一种基于纳米银膜的光压传感器及其光压检测方法

摘要

本发明公开了一种基于纳米银膜的光压传感器及其光压检测方法，其特征是：设置一筒体，在筒体的一端支撑有纳米银膜，在筒体的另一端插入柱状插芯，纳米银膜与柱状插芯之间形成一筒状振动光压腔；柱状插芯中固定有光纤，光纤贯穿所述柱状插芯；光纤的插入端光纤端面为斜面；通过光纤传输检测光和产生待测光压的光信号。本发明体积微型化，光压检测为全光结构，且检测灵敏度高，能适用于多种环境的光压检测。

说明书

技术领域

本发明涉及一种光压传感器及其光压检测方法，特别是基于纳米银膜的光压传感器。

背景技术

19世纪，英国物理学家麦克斯韦创立了电磁理论，指出光的本质是电磁波。同时他还预 言：光射到物质表面时，将对这一表面施加压力。在1901年，俄国物理学家彼得·尼古拉耶 维奇·列别捷夫首次实验测量出光压。

当平行光垂直照射物体时，单位面积所受光压力为P＝I(1+R)/c，式中I为单位时间垂直 入射到单位面积的光能量，R为表面的能量反射率，c为真空中的光速。在光子概念提出后， 也可用光的粒子性来解释光压现象。光子具有动量hν/c，入射到表面后或被吸收或被反射， 入射前光子的总动量与入射后的总动量之差等于表面所受冲量。

目前，虽然利用大功率的激光可以在局部产生光压达上亿个大气压强,但如何在普通条 件下研究光压一直是科学实验的重要课题，因为这要求至少达到10^-6Pa的高真空条件下，而 且真空度和摩擦力的影响是关键问题。

公开号CN102252753A发明专利公开了一种基于光压效应的红外光子探测方法，利用悬 臂梁谐振结构作为红外光子探测感应元件来探测红外辐射量。但基于光压效应的红外光子探 测方法采用微纳加工技术制作谐振结构，导致制作工艺较复杂，成本高，且悬臂梁的光压感 应灵敏度不是很高；同时，系统采用电学系统进行测试，易受外界电磁场干扰。此外，基于 光压效应的红外光子探测方法是用于探测红外光子，应用范围有限。

发明内容

为解决上述现有技术所存在的不足之处，本发明提供一种适用于光频波段的基于纳米银 膜的光压传感器，以期可以提高检测灵敏度，实时检测光压变化，且能适用于多种环境的光 压检测。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明基于纳米银膜的光压传感器，其特点是：设置一筒体，在所述筒体的一端支撑有 纳米银膜，在所述筒体的另一端插入柱状插芯，所述纳米银膜与所述柱状插芯之间形成一筒 状振动光压腔；所述柱状插芯中固定有光纤，所述光纤贯穿所述柱状插芯；所述光纤位于振 动光压腔中的光纤端面为斜面；通过光纤传输检测光和产生待测光压的光信号。

本发明基于纳米银膜的光压传感器，其特点也在于：所述纳米银膜为厚度在100-500nm 的平面薄膜。

所述光纤位于振动光压腔中的光纤端面为倾角不小于8°的斜面。

本发明所述光压传感器的光压检测方法，其特点是：

待测光压信号光源的光信号通过光纤输入到振动光压腔并照射在纳米银膜表面产生光 压，激发纳米银膜振动；振动检测光源的光信号分成两路；第一路光信号经光纤输入振动光 压腔，并通过纳米银膜反射形成反射光；第二路光信号经压电陶瓷调制，形成相位调制光； 所述反射光与所述相位调制光通过光纤耦合器耦合形成干涉光，光相位解调仪解调所述干涉 光，从而获得所述干涉光的强度和频率，根据所述干涉光的强度和频率与光压的线性关系， 计算获得所述待测光压信号光源的光压。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明基于纳米银膜的光压传感器，采用纳米银膜作为振动感应膜片进行对光压信号 的直接拾取，其感应灵敏度高，同时可以实现微型化的振动光压腔；

2、本发明基于纳米银膜的光压传感器，采用光纤输入/输出光信号，光路简单可靠，感 应器体积小；

3、本发明基于纳米银膜的光压传感器，采用全光微振动检测技术，其检测灵敏度更高。 附图说明

图1为本发明光压传感器的结构示意图；

图2为本发明光压传感器的检测装置示意图；

图中标号：1振动检测光源，2a第一光纤耦合器，2b第二光纤耦合器，2c第三光纤耦合 器，3光纤，4压电陶瓷，5电信号数据线，6光相位解调仪，7光纤环形器，8待测光压信号 光源，9光压传感器，10柱状插芯，11筒体，12振动光压腔，13纳米银膜，14光纤端面。

具体实施方式

本实施例基于纳米银膜的光压传感器实施步骤如下：

如图1所示，本实施例基于纳米银膜的光压传感器的结构为：设置一筒体11，在筒体 11的一端支撑有纳米银膜13，在筒体11的另一端插入柱状插芯10，纳米银膜13与柱状插 芯10之间形成一筒状振动光压腔12；柱状插芯10中固定有光纤3，光纤贯穿柱状插芯；光 纤3位于振动光压腔12中的光纤端面14为斜面；通过光纤3传输检测光和产生待测光压的 光信号。

纳米银膜13为平面薄膜，膜厚为100-500nm。薄膜厚度会影响薄膜对压力响应的灵敏度， 当薄膜厚度小于100nm时，薄膜难以制备，薄膜光反射率降低，且影响薄膜寿命。薄膜厚度 在100-500nm时，薄膜容易实现制作，且具有高压力灵敏度，如厚度为150nm金属银平面 薄，具有8.3弧度/Pa的相位灵敏度。

光纤3位于振动光压腔12中的光纤端面14为倾角不小于8°的斜面。当振动检测光源1 的检测光和待测光压信号光源8的光信号通过光纤3导入时，如果光纤端面14为平面，则会 在端面处形成菲涅尔反射，反射光将会对光压信号解调带来干扰，影响系统检测灵敏度。当 光纤端面14为倾角大于8°的斜面时，光纤端面14的菲涅尔反射光将不会在光纤中传输。

具体实施中，本实施例的光压传感器按如下步骤进行制备：

1、制备纳米银膜：先配置100ml银氨溶液，并将其以体积比2:1的比例，与浓度为7.5g/L 的葡萄糖溶液混合，将混合溶液放置于玻璃培养皿内，待反应完成后，培养皿内壁将生长成 厚度为150nm左右的纳米银膜。

2、将纳米银膜支撑在筒体一端：选用圆筒状氧化锆陶瓷套筒作为筒体，利用质量浓度为 30%的盐酸溶液将该纳米银膜剥离，将此纳米银膜贴放于圆筒状氧化锆陶瓷套筒的一端，放 入高低温箱内，70℃下烘30分钟，使纳米银膜支撑在筒体一端；

3、采用陶瓷插芯作为柱状插芯10，在柱状插芯10的中心用固化胶粘结光纤3，并将光 纤3位于振动光压腔12一侧的端面与陶瓷插芯端面一起研磨成8°的斜面。将柱状插芯10 插入圆筒状氧化锆陶瓷套筒，将一定功率红外激光导入，通过反射回的激光功率来检测柱状 插芯插入的距离，用高精度微位移平台控制柱状插芯的位置，实现光纤3端面与纳米银膜间 距为300μm。此时，光纤3接受到的反射光最强。光纤3应贯穿柱状插芯10，以满足光可以 传输到纳米银膜。

如图2所示，利用本实施例的光压传感器按如下方式测试光压：

待测光压信号光源8的光信号通过光纤3输入到振动光压腔12并照射在纳米银膜13表 面产生光压，激发纳米银膜振动；振动检测光源1的光信号分成两路；第一路光信号经光纤 输入振动光压腔12，并通过纳米银膜反射形成反射光；第二路光信号经压电陶瓷4调制，形 成相位调制光；反射光与相位调制光通过光纤耦合器耦合形成干涉光，光相位解调仪6解调 干涉光，从而获得干涉光的强度和频率，根据干涉光的强度和频率与光压的线性关系，计算 获得待测光压信号光源8的光压。

具体实施中，振动检测光源1的光信号经过第一光纤耦合器2a分成两路，第一光纤耦合 器2a为95:5分光比的保偏光纤耦合器，分光比中95为第一路光信号，5为第二路光信号； 第一路光信号经光纤环形器7与待测光压信号光源8的光信号通过第二光纤耦合器2b经光纤 3进入振动光压腔12，并通过纳米银膜13反射形成反射光，第二光纤耦合器2b为50:50分 光比的保偏光纤耦合器；通过光纤环形器7控制第一路光信号与其反射光的传输方向；第二 路光信号经压电陶瓷4调制，形成相位调制光，光相位解调仪6通过电信号数据线5控制压 电陶瓷4，第二路光信号的调制频率由光相位解调仪6控制；反射光与相位调制光通过第三 光纤耦合器2c耦合形成干涉光，光相位解调仪6解调干涉光，第三光纤耦合器2c为50:50 分光比的保偏光纤耦合器。

振动检测光源1采用窄线宽光纤激光器，激光波长为1541.18nm，线宽为200kHz，光 功率为16mW。

干涉光的强度和频率与光压改变量线性关系：

y=a·x+b①

$P_0=\frac{y·{10}^{-6}·(1+R)}{S·c}$   ②

其中，x为干涉光的强度，单位mV，y为光功率改变量，单位μW，a、b代表y与x的 对应关系，a、b是由检测系统光路、光相位解调仪及纳米银膜感应灵敏度共同决定，本检 测系统a=1.19、b=-5.64；P₀为光压改变量，单体Pa，R为纳米银膜的反射率，R是由纳米 银膜本身材质及表面形貌共同决定，本检测系统所采用纳米银膜R=90%，c为真空中的光速， S为待测光压信号光源8的光信号垂直照射在纳米银膜表面的面积，本检测系统 S=7.85×10^-11m²。

光压改变量与光压的线性关系：

$P_1=\frac{P_0}{A}$   ③

其中，P₁为光压值，A为光功率改变比例，本检测系统A=0.1。

干涉光的频率与光压的频率相同，本方法即可以测试恒定不变的光压，也可以测定变化 光压。