CN103278096A - 一种基于复合二维光子晶体的微位移传感装置 - Google Patents

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冯桂兰
宋鑫
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Abstract

本发明公开了一种基于复合二维光子晶体的微位移传感装置，包括一个激光源、固定光子晶体模块、可移动光子晶体模块和探测器；将可移动光子晶体模块固定在待测器件上并随待测器件相对于固定光子晶体模块移动，激光源发出的光经过复合光子晶体后，被探测器接收。可移动光子晶体模块随待测器件发生位移时，光子晶体结构发生变化，透射光的光强也随之变化。探测器探测的光强与位移关系获取光强信息，进而得出可移动光子晶体模块的位移，即为待测器件的位移。该装置结构简单、精度高、动态范围大、对温度不敏感，能精确检测微纳米级别器件的微位移。

Description

一种基于复合二维光子晶体的微位移传感装置
技术领域
本发明涉及一种位移传感装置，尤其涉及一种基于光子晶体的微位移传感装置，属于传感装置领域。
背景技术
随着科学技术的发展，越来越多的产品应用在微观级别，对微位移测量技术的要求越来越高。目前，微位移传感器装置主要采用电容式微位移传感器、霍尔式微位移传感器、激光微位移传感器、光纤光栅微位移传感器。电容式微位移传感器通过将位移量转换为电容变化并最后转化为电压信号输出，具有测量精度高、噪音低、结构简单的优点，但输出阻抗高，易受电磁干扰，而且很不稳定。霍尔式微位移传感器通过将位移量转化为霍尔电动势，成本低。但误差较大，精确度不高，易受环境温度影响。激光微位移传感器可以实现非接触式测量、速度快、精度高，抗电磁干扰能力强，但制作成本高，维修不方便。光纤光栅微位移传感器具有抗电磁干扰、体积小、耐腐蚀等优点，但结构复杂、灵敏度不高，不能满足对微位移测量的需求。
发明内容
为了克服上述微位移传感器装置的不足，本发明的目的在于提供一种基于复合二维光子晶体的微位移传感装置，该装置结构简单、精度高、动态范围大、对温度不敏感，能精确检测微纳米级别器件的微位移。
本发明为解决技术问题所采取的技术方案为：
一种基于复合二维光子晶体的微位移传感装置，包括一个激光源、固定光子晶体模块、可移动光子晶体模块和探测器；固定光子晶体模块包括固定的第一基座和与第一基座垂直的第一光子晶体阵列；可移动光子晶体模块包括第二基座和与第二基座垂直的第二光子晶体阵列；第二光子晶体阵列介质柱与第一光子晶体阵列介质柱交替排列形成复合光子晶体结构，且第二光子晶体阵列可以相对于第一光子晶体阵列水平移动。
所述的第一光子晶体阵列成矩形或者三角形排列。所述的第一光子晶体介质柱横截面为圆形或者方形。
所述的第二光子晶体阵列成矩形或者三角形排列。所述的第二光子晶体介质柱横截面为圆形或者方形。
所述的第一光子晶体阵列和第二光子晶体阵列的晶格常数a为200nm～100μm。
所述的第一光子晶体介质柱直径为0.1a～0.8a，第二子晶体介质柱直径为0.1a～0.8a，第一光子晶体介质柱直径和所述的第二子晶体介质柱直径之和小于晶格常数。
所述第一光子晶体阵列、第二光子晶体阵列、第一基座、第二基座由绝缘体材料或者半导体材料制成。
一种基于复合二维光子晶体的微位移传感装置传感方法：
步骤一：选择一个固定光子晶体模块，包含固定的第一基座和与第一基座垂直的第一光子晶体阵列；一个可移动光子晶体模块，包括第二基座和与第二基座垂直的第二光子晶体阵列。将第二光子晶体阵列介质柱与第一光子晶体阵列介质柱交替排列形成复合光子晶体结构，且第二光子晶体阵列可以相对于第一光子晶体阵列水平移动。选择一个输出波长处于复合光子晶体带隙范围内的激光源，一个光强探测器。
步骤二：将待测器件与可移动光子晶体模块第二基座固定。待测器件发生位移时，可移动光子晶体模块也随之发生位移，复合光子晶体结构将发生变化，探测器获取的透射光光强随之发生变化。
步骤三：根据位移量的不同分为两种情况。一是位移量很小，在一个晶格常数的范围内；二是位移量较大，超出一个晶格常数的范围。假定位移量为L，晶格常数为a，并有L＝N*a+L’，其中N为0或者正整数，L’为小于a的长度。如果测量精度要求不高，这时可以忽略L’，可以通过测量透射光光强峰值变化数目N获得位移量，测量精度为晶格常数a。如果测量精度要求较高，只要测量透射光光强峰值变化数目N和透射光光强大小，可以分别获得N和L’的值，可以获得移动光子晶体的位移量，测量精度可达0.1a。
本发明的有益效果为：
1.利用复合光子晶体结构变化，使得复合光子晶体的透射光光强变化，通过监测光强的变化确定微位移量，探测精度高(与光子晶体阵列周期性有关)；
2.通过设计和制造较大的光子晶体阵列，实现较大动态范围的测量。
附图说明
下面结合附图及其实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明的结构示意图侧视图；
图2为本发明的结构示意图俯视图；
图3为本发明传感器的结构示意图；
图4为本发明位移为一个晶格常数时透射光强与位移关系曲线；
图5为本发明位移为五个晶格常数时透射光强与位移关系曲线。
1为第二基座，2为第二光子晶体阵列，3为第一光子晶体阵列，4为第一基座，5为激光源，6为探测器。
具体实施方式
图1，2，3中，一种基于复合二维光子晶体的微位移传感装置，包括一个激光源5、固定光子晶体模块、可移动光子晶体模块和探测器6；固定光子晶体模块包括固定的第一基座4和与第一基座4垂直的第一光子晶体阵列3；可移动光子晶体模块包括第二基座1和与第二基座1垂直的第二光子晶体阵列2；第二光子晶体阵列2介质柱与第一光子晶体阵列3介质柱交替排列形成复合光子晶体结构，且第二光子晶体阵列2可以相对于第一光子晶体阵列3水平移动。
一种基于复合二维光子晶体的微位移传感装置的传感方法：将可移动光子晶体模块固定在待测器件上，并随待测器件相对于固定光子晶体模块移动，激光源5发出的光经过复合光子晶体后，被探测器6接收。可移动光子晶体模块随待测器件发生位移时，光子晶体结构发生变化，透射光的光强也随之变化。探测器6探测的光强与位移关系获取光强信息，进而得出可移动光子晶体模块的位移，即为待测器件的位移。
实施例1
位移量很小，在一个晶格常数的范围内。本实施例中第一光子晶体阵列和第二光子晶体阵列的晶格常数为1μm，第一光子晶体阵列介质柱半径0.185μm，第二光子晶体阵列0.3μm，介质柱介电常数均为3.4，背景材料为空气，介电常数为1。采用1.37μm波长的激光光源，在一个晶格常数范围内的位移量与光强Ey分量变化关系如图4所示，其中光强与|Ey|2成正比。因此，光强与微位移量s有关。将位移量转换成光强的变化，实现微位移测量。
实施例2
位移量较大，超出一个晶格常数的范围。假定位移量为L，晶格常数为a，并有L＝N*a+L’，其中N为正整数，L’为小于a的长度。如果测量精度要求不高，这时可以忽略L’，通过测量透射光光强峰值变化数目N获得位移量，测量精度为晶格常数a。如果测量精度要求较高，可以测量透射光光强峰值变化数目N和透射光光强大小，分别获得N和L’的值，可以获得移动光子晶体的位移量，测量精度可达0.1a。
实施例2中第一光子晶体阵列和第二光子晶体阵列的晶格常数为1μm，第一光子晶体阵列介质柱半径0.185μm，第二光子晶体阵列0.3μm，介质柱介电常数均为3.4，背景材料为空气，介电常数为1。采用1.37μm波长的激光光源，五个晶格常数的位移量与光强Ey分量变化关系如图5所示，其中光强与|Ey|2成正比。通过测量透射光光强峰值变化数目获得N值，通过测量透射光光强大小获得L’值。因此，将位移量转换成光强峰值变化量和光强的变化，实现微位移测量。如果制备复合光子晶体的周期数足够大，可以获得动态范围很大的位移量测量。
以上实施例只是本发明所有方案中优选方案之一，其它对复合光子晶体结构或者结构参数的简单改变都属于本发明所保护的范围。

Claims (9)

1.一种基于复合二维光子晶体的微位移传感装置，其特征在于，包括一个激光源、固定光子晶体模块、可移动光子晶体模块和探测器；固定光子晶体模块包括固定的第一基座和与第一基座垂直的第一光子晶体阵列；可移动光子晶体模块包括第二基座和与第二基座垂直的第二光子晶体阵列；第二光子晶体阵列介质柱与第一光子晶体阵列介质柱交替排列形成复合光子晶体结构，且第二光子晶体阵列可以相对于第一光子晶体阵列水平移动。
2.根据权利要求1所述的一种基于复合二维光子晶体的微位移传感装置，其特征在于，所述的第一光子晶体阵列成矩形或者三角形排列。
3.根据权利要求1所述的一种基于复合二维光子晶体的微位移传感装置，其特征在于，所述的第一光子晶体介质柱横截面为圆形或者方形。
4.根据权利要求1所述的一种基于复合二维光子晶体的微位移传感装置，其特征在于，所述的第二光子晶体阵列成矩形或者三角形排列。
5.根据权利要求1所述的一种基于复合二维光子晶体的微位移传感装置，其特征在于，所述的第二光子晶体介质柱横截面为圆形或者方形。
6.根据权利要求1所述的一种基于复合二维光子晶体的微位移传感装置，其特征在于，所述的第一光子晶体阵列和第二光子晶体阵列的晶格常数a为200nm～100μm。
7.根据权利要求1所述的一种基于复合二维光子晶体的微位移传感装置，其特征在于，所述的第一光子晶体介质柱直径为0.1a～0.8a，第二光子晶体介质柱直径为0.1a～0.8a。
8.根据权利要求1所述的一种基于复合二维光子晶体的微位移传感装置，其特征在于，所述的第一光子晶体介质柱直径和所述的第二光子晶体介质柱直径之和小于晶格常数。
9.根据权利要求1所述的一种基于复合二维光子晶体的微位移传感装置，其特征在于，所述第一光子晶体阵列、第二光子晶体阵列、第一基座、第二基座由绝缘体材料或者半导体材料制成。
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