CN106595484B - 一种基于外置耦合光栅谐振腔的高精度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微观粒子几何尺寸的精密测量装置，具体是一种基于外置耦合光栅谐振腔的高精度测量装置。本发明解决了现有微观粒子几何尺寸的精密测量装置成本高、耦合效率低、加工难度大的问题。一种基于外置耦合光栅谐振腔的高精度测量装置，包括光源、第一光纤、光学光谱分析仪、第二光纤、纳米锥形光学光纤、外置耦合光栅；其中，纳米锥形光学光纤的一端通过第一光纤与光源的输出端连接，另一端通过第二光纤与光学光谱分析仪的输入端连接；外置耦合光栅水平镶嵌于纳米锥形光学光纤的下侧，且外置耦合光栅的中心光腔对应于纳米锥形光学光纤的腰部中央。本发明适用于微观粒子几何尺寸的精密测量。

Description

一种基于外置耦合光栅谐振腔的高精度测量装置

技术领域

本发明涉及微观粒子几何尺寸的精密测量装置，具体是一种基于外置耦合光栅谐振腔的高精度测量装置。

背景技术

对于微观粒子（纳米量级粒子）几何尺寸的精密测量，当前主要是通过光学显微镜或电子显微镜实现的。由于受到衍射极限的限制，每一种显微装置都有其最大精度。光学显微镜的精度当前可以达到200nm，电子显微镜在2KV加速电压下可以达到1.2nm。但是，这两种显微装置都有其固有缺陷，对电子显微镜来说，虽然增加加速电压其精度可以达到很高，但是电子束可能通过碰撞和加热破坏样本，染料的保护则破坏了其本来的形态，另一方面，电子显微镜对样品的要求很苛刻，超薄样品（100纳米以下）制样过程复杂、困难，制样有损伤，由于透射电子显微镜只能观察非常薄的样本，而有可能物质表面的结构与物质内部的结构不同，而且在电子显微镜中样本必须在真空中观察，因此无法观察活样本。对光学显微镜来说，观测时不仅要经过繁复的聚焦过程，而且其精度受到光波长的影响，比如说，当光的波长为400nm时，其精度只能达到200nm，即精度只能达到波长的一半，而且这种观测行为难以避免探针光场对微观粒子状态的扰动，进一步加大了不确定性。在成本方面，具有纳米级分辨率的电子显微镜价格昂贵，例如日本电子株式会社型号为JEM-2100F的电子显微镜市场价格是1500000(美元)，这也限制了其广泛使用。鉴于这两种精密测量装置的缺点，人们需要研究出另一种精密测量手段。答案就是一带有锥形结构的光子晶体纳米光纤，这种装置的精度可以达到1nm。但显现出的问题同样不可小觑，如果在其纳米光纤区域没有加工光学腔，则这种装置的光耦合效率很低，一般仅为22%，这样被观测物的微小变化信息可能就会因其低耦合效率而被忽略。而由于这种光纤材料质地脆弱，如果在其纳米光纤区域制作光腔，极易折断或损伤光纤，这样加工极其困难，增加了制造成本。为使低耦合效率和难加工问题一举解决，本发明提出了一种带光腔的精密测量装置。

发明内容

本发明为了解决现有微观粒子几何尺寸的精密测量装置成本高、耦合效率低、加工难度大的问题，提供了一种基于外置耦合光栅谐振腔的高精度测量装置。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种基于外置耦合光栅谐振腔的高精度测量装置，包括光源、第一光纤、光学光谱分析仪、第二光纤、纳米锥形光学光纤、外置耦合光栅；

其中，纳米锥形光学光纤的一端通过第一光纤与光源的输出端连接，另一端通过第二光纤与光学光谱分析仪的输入端连接；外置耦合光栅水平镶嵌于纳米锥形光学光纤的下侧，且外置耦合光栅的中心光腔对应于纳米锥形光学光纤的腰部中央。

工作时，光源发出的信号光经第一光纤传输至纳米锥形光学光纤。在纳米锥形光学光纤与外置耦合光栅接触的区域内，此装置具有布拉格光栅（短周期光栅）的性质，因此纳米锥形光学光纤导模所经历的有效折射率被外置耦合光栅强烈调制，信号光经过此调制后由第二光纤传输至光学光谱分析仪。由于反射或透射中心波长与介质折射率有关，当微观粒子用一种特殊的镊子固定在纳米锥形光学光纤的表面时，移动外置耦合光栅，反射或透射光的中心波长也会随之变化。通过光学光谱分析仪检测反射或透射中心波长的变化，就可以间接观测被测物几何参数的变化。在此发明中，申请人设计了五种光栅参数，可以达到不同的测量精度，观测者可以根据自身的实验精度，选取需要的光栅参数。

基于上述过程，与现有微观粒子几何尺寸的精密测量相比，本发明所述的一种基于外置耦合光栅谐振腔的高精度测量装置具有如下优点：一、本发明具有1nm的高分辨率，与现有的同等分辨率的电子显微镜相比，成本省去很多（本发明的制造成本在万元人民币左右）。二、本发明是具有光子晶体波导特性的微观器件，在进行强光子禁闭和光物质耦合时可以达到很低的光学损耗，同时获得很高的耦合效率，可以达到95%以上。这也就是说，被观测物微小的状态变动都可能被感应到，灵敏度极高。三、在制作工艺上，本发明降低了操作难度，运用现在的纳米加工技术，可以很方便的灵活加工光栅，装置采用很普遍的二氧化硅材料，极大地节省了实施成本，而且可以根据需求适时改变装置的微观参数。另外，本发明可以直接裸露工作，不需要封装埋没等处理。四、本发明省去了以往观测中的很多步骤，由于被观测物的信息通过光场的变化被间接放大处理，避免了原先探针光场或电子流对被观测物的影响甚至破坏性损伤。

本发明有效解决了现有微观粒子几何尺寸的精密测量装置成本高、耦合效率低、加工难度大的问题，适用于微观粒子几何尺寸的精密测量。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明中外置耦合光栅的结构示意图。

图3是本发明中第一外置耦合光栅的透射、反射率与波长的函数关系图。

图4是本发明中第二外置耦合光栅的透射、反射率与波长的函数关系图。

图5是本发明中第三外置耦合光栅的透射、反射率与波长的函数关系图。

图6是本发明中第四外置耦合光栅的透射、反射率与波长的函数关系图。

图7是本发明中第五外置耦合光栅的透射、反射率与波长的函数关系图。

图1中：1-光源，2-第一光纤，3-光学光谱分析仪，4-第二光纤，5-纳米锥形光学光纤，6-外置耦合光栅；虚线部分是区分无缺陷和有缺陷，其存在就是无缺陷，反之有缺陷；箭头表示光传输的方向。

图2中：9-第一外置耦合光栅，10-第二外置耦合光栅，11-第三外置耦合光栅，12-第四外置耦合光栅，13-第五外置耦合光栅，14-基底的长度，15-基底的宽度，16-基底的厚度，17-第一外置耦合光栅的狭板宽度，18-第一外置耦合光栅的光栅周期，19-第一外置耦合光栅的支撑板宽度，20-第一外置耦合光栅的光栅长度，21-第一外置耦合光栅的凹槽宽度，22-第一外置耦合光栅的凹槽深度，23-第一外置耦合光栅的狭板数，24-第二外置耦合光栅的狭板宽度，25-第二外置耦合光栅的光栅周期，26-第二外置耦合光栅的支撑板宽度，27-第二外置耦合光栅的光栅长度，28-第二外置耦合光栅的凹槽宽度，29-第二外置耦合光栅的凹槽深度，30-第二外置耦合光栅的左部狭板数，31-第二外置耦合光栅的右部狭板数，32-第三外置耦合光栅的狭板宽度，33-第三外置耦合光栅的光栅周期，34-第三外置耦合光栅的支撑板宽度，35-第三外置耦合光栅的光栅长度，36-第三外置耦合光栅的凹槽宽度，37-第三外置耦合光栅的凹槽深度，38-第三外置耦合光栅的左部狭板数，39-第三外置耦合光栅的右部狭板数，40-第四外置耦合光栅的狭板宽度，41-第四外置耦合光栅的光栅周期，42-第四外置耦合光栅的支撑板宽度，43-第四外置耦合光栅的光栅长度，44-第四外置耦合光栅的凹槽宽度，45-第四外置耦合光栅的凹槽深度，46-第四外置耦合光栅的左部狭板数，47-第四外置耦合光栅的右部狭板数，48-第五外置耦合光栅的狭板宽度，49-第五外置耦合光栅的光栅周期，50-第五外置耦合光栅的支撑板宽度，51-第五外置耦合光栅的光栅长度，52-第五外置耦合光栅的凹槽宽度，53-第五外置耦合光栅的凹槽深度，54-第五外置耦合光栅的左部狭板数，55-第五外置耦合光栅的右部狭板数。

具体实施方式

一种基于外置耦合光栅谐振腔的高精度测量装置，包括光源1、第一光纤2、光学光谱分析仪3、第二光纤4、纳米锥形光学光纤5、外置耦合光栅6；

其中，纳米锥形光学光纤5的一端通过第一光纤2与光源1的输出端连接，另一端通过第二光纤4与光学光谱分析仪3的输入端连接；外置耦合光栅6水平镶嵌于纳米锥形光学光纤5的下侧，且外置耦合光栅6的中心光腔对应于纳米锥形光学光纤5的腰部中央。

所述外置耦合光栅6包括基底、第一外置耦合光栅9、第二外置耦合光栅10、第三外置耦合光栅11、第四外置耦合光栅12、第五外置耦合光栅13；

其中，第一外置耦合光栅9、第二外置耦合光栅10、第三外置耦合光栅11、第四外置耦合光栅12、第五外置耦合光栅13由左向右依次排列于基底的上表面中央；

第一外置耦合光栅9为无缺陷的光栅；第二外置耦合光栅10、第三外置耦合光栅11、第四外置耦合光栅12、第五外置耦合光栅13均为有缺陷的光栅；

基底的长度14为15mm、宽度15为12mm、厚度16为2mm；

第一外置耦合光栅9的狭板宽度17为50nm、光栅周期18为330nm、支撑板宽度19为0.25mm、光栅长度20为1mm、凹槽宽度21为305nm、凹槽深度22为2μm、狭板数23为300；

第二外置耦合光栅10的狭板宽度24为50nm、光栅周期25为340nm、支撑板宽度26为0.25mm、光栅长度27为1mm、凹槽宽度28为510nm、凹槽深度29为2μm、左部狭板数30为75、右部狭板数31为75；

第三外置耦合光栅11的狭板宽度32为50nm、光栅周期33为300nm、支撑板宽度34为0.25mm、光栅长度35为1mm、凹槽宽度36为450nm、凹槽深度37为2μm、左部狭板数38为100、右部狭板数39为100；

第四外置耦合光栅12的狭板宽度40为50nm、光栅周期41为340nm、支撑板宽度42为0.25mm、光栅长度43为1mm、凹槽宽度44为510nm、凹槽深度45为2μm、左部狭板数46为125、右部狭板数47为125；

第五外置耦合光栅13的狭板宽度48为50nm、光栅周期49为320nm、支撑板宽度50为0.25mm、光栅长度51为1mm、凹槽宽度52为495nm、凹槽深度53为2μm、左部狭板数54为165、右部狭板数55为165。

所述基底为石英基底；所述第一外置耦合光栅9、第二外置耦合光栅10、第三外置耦合光栅11、第四外置耦合光栅12、第五外置耦合光栅13均为二氧化硅材料。

Claims (2)

1.一种基于外置耦合光栅谐振腔的高精度测量装置，其特征在于：包括光源（1）、第一光纤（2）、光学光谱分析仪（3）、第二光纤（4）、纳米锥形光学光纤（5）、外置耦合光栅（6）；

其中，纳米锥形光学光纤（5）的一端通过第一光纤（2）与光源（1）的输出端连接，另一端通过第二光纤（4）与光学光谱分析仪（3）的输入端连接；外置耦合光栅（6）水平镶嵌于纳米锥形光学光纤（5）的下侧，且外置耦合光栅（6）的中心光腔对应于纳米锥形光学光纤（5）的腰部中央；

所述外置耦合光栅（6）包括基底、第一外置耦合光栅（9）、第二外置耦合光栅（10）、第三外置耦合光栅（11）、第四外置耦合光栅（12）、第五外置耦合光栅（13）；

其中，第一外置耦合光栅（9）、第二外置耦合光栅（10）、第三外置耦合光栅（11）、第四外置耦合光栅（12）、第五外置耦合光栅（13）由左向右依次排列于基底的上表面中央；

第一外置耦合光栅（9）为无缺陷的光栅；第二外置耦合光栅（10）、第三外置耦合光栅（11）、第四外置耦合光栅（12）、第五外置耦合光栅（13）均为有缺陷的光栅；

基底的长度（14）为15mm、宽度（15）为12mm、厚度（16）为2mm；

第一外置耦合光栅（9）的狭板宽度（17）为50nm、光栅周期（18）为330nm、支撑板宽度（19）为0.25mm、光栅长度（20）为1mm、凹槽宽度（21）为305nm、凹槽深度（22）为2μm、狭板数（23）为300；

第二外置耦合光栅（10）的狭板宽度（24）为50nm、光栅周期（25）为340nm、支撑板宽度（26）为0.25mm、光栅长度（27）为1mm、凹槽宽度（28）为510nm、凹槽深度（29）为2μm、左部狭板数（30）为75、右部狭板数（31）为75；

第三外置耦合光栅（11）的狭板宽度（32）为50nm、光栅周期（33）为300nm、支撑板宽度（34）为0.25mm、光栅长度（35）为1mm、凹槽宽度（36）为450nm、凹槽深度（37）为2μm、左部狭板数（38）为100、右部狭板数（39）为100；

第四外置耦合光栅（12）的狭板宽度（40）为50nm、光栅周期（41）为340nm、支撑板宽度（42）为0.25mm、光栅长度（43）为1mm、凹槽宽度（44）为510nm、凹槽深度（45）为2μm、左部狭板数（46）为125、右部狭板数（47）为125；

第五外置耦合光栅（13）的狭板宽度（48）为50nm、光栅周期（49）为320nm、支撑板宽度（50）为0.25mm、光栅长度（51）为1mm、凹槽宽度（52）为495nm、凹槽深度（53）为2μm、左部狭板数（54）为165、右部狭板数（55）为165。

2.根据权利要求1所述的一种基于外置耦合光栅谐振腔的高精度测量装置，其特征在于：所述基底为石英基底；所述第一外置耦合光栅（9）、第二外置耦合光栅（10）、第三外置耦合光栅（11）、第四外置耦合光栅（12）、第五外置耦合光栅（13）均为二氧化硅材料。