CN108827431B - 一种基于opcl耦合的光机械腔质量传感器 - Google Patents

一种基于opcl耦合的光机械腔质量传感器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于OPCL耦合的光机械腔质量传感器，包括主光机械振荡系统和从光机械振荡系统，以及电连接设置在二者之间的信号处理单元；主、从光机械振荡系统分别包括主、从激光泵，主、从光机械环形腔以及用于主、从电光探测器；主、从光机械环形腔内均蚀刻有圆形槽，圆形槽的两侧均镶嵌一圆形电容器构成两个电极；主光机械振荡系统还包括电流电压转换器和放大器单元，其输入端与主光机械环形腔的两个电极相连、输出端与信号处理单元相连；从光机械振荡系统还包括驱动单元，驱动单元的输入端与从光机械环形腔的两个电极相连、输出端与所述信号处理单元相连。该质量传感器具有灵敏度高、稳定性好、工作范围大等优点。

Description

一种基于OPCL耦合的光机械腔质量传感器
技术领域
本发明涉及一种质量传感器，尤其涉及一种基于OPCL耦合的光机械腔质量传感器，属于微光机械技术领域。
背景技术
OPCL(Open-Plus-Closed-Loop，开环加闭环回路)耦合方法是一种可以将两个存在失配参数的动力学系统实现同步的耦合方法，该方法可以通过电路实现。光机械振荡器作为具有光机械腔的典型光腔机械系统，当激光驱动强度增大到一定程度时，光学腔中产生的辐射压力会将光机械振荡器引入自激发状态，其中腔机械状态和光学状态会相互作用。随着所施加的激光驱动强度不断增加，腔中的光学部分可以从周期性状态分叉到混沌状态。
光机械系统领域中的同步现象因具有潜在的应用价值而备受关注。传统意义上，光机械系统中的同步研究仅限于光学模式的同步，机械模式和光学模式同时实现完全同步的现象还未得到实现，原因在于实际存在的两个光机械总是不可避免地存在参数不匹配问题，而且两个光机械系统的机械模式较之光学模式也较难实现耦合。近期，随着光机械领域的快速发展，人们已将研发重点从单一的光机械系统转向多物理场耦合的光机械杂合系统。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于OPCL耦合的光机械腔质量传感器，该质量传感器测量灵敏度高、系统稳定性好且工作范围大。
为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于OPCL耦合的光机械腔质量传感器，包括主光机械振荡系统和感应质量变化的从光机械振荡系统，以及电连接设置在二者之间的信号处理单元；所述主光机械振荡系统、所述从光机械振荡系统分别包括提供激光源的主激光泵、从激光泵，用于提取机械状态信息的主光机械环形腔、从光机械环形腔，以及用于提取光学状态信息的主电光探测器、从电光探测器；所述主光机械环形腔、所述从光机械环形腔内均蚀刻有圆形槽，所述圆形槽的两侧均镶嵌一圆形电容器构成两个电极；所述主光机械振荡系统还包括电流电压转换器和放大器单元，所述电流电压转换器和放大器单元的输入端与所述主光机械环形腔的两个电极相连、输出端与所述信号处理单元相连；所述从光机械振荡系统还包括驱动单元，所述驱动单元的输入端与所述从光机械环形腔的两个电极相连、输出端与所述信号处理单元相连。
进一步地，所述主光机械振荡系统、所述从光机械振荡系统还分别包括控制所述主激光泵、所述从激光泵偏振状态的主光纤偏振控制器、从光纤偏振控制器，所述主光纤偏振控制器、所述从光纤偏振控制器的一端分别与所述主激光泵、所述从激光泵电连接，另一端分别与所述主电光探测器、所述从电光探测器电连接。
进一步地，所述激光泵主、所述从激光泵分别设置在所述主光机械环形腔、所述从光机械环形腔的下方。
进一步地，所述信号处理单元包括一开环加闭环回路电路，所述开环加闭环回路电路的两端分别与所述主光机械振荡系统、所述从光机械振荡系统电连接。
进一步地，所述主光机械环形腔、所述从光机械环形腔的外径均为14.5um
进一步地，所述主光机械环形腔、所述从光机械环形腔的壁厚均为3um。
进一步地，所述主光机械环形腔、所述从光机械环形腔的材质为二氧化硅。
与已有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明采用OPCL耦合原理，在主、从光机械振荡系统之间连接设置一开环加闭环回路(OPCL)，并通过在光机械振荡系统的环形腔内加置圆形电容器将机械模式转化为电学信号，同时利用光电探测器将光信号转化为电学信号，进而利用OPCL将两个光机械振荡系统进行耦合，实现了机械与光学模式同时存在的完全同步。在上述完全同步的基础上，从光机械振荡系统作为传感部分，传感部分上质量的微小变化会导致两个耦合光机械振荡系统的同步失调，通过观测主、从光机械振荡系统同步失调的情况从而来量化探测到的质量。本发明提供的基于OPCL耦合的光机械腔质量传感器，具有灵敏度高、稳定性好、工作范围大等优点。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明实施例探测质量的同步失调仿真图；
图3为本发明实施例随质量改变同步失调指数随其质量变化示意图；
其中：10、主光机械振荡系统；11、主激光泵；12、主光机械环形腔；13、主电光探测器；14、主光纤偏振控制器；20、信号处理单元；30、从光机械振荡系统；31、从激光泵；32、从光机械环形腔；33、从电光探测器；34、从光纤偏振控制器；40、圆形电容器；50、电流电压转换器和放大器单元；60、驱动单元。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步详细的说明。所述实施例的示例在附图中示出，在下述本发明的实施方式中描述的具体的实施例仅作为本发明的具体实施方式的示例性说明，旨在用于解释本发明，而不构成为对本发明的限制。
一种基于OPCL耦合的光机械腔质量传感器，包括电信号连接的两个光机械振荡系统和一个信号处理单元，信号处理单元设置在两个光机械振荡系统之间；每个光机械振荡系统均包括提供激光源的激光泵、用于提取机械状态信息的光机械环形腔和用于提取光学状态信息的电光探测器，此外，还包括控制激光泵偏振状态的光纤偏振控制器。其中，光机械环形腔的内部蚀刻有圆形槽，圆形槽用于提取该光机械环形腔的位移，在圆形槽的两侧均镶嵌有一个圆形电容器，两个圆形电容器构成该光机械环形腔的两个电极。
当激光泵的激光驱动强度增大到一定程度时，光机械环形腔2中产生的辐射压力将光机械振荡系统驱动进入自激发状态，光机械环形腔的腔壁产生位移，光机械环形腔发出瞬时机械运动信号，同时，腔内的光场也会随腔壁位移变化而变化，两者产生相互作用，光机械耦合模型数学可以表达为：
Figure GDA0002512853080000031
Figure GDA0002512853080000032
Figure GDA0002512853080000033
Figure GDA0002512853080000034
其中，x1：腔壁位移，x2：腔壁速度，x3：腔内光学场实部，x4：腔内光场光学虚部，
Figure GDA0002512853080000035
x1对时间t的导数，
Figure GDA0002512853080000036
x2对时间t的导数，
Figure GDA0002512853080000037
x3对时间t的导数，
Figure GDA0002512853080000038
x4对时间t的导数，Ep：光学值大小，a、b、c、d、e、f、g分别为腔的参数。
如图1所示，本发明基于OPCL耦合的光机械腔质量传感器，包括主光机械振荡系统(OMO-m)10和从光机械振荡系统(OMO-s)30，以及电连接设置在主光机械振荡系统10、从光机械振荡系统30之间的信号处理单元20，从光机械振荡系统30作为小质量载荷的质量传感部分，用于感应质量变化。
从光机械振荡系统(OMO-s)用作小质量载荷的质量传感部分，附加的质量会导致主光机械振荡系统(OMO-m)与从光机械振荡系统(OMO-s)之间发生不同步现象，因此可以利用机械、光学模式的同步失调指数以感测加入的质量。本发明中OPCL相当于一个连接OMO-m和OMO-s的桥梁，使OMO-m和OMO-s实现同步。
信号处理单元20包括一个开环加闭环回路电路，该开环加闭环回路电路的一端与主光机械振荡系统10电信号连接，另一端与从光机械振荡系统20电信号连接。
主光机械振荡系统10包括主激光泵11、主光机械环形腔12、主电光探测器13和主光纤偏振控制器14，还包括电流电压转换器和放大器单元50；其中，主激光泵11设置在主光机械环形腔12的下方，主光纤偏振控制器14的一端与主激光泵11电连接、另一端与主电光探测器13电连接，电流电压转换器和放大器单元50的输入端与主光机械环形腔12的两个电极相连、输出端与信号处理单元20相连。
从光机械振荡系统30包括从激光泵31、从光机械环形腔32、从电光探测器33和从光纤偏振控制器34，还包括驱动单元60；其中，从激光泵31位于从光机械环形腔32的下方，从光纤偏振控制器34的一端与从激光泵31电连接、另一端与从电光探测器33电连接，驱动单元60的输入端与从光机械环形腔32的两个电极相连、输出端也与信号处理单元20相连。
主光机械环形腔12与从光机械环形腔32均为微米级的光环形腔，二者尺寸、材质相同，外径均为14.5um，壁厚均为3um，材质均为二氧化硅。
图1中，激光泵11的驱动强度增大到一定水平时，主光机械环形腔12中产生的辐射压力会将主光机械振荡系统10引入自激发状态，其中主光机械环形腔12内部的机械状态和光学状态会相互作用。此时，位于圆形槽两侧的圆形电容器40将把主光机械环形腔12的瞬时机械运动信号(即位移)转换成电信号，此电信号经过电流电压转换器和放大器单元50进入信号处理单元20内；同步地，主电光探测器13将探测到的主光机械环形腔12中的瞬时光学状态实现光电转换，并将转换后的电信号输入信号处理单元20中。
同理，从光机械振荡系统20也通过上述原理及方法来提取机械和光学状态信息，从光机械振荡系统20中的机械运动信号和光学状态信号经提取、转化后也被输入至信号处理单元20内，两组光机械振荡系统的信号经过信号处理单元20后，进一步流入驱动单元60，从光机械振荡系统20接受驱动单元60发出的驱动信号并调节从激光泵31与主光机械振荡系统10同步。当从光机械振荡系统20感应到质量变化时，会引起主、从两个光机械振荡系统的机械部分和光学部分的同步性失调，通过探测该同步性失调指数可以反应质量的变化。
图2为本发明实施例探测质量的同步失调仿真图，图中示出在从光机械振荡系统感测质量Δm’在不同值的情况下,主、从光机械振荡系统对应机械与光学状态的同步失调情况。图中：x1表示主光机械环形腔的位移，x2表示主光机械环形腔的速度，x3表示主光机械环形腔内部的光场实部，x4表示主光机械环形腔内部的光场虚部；y1表示从光机械环形腔的位移，y2表示从光机械环形腔的速度，y3表示从光机械环形腔内部的光场实部，y4表示从光机械环形腔内部的光场虚部。
图2(a)表明主光机械环形腔的位移x1与从光机械环形腔的位移y1随时间的同步失调情况，图2(b)表明主光机械环形腔的速度x2与从光机械环形腔的速度y2随时间的同步失调情况，图2(c)表明主光机械环形腔内光场的实部x3与从光机械环形腔内光场的实部y3随时间的同步失调情况，图2(d)表明主光机械环形腔内光场的虚部x4与从光机械环形腔内光场的虚部y4随时间的同步失调情况。由图中可知，当从光机械振荡系统感测到质量变化时，质量传感器中主、从光机械环形腔的腔位移、腔速度及腔内光场(包括实部和虚部)相应地同步失调，灵敏度高且稳定性佳。
图3为本发明实施例随质量改变同步失调指数随其质量变化示意图，其中，Q表示同步性失调大小值，Δm’是附加的质量，Qme是机械部分同步失调值大小随附加质量的变化图，Qop是光学部分同步失调大小随附加质量的变化图。图3(a)表明附加质量在小范围时，机械部分与光学部分的同步失调值均与质量变化正相关；图3(b)表明附加质量在大范围时，机械部分的同步失调值与质量变化正相关。
本发明采用OPCL耦合原理，在主、从光机械振荡系统之间连接设置一开环加闭环回路(OPCL)，并通过在光机械振荡系统的环形腔内加置圆形电容器将机械模式转化为电学信号，同时利用光电探测器将光信号转化为电学信号，进而利用OPCL将两个微米级的光机械振荡系统进行耦合，实现了机械与光学模式同时存在的完全同步。在上述完全同步的基础上，从光机械振荡系统作为传感部分，传感部分上质量的微小变化会导致两个耦合光机械振荡系统的同步失调，通过观测主、从光机械振荡系统同步失调的情况从而来量化探测到的质量。本发明提供的基于OPCL耦合的光机械腔质量传感器，具有灵敏度高、稳定性好、工作范围大等优点。
应该注意的是，上述实施例是对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的数据或步骤。

Claims (7)

1.一种基于OPCL耦合的光机械腔质量传感器，其特征在于：包括主光机械振荡系统和感应质量变化的从光机械振荡系统，以及电连接设置在二者之间的信号处理单元；所述主光机械振荡系统、所述从光机械振荡系统分别包括提供激光源的主激光泵、从激光泵，用于提取机械状态信息的主光机械环形腔、从光机械环形腔，以及用于提取光学状态信息的主电光探测器、从电光探测器；所述主光机械环形腔、所述从光机械环形腔内均蚀刻有圆形槽，所述圆形槽的两侧均镶嵌一圆形电容器构成两个电极；所述主光机械振荡系统还包括电流电压转换器和放大器单元，所述电流电压转换器和放大器单元的输入端与所述主光机械环形腔的两个电极相连、输出端与所述信号处理单元相连；所述从光机械振荡系统还包括驱动单元，所述驱动单元的输入端与所述从光机械环形腔的两个电极相连、输出端与所述信号处理单元相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于OPCL耦合的光机械腔质量传感器，其特征在于：所述主光机械振荡系统、所述从光机械振荡系统还分别包括控制所述主激光泵、所述从激光泵偏振状态的主光纤偏振控制器、从光纤偏振控制器，所述主光纤偏振控制器、所述从光纤偏振控制器的一端分别与所述主激光泵、所述从激光泵电连接，另一端分别与所述主电光探测器、所述从电光探测器电连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于OPCL耦合的光机械腔质量传感器，其特征在于：所述主激光泵、所述从激光泵分别设置在所述主光机械环形腔、所述从光机械环形腔的下方。
4.根据权利要求1所述的一种基于OPCL耦合的光机械腔质量传感器，其特征在于：所述信号处理单元包括一开环加闭环回路电路，所述开环加闭环回路电路的两端分别与所述主光机械振荡系统、所述从光机械振荡系统电连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于OPCL耦合的光机械腔质量传感器，其特征在于：所述主光机械环形腔、所述从光机械环形腔的外径均为14.5um。
6.根据权利要求5所述的一种基于OPCL耦合的光机械腔质量传感器，其特征在于：所述主光机械环形腔、所述从光机械环形腔的壁厚均为3um。
7.根据权利要求1所述的一种基于OPCL耦合的光机械腔质量传感器，其特征在于：所述主光机械环形腔、所述从光机械环形腔的材质为二氧化硅。
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Assignee: NANJING UNIVERSITY OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONS NANTONG INSTITUTE Co.,Ltd.

Assignor: NANJING University OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONS

Contract record no.: X2021980011448

Denomination of invention: An optomechanical cavity mass sensor based on opcl coupling

Granted publication date: 20200814

License type: Common License

Record date: 20211027