一种基于回音壁微腔多阶轴向模式联合解算的位移传感方法

摘要

本发明公开了一种基于回音壁微腔多阶轴向模式联合解算的位移传感方法，包括多阶轴向模式的获取和传感模型的构建。多阶轴向模式的获取通过微腔耦合系统实现，调谐激光器出射的激光经偏振控制器进入微腔耦合系统，利用光电探测器获取微腔的谐振谱；传感模型的构建基于微腔不同耦合位置的谐振谱实现，通过移动微腔获取谐振谱的三维曲面图，对其进行位置编码和标定，结合编码区段内的精确定位方法，实现微腔轴向的大量程、高分辨率位移传感。该方法可以有效减小外界温度变化等环境因素对传感精度的影响，同时，能够克服单模式传感方案难以兼具大量程和高分辨率的缺点。

说明书

技术领域

本发明属于光学传感技术领域，更具体地，涉及一种基于回音壁微腔多阶轴向模式联合解算的位移传感方法。

背景技术

回音壁微腔作为一种高性能光学微谐振腔，因其极高的Q值特性而获得广泛关注和应用，在微位移测量、微力测量以及生化传感等众多高灵敏度传感领域表现出优异性能。实验及理论表明，对于Q值在10⁷的回音壁微腔，如果将其用于位移传感，理论分辨率可以达到亚纳米量级。

近年，基于回音壁微腔的位移传感研究日益广泛，依据探测方式不同可以分为两类：1)基于微腔形变致谐振峰偏移实现位移传感；2)基于微腔耦合条件变化实现位移传感。第一种方案主要是将位移转换为微腔的形变，通过构建形变与谐振峰偏移的关系实现位移探测，由于谐振峰中心波长对外界温度异常敏感，因此该方案难以在实际环境下实现高精度测量。第二种方案主要是将位移转换为耦合条件变化，进而改变腔内谐振模式的Q值和透过率，基于Q值或透过率实现位移传感，该方案对温度不敏感，但限于模式场分布特性，传统的基于单个模式进行位移传感的方案难以兼具大量程和高分辨率。要克服这两种方案的缺点，需要开发新的基于微腔的位移传感方案，鉴于此，本发明提出一种基于微腔多阶轴向模式联合解算的位移传感方案，能够同时实现大量程和高分辨率，同时具有较好的抗温度噪声干扰能力。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的不足和缺点，提供一种基于回音壁微腔多阶轴向模式联合解算的位移传感方法，利用微腔轴向位移导致的各谐振模式特征参数的空间变化特性，以Q值为依据对微腔进行位置编码，结合每个编码区段内的精确定位方案，实现微腔轴向的大量程、高分辨率位移传感。该方法可以有效减小外界温度变化等环境因素对传感精度的影响，同时，能够克服单模式传感方案难以兼具大量程和高分辨率的缺点。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：

一种基于回音壁微腔多阶轴向模式联合解算的位移传感方法，包括以下具体步骤：

S1.通过微腔耦合系统获取多阶轴向模式的谐振谱，所述微腔耦合系统包括调谐激光器、偏振控制器、耦合波导、回音壁微腔和光电探测器，调谐激光器出射的激光经偏振控制器进入微腔耦合系统，优化耦合波导和回音壁微腔的尺寸，调整耦合波导和回音壁微腔之间的耦合条件，保证多阶轴向模式的高效激发，通过高精度纳米平移台实现回音壁微腔动的轴向移动，利用光电探测器获取不同耦合位置的谐振谱；

S2.位移传感模型的构建：利用不同耦合位置的谐振谱，绘制谐振谱的三维曲面图，针对谐振谱的三维曲面图中每个轴向模式，利用Q值进行二值化处理，并将各轴向模式对应的二进制取值合成多位的二进制编码，进行位置编码，完成模场区域的分段；在每个编码区段内部，选取Q值单调变化的模式精确定位，进行位移的高分辨率传感，实现微腔轴向的大量程和高分辨率位移传感。

优选地，步骤S1中所述的耦合波导可以是微纳锥形光纤、耦合棱镜、集成光波导、研磨倾角光纤或者光纤光栅。

优选地，步骤S1中所述的回音壁微腔可以是瓶口腔、柱形腔、抛光晶体材料腔或者表面纳米轴向光子结构微腔。

进一步地，步骤S1中所述的谐振谱包含纯净的多阶轴向模式，且各阶轴向模式对应的模式场在轴向分布的长度为0.1～1mm。

所述的本发明的关键在于多阶轴向模式的获取和传感模型的构建。所述的微腔轴向移动通过高精度纳米平移台实现，以精确地获取不同耦合位置的谐振谱。其中多阶轴向模式的获取通过微腔耦合系统实现，该系统包括调谐激光器、偏振控制器、耦合波导、回音壁微腔以及光电探测器，调谐激光器对波长进行扫描，扫描激光经偏振控制器后耦合进入回音壁微腔，光电探测器在耦合波导输出口获取耦合系统的谐振谱。传感模型的构建基于微腔不同耦合位置的谐振谱实现，通过移动微腔获取谐振谱的三维曲面图，对其进行位置编码，并结合编码区段内的精确定位方法，实现高精度位移传感。位置编码以及精确定位模式选取通过微腔耦合理论分析和实验测量相结合的方法实现。

本发明中基于回音壁微腔多阶轴向模式联合解算的位移传感方法的工作原理如图1所示：首先，利用微腔耦合实验测试平台系统，通过优化回音壁微腔和耦合波导结构，获取包含多阶纯净轴向模式的谐振谱(如图2所示)，由于各模式场在轴向的分布范围决定位移传感量程，因此还需要保证各阶模式场的轴向分布范围足够大。其次，通过纳米平移台控制回音壁微腔产生高精度位移，基于不同耦合位置的谐振谱绘制耦合系统谐振谱的三维曲面图，详细分析其特征并初步规划位置编码方案。最后，依据Q值对各阶轴向模式进行二值化处理，并将各阶轴向模式对应的二进制取值合成多位的二进制编码，从而实现微腔的位置编码；在每个编码区段内部，选取单调、灵敏度高的轴向模式进行精确定位，最终实现回音壁微腔轴向的大量程、高分辨率位移传感。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明采用回音壁微腔多阶轴向模式的Q值和透过率变化特性实现位移传感，具有较好的抗温度噪声干扰能力，有利于基于回音壁微腔的微位移传感系统走向实用化。

2.本发明依据Q值对多阶轴向模式进行二值化处理，并构成二进制的位置编码，能够同时实现大量程和高分辨率的位移传感，克服了基于单模式进行位移传感难以兼具大量程和高分辨率的缺点。

3.本发明提出了一种基于回音壁微腔的大量程、高分辨率位移传感方法，其实现途径是利用回音壁微腔多阶轴向模式的耦合特性，在轴向上进行位置编码并在每个编码区段内进行精确定位。

附图说明

图1是本发明中基于回音壁微腔多阶轴向模式联合解算的位移传感原理图。

图2是包含纯净多阶轴向模式的回音壁微腔谐振谱。

图3是由微腔不同耦合位置的谐振谱组成的谐振谱三维曲面图。

图4是本发明中基于多阶轴向模式联合解算实现位移传感的位置编码示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。

图1是本发明提出的基于回音壁微腔多阶轴向模式联合解算的位移传感方法的系统原理图。基于回音壁微腔多阶轴向模式联合解算的位移传感方法，包括以下具体步骤：

1.获取多阶纯净轴向模式的谐振谱：多阶轴向模式的谐振谱通过微腔耦合系统获取，该系统包括调谐激光器、偏振控制器、微腔耦合系统以及光电探测器。本实施例中，调谐激光器的工作波长在1550nm附近，线宽300kHz；耦合波导采用锥腰直径约2μm的锥形光纤，通过火焰法拉伸单模光纤获得；回音壁微腔采用电弧放电加工获得的准柱形腔，其轴向长度约400μm，径向呈抛物线形，最大半径变化约18nm。系统工作过程中，耦合锥形光纤与微腔保持接触，以提高其稳定性，调谐激光器对波长进行扫描，光电探测器在锥形光纤输出口获取扫描激光的强度。图2为本实施例中获取的包含纯净6阶轴向模式的谐振谱，各模式Q值和透过率由其场分布和锥形光纤模式场分布的重叠积分决定。

2.构建传感模型：当微腔沿轴向产生位移时，耦合条件的变化会导致各模式Q值和透过率的改变，基于不同耦合位置的谐振谱，可以得到微腔耦合系统的谐振谱三维曲面图，如图3所示，其中横纵坐标分别代表波长和耦合位置，颜色灰度代表透过率。可以看出，各阶轴向模式的Q值和透过率随耦合位置坐标的增大呈现有规律的变化，但并不是单调的，因此要利用这些模式实现大量程、高分辨率位移传感，需要将整个模式场区域分段处理，然后在每个区段内部选取Q值变化单调且灵敏度高的模式实现精确定位。图4为本发明提出的一种位置编码方案，以前四阶模式为例，通过选取合适的阈值，对其Q值进行二值化处理，并将各阶轴向模式对应的二进制取值合成多位的二进制编码，从而完成模场区域的分段。同时，图4中可看出，每个区段内部总能找到一个Q值单调变化的模式，从而实现区段内部的高分辨率位移传感。

此方案在实施时需要注意两点：首先，Q值的二值化阈值选取要适当，以保证编码的唯一性；其次，在模式场节点附近，模式的欠耦合会使得谐振峰接近消失，此时直接计算Q值会带来较大误差，需要依据透过率大小设置该模式的二进制数值。

综上所述，本发明提出了一种基于回音壁微腔多阶轴向模式联合解算的位移传感方法，该方法基于回音壁微腔的大量程、高分辨率位移传感，其实现途径是利用回音壁微腔多阶轴向模式的耦合特性，在轴向上进行位置编码并在每个编码区段内进行精确定位。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合和简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。