基于雙面金屬包覆光波導(dǎo)的精密位移探測技術(shù).pdf

1、隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對精密位移測量的需求越來越高。傳統(tǒng)的位移測量方法有電學(xué)和光學(xué)兩大類。其中利用材料在形變的情況下產(chǎn)生的電量(壓電效應(yīng))和電阻率的變化(壓阻效應(yīng))可以間接測量位移量，該方法原理簡單，基于不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計發(fā)展出了多種探測器。隨后，差動電容檢測技術(shù)也應(yīng)用到位移測量位移中。采用一種單懸臂梁或者雙懸臂梁結(jié)構(gòu)，位移變化引起兩邊電容大小的改變，采用差動技術(shù)能有效克服非線性效應(yīng)的影響。光學(xué)方法主要側(cè)重于干涉計量技術(shù)的應(yīng)用。本文重點探討雙

2、面金屬包覆光波導(dǎo)的色散特性，分析其靈敏度，并技術(shù)上提出了一種微小位移測量的新方法。 本文首先介紹了表面等離子體共振和泄漏模傳感器的原理和應(yīng)用情況，指出由于待測物質(zhì)置于指數(shù)衰減場中而使其靈敏度受到嚴(yán)重限制。在此基礎(chǔ)上利用雙面金屬薄膜包覆波導(dǎo)，提出了將待測物質(zhì)置于電磁場以振蕩形式存在的導(dǎo)波層。其后對金屬包覆光波導(dǎo)的色散特性以及TM<,o>和TM<,l>模式特性作了分析。 其次，介紹了利用自由空間耦合技術(shù)，在雙面金屬包覆光波導(dǎo)

3、中激發(fā)超高階導(dǎo)波模式的情況。自由空間耦合技術(shù)不僅避免了光柵、使光棱鏡等歐和遠見，而且它可以使光的入射角趨向于零度，從而為超高階導(dǎo)模激發(fā)創(chuàng)造條件。超高階模式不僅全高半寬小，對導(dǎo)波層參數(shù)變化非常靈敏，而且，模擬和實驗結(jié)果還證實了超高階導(dǎo)模具有偏振無關(guān)特性?；诮饘俨▽?dǎo)中的超高階導(dǎo)模一些典型應(yīng)用，例如：梳狀濾波器和電光調(diào)制器等也作了介紹。利用雙面金屬包覆光波導(dǎo)中超高階導(dǎo)模的特性，我們提出了亞毫米尺度光波導(dǎo)的位移傳感設(shè)想，根據(jù)衰減全反射曲線對導(dǎo)

4、波層厚度的敏感特性，分析了兩種可以監(jiān)測位移變化的方案：其一，監(jiān)測反射光斑中m線的移動；其二，將傳感器的角度固定，而監(jiān)測反射光光強的變化。理論分析表明，直接光強探測方案靈敏度更高，并且數(shù)據(jù)處理相對較簡單。隨后，針對實驗中的光源(半導(dǎo)體激光器)存在較大發(fā)散角的情況，采用高斯光束模型改進了計算衰減全反射吸收峰的方法，得到了切合實際情況的結(jié)果。此外，亞毫米尺度平板波導(dǎo)的平行度是實驗中必須考慮的一個重要因素，我們從多光束干涉角度對該問題進行了分析

5、，得到對實驗有指導(dǎo)意義的結(jié)論：平行度小于10<'-6>弧度時，影響可以忽略。 其后，結(jié)合理論分析，進行了實際的位移傳感實驗。重點介紹了探頭設(shè)計、測試系統(tǒng)、穩(wěn)定性問題以及最終的實驗結(jié)果。利用直接光強測量的方法我們得到的位移靈敏度為1.7納米，利用鎖相技術(shù)屏蔽外界噪聲后，靈敏度進一步提高到3.3皮米。 精密的位移測量為很多其他物理量的測量奠定了基礎(chǔ)，本文最后根據(jù)位移探測器的結(jié)果，提出了基于平面光波導(dǎo)的加速度傳感器設(shè)想，分析了