CN101144726A - 基于波长扫描的古斯汉欣位移的测量系统 - Google Patents

Abstract

一种导波光学领域的古斯汉欣位移测量系统，其中：可调谐激光器、偏振器、分束镜、小孔按照顺序固定在调节支架上，并保持等高共轴，光轴指向波导样品的中心，调节支架再固定在光学平板上，波长计固定在光学平板上，并与可调谐激光器保持等高，波导待测样品放在倍角转台上，倍角转台平放在光学平板上，测量探测器固定在倍角转台上，位置灵敏探测器固定在螺旋测微计调节支架上，位置灵敏探测器通过导线与信号放大电路相连，信号放大电路的两路输出和测量探测器同时通过数据线与电气控制箱及计算机相连，波长计通过串口与计算机相连。本发明可以测量光波导结构由于共振增强产生的古斯汉欣位移，具有操作简单、准确可靠、快速测量等特性。

Description

基于波长扫描的古斯汉欣位移的测量系统

技术领域

本发明涉及的是一种导波光学领域的测量系统，具体是一种基于波长扫描的古斯汉欣位移的测量系统，用于精密测量领域。

背景技术

近几年，不同结构中的古斯汉欣位移理论和实验研究取得了长足的进步。同时，这种古斯汉欣效应已经开始在传感器领域得到了应用。由于基于古斯汉欣效应的溶液浓度传感器的灵敏度较光波导传感器高一到两个数量级，表现了很好的优越性和应用前景，因此古斯汉欣位移的测量就显得越加重要。人们对古斯汉欣位移的研究大多集中在理论上，研究的不多，其中一个主要原因就是这个位移很小，通常只有波长的数量级，在单次反射的光学实验中很难观察到。早期的研究采用的方法是多次反射法和微波测量法。最近在光学领域出现了利用位置灵敏探测器进行测量的单次反射实验。

经对现有技术的文献检索发现，Gilles等人在《OPTICS LETTERS》(光学快报)Vol.27(2002)pp 1421-1423上发表的“Simple technique for measuringthe  Goos-Hnchen effect with polarization modulation and aposition-sensitive detector”(使用偏振调制和位置灵敏探测器实现测量古斯汉欣效应的简单技术)一文中，首次提出并实现了用位置灵敏探测器测量古斯汉欣位移。该测量系统由激光器，信号发生器，电光调制器，可调节角度的转台，位置灵敏探测器，信号处理电路和示波器组成。利用在介质全反射的临界共振角附近古斯汉欣位移的大小与光束的偏振态有关，将10kHz频率的方波交流信号加在普科尔晶体两端的电极上。通过调整电压的偏移量和调制深度，使得通过电光调制器输出光恰好出现TE和TM偏振的交替变化。光入射到棱镜与空气斜面上并被全反射。全反射发生在等腰直角棱镜的45度角斜边上。棱镜角度的调节通过转台控制。反射光打在位置灵敏探测器的灵敏区。位置灵敏探测器两端感应到的电流信号通过电压电流转换在示波器上显示。电压信号的差值与TE偏振和TM偏振的古斯汉欣位移的差值成正比。这样，通过测出位置灵敏探测器两端的电压信号，就可得到一定的入射角度下TE和TM偏振的古斯汉欣位移之差。Yin等人在《APPLIED PHYSICS LETTERS》(应用物理快报)Vol.89(2006)pp 261108发表的“Goos-Hnchen shift surface plasmon resonance sensor”(基于古斯汉欣位移的表面等离子振荡传感器)一文利用这种测试方法实现了一种新型的浓度传感器。虽然该测试方法实现了在光频中直接测量单次反射的古斯汉欣位移，但是这种测试方法存在如下缺点：首先，它只能测试TE和TM极化下古斯汉欣位移的差值，假如古斯汉欣位移对偏振态不敏感，这种测试方法就无能为力；其次，信号处理后的电压值在示波器上显示，不能实时读出位移值，必须再进行相应的计算；此外，这种方法通过角度扫描测量古斯汉欣位移，这样每一次改变入射角，都要相应改变位置灵敏探测器的位置，使得出射光正好打在位置灵敏探测器的中心，操作起来不方便，而且容易出现误差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于波长扫描的古斯汉欣位移的测量系统，使其可以测量光波导结构由于共振增强产生的古斯汉欣位移。这种系统具有操作简单、准确可靠、快速测量等特性。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：可调谐激光器、偏振器、分束镜、小孔、倍角转台、测量探测器、位置灵敏探测器，螺旋测微计调节支架、调节支架、信号放大电路、电气控制箱、波长计、光学平板、计算机。可调谐激光器、偏振器、分束镜、小孔按照顺序固定在调节支架上，并保持等高共轴，光轴指向波导待测样品的中心，调节支架再固定在光学平板上，倍角转台平放在光学平板上，波导待测样品则放在倍角转台的内转台上，测量探测器一般为硅光电池，将它固定在倍角转台的外转台上，位置灵敏探测器焊接在一块面包板上，然后固定在带螺旋测微计的调节支架上，调节支架再固定在光学平板上，位置灵敏探测器两端的电流信号通过电线连接到信号放大电路，经放大后的电压值和测量探测器同时通过数据线与电气控制箱及计算机相连，把探测到的光强信号及两路电压信号放大处理后经过A/D卡输入计算机处理，波长计通过串口连接到计算机上。

所述倍角转台包括：滚动平板、轮子、内转台、外转台、底座、支架。连接关系为：滚动平板通过支架固定在底座上，在内转台边缘对称地引出三个接点，在接点上设置轮子，轮子的中心带有轴承，保证轮子的轴线与内转台的中心轴线严格垂直相交，外转台底面设有一个圆形的沟槽，外转台通过沟槽套在轮子上，滚动平板与内转台的中心轴线严格垂直。由于滚动轮子的顶点相对于底面的线速度是其中心的两倍，轮子的中心与内转台保持同步，用轮子的顶部带动外转台，这样外转台的角速度是内转台角速度的两倍，实现了外内转台的倍角同步关系，从而保证了转台在转动过程中，测量探测器始终能准确同步的探测到反射光强，从而实现共振角的扫描。

使用本发明测量古斯汉欣位移时，可调谐激光器所发出的激光经过偏振器后变成TE或TM偏振光，再经过分束镜和小孔，入射在待测光波导的上层金属膜上。波导样品放置在倍角转台上。由计算机编程控制的倍角转台可以进行角度扫描。另一部分光通过分束镜后，被波长计接收用于实时测量波长。从光波导反射的光首先被测量探测器接收，并转变为电压信号输入到计算机数据采集卡中。随着角度扫描的进行，激光相对于光波导的入射角不断变化，当耦合条件被满足后，不同阶数的导模被激发，并以一系列吸收峰表现出来。选择入射角度，使得在相邻的吸收峰之间反射率最大。由于偏离共振条件，在这个角度古斯汉欣位移并不明显，反射光斑的位置可被视为基准。然后将测量探测器从光路中移开，同时不改变入射光角，让反射光直接垂直入射到位置灵敏探测器的中心。通过调节激光器的温度改变入射光的波长，位置灵敏探测器两侧的信号经放大得到的输出电压输入到计算机，对相关数据作计算处理就可获得所需要的古斯汉欣位移值。

本发明同当前的古斯汉欣位移测量方法相比，具备以下优点：1、由于将非共振点处反射光斑的位置设为基准，TE和TM极化下共振增强的古斯汉欣位移可以直接测量得到，而不是仅仅测出两者的古斯汉欣位移差值，大大扩大了这种测试系统的应用范围。2、位置灵敏探测器两端信号经放大后变成电压，直接输入计算机进行计算处理，可以实时得到位移相对于波长的变化曲线，可克服示波器不能实时读位移值的缺点。3、这种测量方法通过波长扫描，使得入射角一旦确定就固定不动，而调节波长并不会改变光路，从而实现了0.5μm的测量精度，角度扫描情况下每测一个入射角都需要移动位置灵敏探测器，这样光路变动产生了误差，使精度局限在1μm量级。

附图说明

图1为本发明结构示意图

图2为本发明结构侧视示意图

图3为固定位置灵敏探测器的螺旋测微计调节支架侧视示意图

图4为倍角转台的结构示意图

图5为倍角转台轮子连接示意图

图6为轮子的结构示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1、图2和图3所示，本实施例包括：可调谐激光器1、偏振器2、分束镜3、小孔4、倍角转台5、测量探测器6、位置灵敏探测器7、螺旋测微计调节支架8、调节支架9、信号放大电路10、电气控制箱11、波长计12、光学平板13、计算机14。按照可调谐激光器1、偏振器2、分束镜3、小孔4的顺序将它们固定在调节支架9上，使它们保持等高共轴，光轴指向波导样品的中心，调节支架9再固定在光学平板13上，波长计12固定在光学平板13上，与可调谐激光器1保持等高。波导待测样品放在倍角转台5上，倍角转台5平放在光学平板13上，测量探测器6、可调谐激光器1关于波导待测样品的中心轴对称，测量探测器6固定在倍角转台5上，位置灵敏探测器7焊接在一块面包板上，并固定在螺旋测微计调节支架8上，通过倍角转台5扫描角度，确定入射角度，然后通过移动螺旋测微计调节支架8使反射光斑正好打在位置灵敏探测器7的中心。位置灵敏探测器7通过导线与信号放大电路10相连，信号放大电路10的两路输出和测量探测器6同时通过数据线与电气控制箱11及计算机14相连，波长计12通过串口与计算机14相连，测量探测器6为硅光电池。

如图4、图5、图6所示，倍角转台5包括：滚动平板15、轮子16、内转台17、外转台18、底座22、支架23。滚动平板15通过支架23固定在底座22上，在内转台17边缘对称地引出三个接点20，在接点20上设置轮子16，轮子16的中心带有轴承21，保证轮子16的轴线与内转台17的中心轴线严格垂直相交。外转台18底面设有一个圆形的沟槽19，外转台18通过沟槽19套在轮子16上，滚动平板15与内转台17的中心轴线严格垂直。

所述可调谐激光器1的输出波长在858nm-863nm之间。

所述倍角转台5，包括滚动平板15、轮子16、内转台17、外转台18、底座22、支架23。滚动平板15通过支架23固定在底座22上，在内转台17边缘对称地引出三个接点20，在接点20上设置轮子16，轮子16的中心带有轴承21，保证轮子16的轴线与内转台17的中心轴线严格垂直相交。外转台18底面设有一个圆形的沟槽19，外转台18通过沟槽19套在轮子16上，滚动平板15与内转台17的中心轴线严格垂直。作用是实现共振角的扫描。

所述小孔4，直径为2mm，作用是进一步限制激光的发散角。

所述位置灵敏探测器7，为一梳状结构位置灵敏探测器，光敏区大小1mm*8mm，灵敏度为0.5μm，用来测量光斑中心的位置。

所述螺旋测微计调节支架8，为一个带螺旋测微计的调节支架。调节支架用来调节位置灵敏探测器7的高度，使光斑能垂直入射到光敏区；螺旋测微计用来调节位置灵敏探测器7与光路垂直方向的位置，使入射光初始时打在位置灵敏探测器7的中心。

所述调节支架9，用来调节高度使可调谐激光器1、偏振器2、分束镜3、小孔4保持等高共轴。

所述电气控制箱11，用来将电压信号放大并通过通道转换进入数据采集卡。

结合本发明的内容，提供实施例，即将本发明用于测量双面金属包覆波导古斯汉欣位移的实施例，具体如下：

第一步：将可调谐激光器、偏振器、分束镜、小孔、位置灵敏探测器、倍角转台、波导待测样品、测量探测器、波长计进行光路同轴等高调整，使分束镜输出的一部分光入射到波导待测样品，另一部分光入射到波长计中。

第二步：制作波导待测样品，波导层选用K9光学玻璃，折射率n＝2.278，厚度0.38mm。利用溅射方法在玻璃的一面上镀上一层金属膜作为耦合层，一般选择为金膜或者为银膜。为了提高光耦合进波导的效率，这层金属厚度需要严格控制。这里金属膜材料采用金(860.0nm波长下ε＝-28+i1.8)，厚度为20nm。在玻璃的另一面镀上一层金属膜作为衬底，同样可选择为金膜或银膜。这层金属厚度要在200nm以上，这里同样选择金膜，厚度选200nm。

第三步：将制备好的波导待测样品放置在倍角转台内转台的中心。选择入射激光波长为858.65nm，选取激光偏振方向为TM波。入射光在样品表面发生反射，反射光被测量探测器接收。

第四步：对倍角转台进行角度扫描，在计算机软件界面上可以得到反射光强随角度变化的谱线。谱线上会出现多个导模共振峰，选择入射角，使谱线落在一个共振吸收峰的顶端(反射率最大处)，然后固定入射角，此处选择固定的入射角为8.11度，反射率为97.3％，在峰值角度为7.58度和8.3度的两个相邻吸收峰之间为反射率最大值。

第五步：将倍角转台上的测量探测器移开光路，让反射光垂直入射到位置灵敏探测器上，旋动调节平台上的螺旋测微计，使反射光斑直接打在位置灵敏探测器的中心，此时计算机采样到的两路放大电压重合，均为7.820V。

第六步：调节输入光波长到预定值，此处选择858.812nm，此时在计算机上读出位置灵敏探测器两端经放大后的输出电压分别为1.758V和2.041V，它们的差分值为0.07725，古斯汉欣位移计算后可得309.0μm。

Claims (6)

1.一种基于波长扫描的古斯汉欣位移的测量系统，包括：可调谐激光器、偏振器、分束镜、小孔、倍角转台、测量探测器、位置灵敏探测器、螺旋测微计调节支架、调节支架、信号放大电路、电气控制箱、波长计、光学平板、计算机，其特征在于：可调谐激光器、偏振器、分束镜、小孔按照顺序固定在调节支架上，并保持等高共轴，光轴指向波导样品的中心，调节支架再固定在光学平板上，波长计固定在光学平板上，并与可调谐激光器保持等高，波导待测样品放在倍角转台上，倍角转台平放在光学平板上，测量探测器、可调谐激光器关于波导待测样品的中心轴对称，测量探测器固定在倍角转台上，位置灵敏探测器焊接在一块面包板上，并固定在螺旋测微计调节支架上，通过倍角转台扫描角度，确定入射角度，然后通过移动螺旋测微计调节支架使反射光斑正好打在位置灵敏探测器的中心，位置灵敏探测器通过导线与信号放大电路相连，信号放大电路的两路输出和测量探测器同时通过数据线与电气控制箱及计算机相连，波长计通过串口与计算机相连。

2.根据权利要求1所述的基于波长扫描的古斯汉欣位移的测量系统，，其特征是，所述倍角转台包括：滚动平板、轮子、内转台、外转台、底座、支架，滚动平板通过支架固定在底座上，在内转台边缘对称地引出三个接点，在接点上设置轮子，轮子的中心带有轴承，轮子的轴线与内转台的中心轴线严格垂直相交，外转台底面设有一个圆形的沟槽，外转台通过沟槽套在轮子上，滚动平板与内转台的中心轴线严格垂直。

3.根据权利要求1所述的基于波长扫描的古斯汉欣位移的测量系统，其特征是，所述测量探测器为硅光电池。

4.根据权利要求1所述的基于波长扫描的古斯汉欣位移的测量系统，其特征是，所述可调谐激光器的输出波长在858nm-863nm之间。

5.根据权利要求1所述的基于波长扫描的古斯汉欣位移的测量系统，其特征是，所述位置灵敏探测器为梳状一维位置灵敏探测器，光敏区大小1mm*8mm。

6.根据权利要求1所述的基于波长扫描的古斯汉欣位移的测量系统，其特征是，所述螺旋测微计调节支架，为一个带螺旋测微计的调节支架，调节支架用来调节位置灵敏探测器的高度，使光斑能垂直入射到光敏区；螺旋测微计用来调节位置灵敏探测器与光路垂直方向的位置，使入射光初始时打在位置灵敏探测器的中心。

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