏移，利用数据采集卡对透射谱进行实时采集；通过计算采集数据中n个谐振模式的偏移量，并结合n阶传感矩阵的信号处理方法，计算出n个待测目标参量，从而实现回音壁光学微腔多参数并行检测。2.如权利要求1所述的一种基于单个回音壁光学微腔的多参量并行检测方法，其特征在于，所述回音壁微腔传感器是由回音壁微腔和锥形光纤耦合形成的传感平台。3.如权利要求1所述的一种基于单个回音壁光学微腔的多参量并行检测方法，其特征在于，所述光偏振控制器两端分别连接激光器和回音壁微腔传感器，回音壁微腔传感器连接n个目标参量信息扰动装置，以及光电探测器，光电探测器的输出同时连接示波器和数据采集卡。4.如权利要求1所述的一种基于单个回音壁光学微腔的多参量并行检测方法，其特征在于，所述通过采集数据中n个谐振模式的偏移量，并结合n阶传感矩阵的信号处...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨大全，吴彦燃，段冰，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：