面向角速度傳感的高Q值微諧振腔及其耦合結構關鍵技術研究.pdf

1、氧化硅光學微諧振腔可獲得目前為止最高的Q值，在開展高Q值微諧振腔角速度傳感研究上具有較大潛力，有望應用其超高Q值特性實現小型化角速度傳感測試系統。
　　結合Sagnac效應，本文分析了光學微諧振腔角速度傳感原理，指出微諧振腔穩(wěn)定的諧振模式是開展角速度傳感研究的前提。然而，由于自身耦合結構的分立特點，傳統氧化硅高Q值微諧振腔及其耦合結構在應用于角速度傳感研究中面臨多方面挑戰(zhàn)，包括：光學微諧振腔耦合結構穩(wěn)定性差，傳感選擇性難以保證，諧

2、振腔Q值難以保持等。這些挑戰(zhàn)集中體現為如何抑制影響諧振模式穩(wěn)定性的相關噪聲，即機械噪聲，環(huán)境折射率噪聲，熱噪聲以及激光器頻率噪聲。本文面向高Q值光學微諧振腔角速度傳感應用，開展高Q值微諧振腔及其耦合結構關鍵技術研究。相關研究內容可歸納為以下幾個方面：
　　1、搭建了氧化硅光學微諧振腔與錐形光纖制造平臺，構建了微諧振腔耦合結構及其測試系統。
　　設計并搭建氧化硅光學微諧振腔（球形微諧振腔、盤形微諧振腔及環(huán)形微諧振腔）的制造和后

3、處理平臺，實現了諧振腔基礎結構優(yōu)化制造。搭建錐形光纖耦合器制備系統，實現了腰錐直徑為1~3μm的低損耗（-0.15~-0.29dB）錐形光纖制備。構建了光學微諧振腔及錐形光纖的耦合結構并搭建了其諧振特性測試系統，測試得到光學微諧振腔Q值高達108。
　　2、設計、制備并測試了光學微諧振腔耦合封裝結構。
　　針對光學微諧振腔制約角速度傳感研究的因素，首次提出了應用低折射率可固化光學材料對光學微諧振腔的分立耦合結構進行封裝處理使

4、之成為一體結構的方法。分析了封裝結構對封裝材料的要求，討論了封裝體系光損耗機制以及與封裝材料特性的關系。
　　設計、加工、測試了兩種封裝結構：點封裝結構和全封裝結構。測試結果表明，兩種封裝結構的Q值可高達107，指出全封裝結構更適用于光學微諧振腔角速度傳感研究。通過改進制造方法首次實現了便攜式微諧振腔功能模塊，打破了傳統光學微諧振腔耦合結構需用龐大位置控制伺服平臺的常規(guī)。
　　3、設計并搭建了全封裝結構性能測試平臺，測試了該

5、結構的抗機械震動性能、隔離性能，測試結果表明：
　　1）全封裝結構健壯性良好。在低轉速測試中保持了良好的諧振特性，且能承受高于1g的過載沖擊，克服了傳統光學微諧振腔耦合結構不具備抗震動能力的缺點。
　　2）全封裝結構實現了光學微諧振腔與外界環(huán)境的隔離。解決了角速度傳感應用中“非倏逝場傳感”與“倏逝場傳感”間的解耦問題，有利于實現角速度傳感的高選擇性。
　　4、理論和實驗分析了光學微諧振腔所處外界環(huán)境中灰塵和水分子對光學

6、微諧振腔諧振特性的影響，建立了帶有實際應用環(huán)境因素的光學微諧振腔Q值構成模型，打破了理想條件 Q值建模的常規(guī)。全封裝結構消除了外界環(huán)境 Q值破壞因素，首次實現了復雜、惡劣環(huán)境下Q值長時間保持（保存時間決定于固化后封裝材料的保質期），克服了傳統光學微諧振腔在復雜應用環(huán)境下不具備Q值保持能力的缺點。
　　5、提出了基于全封裝結構的頻率參考單元，并構建了帶有參考單元的測試系統。分析了熱噪聲對光學微諧振腔諧振譜特性的影響。提出了應用冰水混

7、合物作為測試環(huán)境來有效抑制熱噪聲的方法。首次應用諧振腔全封裝結構，構建了可用于光學微諧振腔傳感測試的頻率標準平臺，進而提出了帶有頻率參考單元的光學微諧振腔測試系統。實驗驗證了參考單元及帶參考單元測試系統對抑制熱噪聲以及激光頻率噪聲的有效性。
　　通過上述研究，獲得了較為穩(wěn)定的光學微諧振腔諧振單元，滿足了光學微諧振腔角速度傳感總體設計對光學微諧振腔單元的要求。此外，相關工作還可推進其它類型光學微諧振腔傳感器件（壓力傳感、微位移傳感、