【技术实现步骤摘要】
一种基于SNAP结构微腔的位移和温度双参量传感系统及方法
[0001]本专利技术涉及光学传感
，具体地，涉及一种基于SNAP结构微腔的位移和温度双参量传感系统及方法。
技术介绍
[0002]近年来，随着精密以及超精密加工技术的快速发展，对传感技术的要求也越来越高。而光学传感具有非物理接触，抗电磁干扰以及灵敏度高的一系列优点，因而在生物传感，位移传感，温度传感以及力传感等多个方面有着重要的研究意义。目前光学传感主要通过以下结构进行传感:如法布里
‑
珀罗腔、表面等离子激元和回音壁模式微腔。其中回音壁模式微腔因其超高的Q值和极小的模式体积而在灵敏度和探测极限方面表现优异，SNAP结构微腔作为其中的一种，更是具有制作方便、成本低廉的特点，因此其应用前景很大。如现有的一种基于双链式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。
[0003]该位移传感系统可实现大量程位移的高精度传感。但是该位移传感系统的SNAP结构微腔的谐振中心波长难以同时对位移和温度进行精确传感。
技术实现思路
>[0004]本专利技术为解决上述技术方案中的SNAP结构微腔阵列的位移传感系统难以同时对位移和温度进行精确传感的问题，提供了一种基于SNAP结构微腔的位移和温度双参量传感系统。本方案中的SNAP结构微腔传感系统能够实现对温度和位移的同时精确传感。
[0005]本专利技术采用的技术方案是：一种基于SNAP结构微腔的位移和温度双参量传感系统，包括可调谐激光器、偏振控制器、耦合波导、SNAP结构微腔、位移装置、光电探测器和计算机。可调谐激光器、偏振控制器、耦合波导、光电探测器和计算机依次连接，位移装置与SNAP结构微腔固定连接，位移装置可滑动。耦合波导设有出射端和入射端，出射端和入射端相对设置，SNAP结构微腔设置在出射端和入射端之间。SNAP结构微腔上设有两凸起，两凸起在SNAP结构微腔上的形状及位置通过SNAP结构微腔的轴向截面轮廓外形的有效半径随着轴向位置的变化函数进行限定，SNAP结构微腔轴向截面轮廓外形的有效半径随轴向位置的变化函数为：
[0006][0007]式中：Δr
eff
为SNAP结构微腔轴向位置的有效半径变化；λc为可调谐激光器发出的激光波长；r0为SNAP结构微腔的非凸起部分的半径；n为SNAP结构微腔材料的折射率；s为
SNAP结构微腔的外形调整参数；z为SNAP结构微腔的轴向长度；L为SNAP结构微腔中间部分两小凸起间的距离。
[0008]由于SNAP结构微腔的轴向截面轮廓形状与蝙蝠外形相似，因此此种形状的SNAP结构微腔习惯上称为蝙蝠形SNAP结构微腔。
[0009]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纳米级有效半径凸起的原理，通过一定的加工手段在光纤上制作出SNAP结构微腔，通过位移装置固定微腔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。本方案的SNAP结构微腔，其中心波段的波长不会随位移发生改变。当温度发生改变时，SNAP结构微腔中心波段的波长随温度的变化而变化。其中，SNAP结构微腔中心波段的波长变化量与温度的变化量成线性关系，可由如下公式计算得出：
[0010][0011]式中：Δλ表示SNAP结构微腔中心波段的波长变化量，λ0表示温度未发生变化时的谐振波长，ΔT表示温度变化量，表示SNAP结构微腔材料的热光系数，表示SNAP结构微腔材料的热膨胀系数。
[0012]由上式可知，SNAP结构微腔中心波段的波长与温度呈线性相关变化，与此同时各阶谐振模式的透过率随位移的变化而变化。利用谐振模式的透过率变化对位移进行监测，利用SNAP结构微腔中心波段波长的变化对温度进行监测，从而实现位移和温度这两个参量的同时测量。
[0013]可调谐激光器产生的激光通过光纤进入偏振控制器，偏振控制器对激光的偏振态进行调整并通过光纤输入耦合波导，耦合波导与SNAP结构微腔进行耦合，满足谐振条件的激光被耦合进入SNAP结构微腔，光电探测器与耦合波导相连，用于接收来自耦合导的激光并将接收到的光信号转化为电信号，从而获取耦合的谐振谱。
[0014]优选的，在SNAP结构微腔轴向截面轮廓外形的有效半径随轴向位置的变化函数中，SNAP结构微腔中间两凸起间的距离L＝300μm；SNAP结构微腔的轴向长度z＝400μm；SNAP结构微腔非凸起部分的半径r0＝62.5μm；SNAP结构微腔材料的折射率n＝1.452；SNAP结构微腔外形调整参数s＝40。SNAP结构微腔可由电弧放电、二氧化碳激光或者紫外光作用在均匀光纤上获得。
[0015]优选的，耦合波导在工作过程中与SNAP结构微腔接触。耦合波导可为微纳锥形光纤、耦合棱镜、平面波导、研磨倾角光纤或光纤光栅。可调谐激光器的工作波长为1550nm，其线宽为300kHz。耦合波导为锥腰直径2um的锥形光纤。系统工作过程中，耦合波导与SNAP结构微腔阵列保持接触，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。
[0016]一种基于SNAP结构微腔的位移与温度双参量传感系统的实现方法，包括如下步骤：
[0017]步骤一：可调谐激光器中发出的激光经偏振控制器作用后输入耦合波导，耦合波导中的光波经过SNAP结构微腔后传递给光电探测器，光电探测器将光波转换为电信号并送入计算机处理。
[0018]步骤二：位移装置沿一定方向移动，使SNAP结构微腔相对于耦合波导产生位移改
变。但产生的谐振谱中第一阶谐振模式中心波段的中心波长不随位移的变化而改变，当温度发生改变时，第一阶谐振模式中心波段的中心波长将随温度的变化而变化，同时各阶谐振模式的透过率随位移的变化而变化。
[0019]步骤三：将产生的谐振谱数据输入计算机中，计算机根据谐振模式的透过率变化对位移进行监测，根据第一阶谐振模式中间部位的中心波长的变化对温度进行监测。
[0020]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：
[0021]1.本专利技术采用的基于SNAP结构微腔的位移与温度双参量传感系统可以实现对位移和温度的同时传感，解决了对温度与位移同时进行传感需要两套耦合系统的问题，简化了传感系统，使成本进一步降低。
[0022]2.本专利技术中SNAP结构微腔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。
[0023]3.本专利技术采用的SNAP结本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于SNAP结构微腔的位移和温度双参量传感系统，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(4)、位移装置(5)、光电探测器(6)和计算机(7)，所述可调谐激光器(1)、所述偏振控制器(2)、所述耦合波导(3)、所述光电探测器(6)和所述计算机(7)依次连接，所述位移装置(5)与所述SNAP结构微腔(4)固定连接，所述位移装置(5)可滑动，所述耦合波导(3)设有出射端(301)和入射端(302)，所述出射端(301)与入射端(302)相对设置；所述SNAP结构微腔(4)设置在所述出射端(301)与所述入射端(302)之间，其特征在于，所述SNAP结构微腔(4)上设有两凸起，两凸起在所述SNAP结构微腔(4)上的形状及位置通过所述SNAP结构微腔(4)的轴向截面轮廓外形的有效半径随着轴向位置的变化函数进行限定，所述SNAP结构微腔(4)轴向截面轮廓外形的有效半径随轴向位置的变化函数为：式中：Δr
eff
为所述SNAP结构微腔轴向位置的有效半径变化；λc为所述可调谐激光器发出的激光波长；r0为所述SNAP结构微腔的非凸起部分的半径；n为所述SNAP结构微腔材料的折射率；s为所述SNAP结构微腔的外形调整参数；z为所述SNAP结构微腔的轴向长度；L为所述SNAP结构微腔两凸起间的距离。2.根据权利要求2所述的一种基于SNAP结构微腔的位移和温度双参量传感系统，其特征在于，所述SNAP结构微腔两凸起间的距离L＝300μm，所述SNAP结构微腔的轴向长度z＝400μm。3.根据权利要求3所述的一种基于SNAP结构微腔的位移和温度双参量传感系统，其特征在于，所述SNAP结构微腔非凸起部分的半径r0＝62.5μm。4.根据权利要求4所述的一种...
【专利技术属性】
技术研发人员：董永超，李勇康，王杰波，曾学良，王晗，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：
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