【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于微位移测量，具体涉及一种基于微纳波导横向倍频的成像式微位移传感器。
技术介绍
1、受益于精度高、灵敏度高等特点，微型光学微位移传感器件被广泛应用于医疗检测、航空航天、消费电子等众多领域。目前，光学微位移传感器根据其传感机制可以分为光纤式、光栅式等：1)对于光纤式位移传感器，通常采用光纤作为信号光的载体，当光纤端面与被测物体相对位置发生变化时，基于端面反射、多模干涉等不同机理，将导致信号光强度、相位等信息发生改变，通过检测信号光可以实现被测物体的位移测量；2)对于光栅式位移传感器，通常基于光栅多级衍射干涉或光栅自成像等原理，通过检测衍射光或透射光随光栅位移产生的光强变化，实现位移测量。上述两种方法均可实现nm级精密位移检测，但是由于所使用光纤、光栅的典型尺寸均在μm量级，因此难以进一步减小器件尺寸、提高集成度。除此之外，二者都基于光强检测方式，对探测器的本底噪声等有较高的要求。
技术实现思路
1、面向半导体等精密加工与检测过程中的微小位移检测需求，针对上述光学微位移传感器集成度低、探测器要求高的技术问题，本专利技术提供了一种基于微纳波导横向倍频的成像式微位移传感器，基于非线性微纳波导的横向倍频效应，通过ccd成像方式检测横向倍频图案的空间位置变化情况，反演待测光和基准光光程差变化量，从而得到待测光路中被测物体的位移信息。具体课题包括：1)非线性微纳波导横向倍频产生与调控，基于薛定谔方程等非线性光学理论，分析横向倍频产生条件与调控方法；2)传感器结构设计，设计双向脉冲传输
2、为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：
3、一种基于微纳波导横向倍频的成像式微位移传感器，包括激光器、第一光纤、分束器、第二光纤、第三光纤、空间耦合器、第四光纤和纳米波导，所述激光器的光路方向上设置有第一光纤，所述第一光纤的光路方向上设置有分束器，所述分束器的一个光路方向上设置有第二光纤，所述分束器的另一个光路方向上设置有第三光纤，所述第二光纤与纳米波导的一端连接，所述第三光纤连接有空间耦合器，所述空间耦合器通过第四光纤与纳米波导的另一端连接。
4、还包括衬底、物镜、分光镜、光谱仪、ccd相机，所述纳米波导悬空在衬底上方，所述物镜设置在纳米波导的正上方。
5、所述物镜的光路方向上设置有分光镜，所述分光镜的一个光路方向上设置有光谱仪，所述分光镜的另一个光路方向上设置有ccd相机。
6、所述空间耦合器包括前镜组、后镜组、安装架、滑轨、拉杆和待测物体，所述前镜组固定在安装架上，所述滑轨安装在安装架上，所述后镜组安装在滑轨上。
7、所述纳米波导的材料采用具有二阶非线性的玻璃、半导体、聚合物或金属，所述纳米波导的结构采用自由纳米波导或刻蚀平面波导，所述纳米波导的直径<1μm，所述纳米波导的中心区域长度>100μm。
8、所述激光器采用超短脉冲激光器，所述激光器的脉冲宽度<1ps，所述激光器的峰值功率>10mw。
9、所述ccd相机通过数据线与计算机连接，所述ccd相机放置在物镜的焦平面位置，所述ccd相机的像素尺寸为2.4μm×2.4μm。
10、一种基于微纳波导横向倍频的成像式微位移传感器的测量方法，包括下列步骤：
11、s1、激光器发出的光通过第一光纤导入光路，经过分束器后，光被分成两束传播；
12、s2、两束光分别通过两根长度相同的第二光纤和第三光纤，并通过倏逝场耦合的方式分别耦合进入纳米波导中，以导波模式的形式沿纳米波导轴向对向传输并在空间上发生重合；
13、s3、根据非线性微纳波导横向倍频原理，在两束光重合的位置会激发横向倍频光子发射效应，所产生的倍频光频率为入射光频率的两倍，发射方向垂直于纳米波导轴向；
14、s4、利用物镜和ccd相机组成的成像系统，将该倍频光基准光束成像在ccd相机上，并通过计算机获取倍频光斑图像；
15、s5、空间耦合器的前镜组固定不动，后镜组与待测物体通过拉杆相连接，并随待测物体发生位移；
16、s6、当待测物体移动时，其位移将带动空间耦合器的后镜组滑动，使得空间耦合器内的空间光程发生变化，导致纳米波导左右两端输入光光程差发生变化，进而使得二者在纳米波导上的重叠位置沿轴向发生移动，最终使得横向倍频图像的位置也相应发生变化；
17、s7、通过检测横向倍频图案的空间位置变化情况，反演待测光和基准光光程差变化量，从而得到待测物体位移信息。
18、所述s7中反演待测光和基准光光程差变化量，从而得到被测物体位移信息的方法为：
19、横向倍频光信号强度与横向倍频光的转换效率有关，横向倍频光的转换效率公式为：
20、
21、其中：n表示横向倍频光光子的数量，e表示每个横向倍频光光子的能量，p表示输入脉冲功率，t表示曝光时间；
22、待测物体位移与倍频光斑位移之间的关系与纳米线的群折射率ng有关，二者之间关系为：
23、δd＝2δs·ng
24、其中：δd表示待测物体位移，δs表示光斑像位移，两者呈线性关系；
25、群折射率ng的计算公式为：
26、
27、其中：neff表示有效折射率，λ表示入射光波长；受ccd所能捕获图像大小的限制，实际待测物体位移量程由上式和ccd相机采集图像最大宽度确定，成像系统的位移分辨率＜600nm。
28、本专利技术与现有技术相比，具有的有益效果是：
29、本专利技术基于非线性微纳波导的横向倍频效应，通过ccd成像方式检测横向倍频图案的空间位置变化情况，反演待测光和基准光光程差变化量，从而得到待测光路中待测物体的位移信息，实现位移量向光程差的精准传递。本专利技术的微位移传感器基于光纤结构，具有体积小、集成度高、量程大、实时监测等优点，可以用于集成化位移精密测量等应用，服务半导体检测、机械精密制造等相关领域。
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1.一种基于微纳波导横向倍频的成像式微位移传感器，其特征在于：包括激光器(1)、第一光纤(2)、分束器(3)、第二光纤(4)、第三光纤(5)、空间耦合器(6)、第四光纤(7)和纳米波导(8)，所述激光器(1)的光路方向上设置有第一光纤(2)，所述第一光纤(2)的光路方向上设置有分束器(3)，所述分束器(3)的一个光路方向上设置有第二光纤(4)，所述分束器(3)的另一个光路方向上设置有第三光纤(5)，所述第二光纤(4)与纳米波导(8)的一端连接，所述第三光纤(5)连接有空间耦合器(6)，所述空间耦合器(6)通过第四光纤(7)与纳米波导(8)的另一端连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于微纳波导横向倍频的成像式微位移传感器，其特征在于：还包括衬底(9)、物镜(10)、分光镜(11)、光谱仪(12)、CCD相机(13)，所述纳米波导(8)悬空在衬底(9)上方，所述物镜(10)设置在纳米波导(8)的正上方。
3.根据权利要求2所述的一种基于微纳波导横向倍频的成像式微位移传感器，其特征在于：所述物镜(10)的光路方向上设置有分光镜(11)，所述分光镜(11)的一个
4.根据权利要求1所述的一种基于微纳波导横向倍频的成像式微位移传感器，其特征在于：所述空间耦合器(6)包括前镜组(6-1)、后镜组(6-2)、安装架(6-3)、滑轨(6-4)、拉杆(6-5)和待测物体(6-6)，所述前镜组(6-1)固定在安装架(6-3)上，所述滑轨(6-4)安装在安装架(6-3)上，所述后镜组(6-2)安装在滑轨(6-4)上。
5.根据权利要求4所述的一种基于微纳波导横向倍频的成像式微位移传感器，其特征在于：所述后镜组(6-2)固定连接有拉杆(6-5)，所述拉杆(6-5)与待测物体(6-6)通过螺纹连接。
6.根据权利要求1所述的一种基于微纳波导横向倍频的成像式微位移传感器，其特征在于：所述纳米波导(8)的材料采用具有二阶非线性的玻璃、半导体、聚合物或金属，所述纳米波导(8)的结构采用自由纳米波导或刻蚀平面波导，所述纳米波导(8)的直径<1μm，所述纳米波导(8)的中心区域长度>100μm。
7.根据权利要求1所述的一种基于微纳波导横向倍频的成像式微位移传感器，其特征在于：所述激光器(1)采用超短脉冲激光器，所述激光器(1)的脉冲宽度<1ps，所述激光器(1)的峰值功率>10mW。
8.根据权利要求1所述的一种基于微纳波导横向倍频的成像式微位移传感器，其特征在于：所述CCD相机(13)通过数据线与计算机电性连接，所述CCD相机(13)放置在物镜(10)的焦平面位置，所述CCD相机(13)的像素尺寸为2.4μm×2.4μm。
9.根据权利要求1-8任一项所述的一种基于微纳波导横向倍频的成像式微位移传感器的测量方法，其特征在于：包括下列步骤：
10.根据权利要求9所述的一种基于微纳波导横向倍频的成像式微位移传感器的测量方法，其特征在于：所述S7中反演待测光和基准光光程差变化量，从而得到被测物体(6-5)位移信息的方法为：
...【技术特征摘要】
1.一种基于微纳波导横向倍频的成像式微位移传感器，其特征在于：包括激光器(1)、第一光纤(2)、分束器(3)、第二光纤(4)、第三光纤(5)、空间耦合器(6)、第四光纤(7)和纳米波导(8)，所述激光器(1)的光路方向上设置有第一光纤(2)，所述第一光纤(2)的光路方向上设置有分束器(3)，所述分束器(3)的一个光路方向上设置有第二光纤(4)，所述分束器(3)的另一个光路方向上设置有第三光纤(5)，所述第二光纤(4)与纳米波导(8)的一端连接，所述第三光纤(5)连接有空间耦合器(6)，所述空间耦合器(6)通过第四光纤(7)与纳米波导(8)的另一端连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于微纳波导横向倍频的成像式微位移传感器，其特征在于：还包括衬底(9)、物镜(10)、分光镜(11)、光谱仪(12)、ccd相机(13)，所述纳米波导(8)悬空在衬底(9)上方，所述物镜(10)设置在纳米波导(8)的正上方。
3.根据权利要求2所述的一种基于微纳波导横向倍频的成像式微位移传感器，其特征在于：所述物镜(10)的光路方向上设置有分光镜(11)，所述分光镜(11)的一个光路方向上设置有光谱仪(12)，所述分光镜(11)的另一个光路方向上设置有ccd相机(13)。
4.根据权利要求1所述的一种基于微纳波导横向倍频的成像式微位移传感器，其特征在于：所述空间耦合器(6)包括前镜组(6-1)、后镜组(6-2)、安装架(6-3)、滑轨(6-4)、拉杆(6-5)和待测物体(6-6)，所述前镜组(6-1)固定在安装架(6-3)上，所述滑轨(6-4)安...
【专利技术属性】
技术研发人员：辛晨光，徐映坤，杨浩，郭丽君，李孟委，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：
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