CN102221328A - 一种基于导模共振结构设计的高分辨率角度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于导模共振结构设计的高分辨率角度测量方法，制作导模共振滤波器，通过测试得到导模共振滤波器特有固定的S值，利用导模共振滤波器对于入射光的角度敏感性来实现高分辨率的角度测量，为精密测量提供了另一途径。

Description

一种基于导模共振结构设计的高分辨率角度测量方法

技术领域

本发明涉及一种测量方法，特别涉及一种基于导模共振结构设计的高分辨率角度测量方法。

背景技术

导模共振滤波器（GMRF）结构以其极窄的带宽，近乎100%的反射率和波长，角度的敏感性等优越特性得到了广泛的应用，如在光纤通信领域中利用GMRF得到单色性极好的单色光，扩展通信带宽；在生物医学方面，利用GMRF结构对波长的敏感性制作了高灵敏度无标签生物传感器。

发明内容

本发明是针对导模共振滤波器的特点和运用的问题，提出了一种基于导模共振结构设计的高分辨率角度测量方法，利用导模共振滤波器结构对入射光线的角度敏感性设计了高灵敏度的角度测微仪，可测最微小角度。

本发明的技术方案为：一种基于导模共振结构设计的高分辨率角度测量方法，光源通过发射光纤探头将入射光以入射角度θ1入射到导模共振滤波器表面，通过反射光接收器接收反射光，送入光谱仪得到反射光的光谱，得到光谱中最高点，即峰值，从中测得对应的峰值波长λ1；然后改变入射光线的入射角度Δθ以θ2的角度入射，同理得到另一个峰值波长为λ2，即可得到峰值波长的移动量Δλ=λ2-λ1；通过公式S=Δθ/Δλ，得到导模共振滤波器的固定的S值；将需要测试角度的物体放入高分辨率导模共振角度测微仪入射光路中，入射的两束光线分别和待测物体的角度的两个边平行，通过高分辨率导模共振角度测微仪中光谱仪得到被测角度在导模共振滤波器表面上反射的波长差Δλ，可得所测试角度Δθ=Δλ*S。

所述导模共振滤波器的制作方法如下：

1）:导模共振光栅的制作：在石英基片上面镀制一层厚度为221nm的氧化铪材料的薄膜层，将清洗好的石英基片固定在镀膜机顶部，将要镀制的氧化铪材料放置于镀膜机底部的坩埚内，然后关闭镀膜机的腔体，对其进行抽真空，当真空度达到10-2Pa时，就可以将坩埚中的氧化铪材料进行熔化，氧化铪变成气态蒸发起来附着在镀膜机顶部的石英基片上，通过厚度监控仪，当石英基片上氧化铪薄膜层厚度达到221nm后停止镀膜，这样就得到了镀有氧化铪薄膜层的石英基片了；

2）:接着在氧化铪薄膜层上面涂一层光刻胶，我们利用此光刻胶层来做一层掩膜，此光刻胶与照相用的胶片上面的材料类似，对光很敏感，曝光显影后，感光部分曝光会造成聚合链的断裂，产生可以被溶解并清除的单元；这一层光刻胶层做好之后，置于全息曝光系统下面去曝光；我们将涂好光刻胶的基片置于这个平面上，曝光一分钟，然后放在显影液里面显影，但看到基片表面有彩色条纹时，取出基片用去离子水清洗基片表面，去除基片上残留的溶液和杂质，这样掩膜就做好了；

3）:接下来要将做好的样品使用离子反应蚀刻机里面进行蚀刻，将上面没有光刻胶的氧化铪蚀刻掉了，最后将残余的光刻胶用氢氧化钠洗掉，得到石英基片上面的氧化铪光栅，这样导模共振滤波器就制成了。

所述步骤2）中全息曝光系统是利用一个半透半反的平面镜，对激光光束进行分束，得到两束相干的激光束，再让两束激光经过扩束镜，准直透镜最后相交在一个平面上，在这个平面上会产生干涉条纹，这个条纹就跟光栅的形状一样。

本发明的有益效果在于：本发明基于导模共振结构设计的高分辨率角度测量方法，利用导模共振滤波器对于入射光的角度敏感性来实现高分辨率的角度测量，为精密测量提供了另一途径。

附图说明

图1为入射导模共振滤波器相对位置示意图；

图2为通过导模共振滤波器光谱仪测得反射光谱图；

图3为本发明中导模共振滤波器示意图；

图4为本发明高分辨率角度测量整体结构图；

图5为通过导模共振滤波器光谱仪测得两束光的反射光谱图。

具体实施方式

导模共振滤波器为一种亚波长光栅结构，如图1所示，基底层，波导层、光栅层，通过计算得到合适的光栅各部分参数，如各部分所用的材料折射率，各层的厚度，光栅常数等，我们让一束白光入射到设计好的导模共振滤波器表面，然后测反射光的光谱，会得到如图2一样的光谱图，从图2中我们可以知道，入射的白光只有峰值处波长的部分被百分之百反射回来，我们称这个波长为共振波长，其他成分的反射率非常小，几乎没有。当改变入射的白光的入射角度时，测得的反射光谱也会发生改变，主要是共振波长会发生一个微小的改变，这个共振波长的微小改变可以表征入射白光的角度变化量，也就是我们要测得微小角度。

利用其对入射光线的入射角度的敏感性，首先制作需要的导模共振滤波器，包括如下具体步骤：

A:导模共振光栅的制作。在石英基片上面镀制一层厚度为221nm的氧化铪材料的薄膜层，将清洗好的石英基片固定在镀膜机顶部，在要镀制的氧化铪材料放置于镀膜机底部的坩埚内，然后关闭镀膜机的腔体，对其进行抽真空，当真空度达到10-2Pa时，就可以将坩埚中的氧化铪材料进行熔化，氧化铪变成气态蒸发起来附着在镀膜机顶部的石英基片上，通过厚度监控仪，当石英基片上氧化铪薄膜层厚度达到221nm后停止镀膜。这样就得到了镀有氧化铪薄膜层的石英基片了。

B:接着在氧化铪薄膜层上面涂一层光刻胶，我们利用此光刻胶层来做一层掩膜，此光刻胶就像照相用的胶片上面那种材料一样，对光很敏感，曝光显影后，感光部分曝光会造成聚合链的断裂，产生可以被溶解并清除的单元。这一层光刻胶层做好之后，拿到全息曝光系统下面去曝光。全息曝光系统是利用一个半透半反的平面镜，对激光光束进行分束，得到两束相干的激光束，再让两束激光经过扩束镜，准直透镜最后相交在一个平面上，在这个平面上会产生干涉条纹，这个条纹就跟光栅的形状一样。我们将涂好光刻胶的基片置于这个平面上，曝光一分钟，然后放在显影液里面显影，但看到基片表面有彩色条纹时，取出基片用去离子水清洗基片表面，去除基片上残留的溶液和杂质。这样掩膜就做好了。

C:接下来要将做好的样品使用离子反应蚀刻机里面进行蚀刻，这样就将上面没有光刻胶的氧化铪蚀刻掉了，最后将残余的光刻胶用氢氧化钠洗掉，这样就得到了石英基片上面的氧化铪光栅，结构如附图3所示，这就是我们要做的导模共振滤波器。

然后将做好的导模共振滤波器置于如图4所示光路中，光源2通过发射光纤探头3将入射光以某一角度θ1入射到导模共振滤波器1表面，这时在导模共振滤波器1表面会有一个反射光，通过反射光接收器4接收反射光，送入光谱仪5得到反射光的光谱，光谱图如图5，图中有一个最高点，即峰值，我们称其为共振峰，我们测得这一个共振峰所对应的波长为λ1；然后我们改变入射光线的入射角度Δθ以θ2的角度入射，再测其反射光谱，得到另一个峰值波长为λ2，角度变化量为Δθ=θ2-θ1，对应的峰值变化量即波长漂移量为Δλ=λ1-λ2，我们设计的导模共振滤波器都有一个固定的S值，S=Δθ/Δλ。每一个设计好的导模共振滤波器都有与其对应的S值，也就是S是已知的。如前面所述，当入射光改变一个微小的角度Δθ时，使用光谱仪可以测得反射光波峰的漂移量Δλ，Δλ也是已知的，我们想要知道这个Δθ值，通过公式：Δθ=Δλ*S，可以求得Δθ的值。我们使用的光谱仪的极限分辨率为0.06nm，通过计算得到可以探测的极限角度为0.004°。

Claims (3)

1.一种基于导模共振结构设计的高分辨率角度测量方法，其特征在于，光源通过发射光纤探头将入射光以入射角度θ1入射到导模共振滤波器表面，通过反射光接收器接收反射光，送入光谱仪得到反射光的光谱，得到光谱中最高点，即峰值，从中测得对应的峰值波长λ1；然后改变入射光线的入射角度Δθ以θ2的角度入射，同理得到另一个峰值波长为λ2，即可得到峰值波长的移动量Δλ=λ2-λ1；通过公式S=Δθ/Δλ，得到导模共振滤波器的固定的S值；将需要测试角度的物体放入高分辨率导模共振角度测微仪入射光路中，入射的两束光线分别和待测物体的角度的两个边平行，通过高分辨率导模共振角度测微仪中光谱仪得到被测角度在导模共振滤波器表面上反射的波长差Δλ，可得所测试角度Δθ=Δλ*S。

2.根据权利要求1所述基于导模共振结构设计的高分辨率角度测量方法，其特征在于，所述导模共振滤波器的制作方法如下：

1）:导模共振光栅的制作：在石英基片上面镀制一层厚度为221nm的氧化铪材料的薄膜层，将清洗好的石英基片固定在镀膜机顶部，将要镀制的氧化铪材料放置于镀膜机底部的坩埚内，然后关闭镀膜机的腔体，对其进行抽真空，当真空度达到10-2Pa时，就可以将坩埚中的氧化铪材料进行熔化，氧化铪变成气态蒸发起来附着在镀膜机顶部的石英基片上，通过厚度监控仪，当石英基片上氧化铪薄膜层厚度达到221nm后停止镀膜，这样就得到了镀有氧化铪薄膜层的石英基片了；

2）:接着在氧化铪薄膜层上面涂一层光刻胶，我们利用此光刻胶层来做一层掩膜，此光刻胶与照相用的胶片上面的材料类似，对光很敏感，曝光显影后，感光部分曝光会造成聚合链的断裂，产生可以被溶解并清除的单元；这一层光刻胶层做好之后，置于全息曝光系统下面去曝光；我们将涂好光刻胶的基片置于这个平面上，曝光一分钟，然后放在显影液里面显影，但看到基片表面有彩色条纹时，取出基片用去离子水清洗基片表面，去除基片上残留的溶液和杂质，这样掩膜就做好了；

3）:接下来要将做好的样品使用离子反应蚀刻机里面进行蚀刻，将上面没有光刻胶的氧化铪蚀刻掉了，最后将残余的光刻胶用氢氧化钠洗掉，得到石英基片上面的氧化铪光栅，这样导模共振滤波器就制成了。

3.根据权利要求2所述基于导模共振结构设计的高分辨率角度测量方法，其特征在于，所述步骤2）中全息曝光系统是利用一个半透半反的平面镜，对激光光束进行分束，得到两束相干的激光束，再让两束激光经过扩束镜，准直透镜最后相交在一个平面上，在这个平面上会产生干涉条纹，这个条纹就跟光栅的形状一样。

Images