CN109323661A - 基于光束空间古斯-汉森位移的高灵敏度角度位移传感器 - Google Patents

基于光束空间古斯-汉森位移的高灵敏度角度位移传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光束空间古斯‑汉森(GH)位移的高灵敏度角度位移传感器，首先在光子晶体中加入缺陷，并在缺陷中引入增益和损耗，构成非厄米光子系统，即含有增益或损耗的系统；然后调制缺陷层中的增益‑损耗因子和光束的入射角，找到EPs和CPA激光点；在这些点附近，得到的空间GH位移与光的入射角度程函数关系，通过反射光束的空间GH位移获得入射光束的角度偏转；最后制作高灵敏度角度位移传感器。

Description

基于光束空间古斯-汉森位移的高灵敏度角度位移传感器
技术领域
本发明属于全光通信技术领域，涉及一种高灵敏度角度位移传感器，具体涉及一种基于光束空间古斯-汉森位移的高灵敏度角度位移传感器。
背景技术
随着检测和传感技术的发展，迫切地需要发展高灵敏度传感器。
利用反射光束的空间古斯-汉森(GH)位移，可以制作高灵敏度角度位移传感器。光从光密介质射向光疏介质，在两种不同材料的分界面上发生全反射时，有部分光会渗透到光疏介质，这部分光叫倏逝波。实际上，这可以看成是在分界面的下面，存在一个虚反射界面。那么，反射光束相对于几何光学预言的位置，会有一个横向的位移，就是所谓的空间GH位移，此时的位移为正。如果虚反射面在分界面的上面，空间GH位移则为负。
研究发现，光束发生反射时，不仅有横向的空间位移，还存在角度偏转，即角度GH位移。更一般地，光束在发生非全反射时，也存在GH位移。GH位移是由材料对入射光的不同角度色散造成的。空间GH位移通常比较小，就几个波长，故不易检测。但可以通过表面等离子激元(Surface plasmon polaritons：SPPs)或在材料中引入弱损耗来增强空间GH位移。不过这种增强也是有限的，空间GH位移的量级最多可提高1-2个两级。
另外，在宇称-时间(Parity–time：PT)对称的光子晶体中，发现存在巨大的空间GH位移。精细地调制电介质折射率实部和虚部，使光子晶体折射率满足PT对称性，即n(z)＝n*(-z)。PT对称光子晶体中的GH位移可正可负，而且在异常点(exceptional points：EPs)和相干完美吸收激光点(coherent-perfect-absorption-laser point：CPA-LP)附近，会出现空间GH位移极值，理论上其值可达到无穷大。
发明内容
本发明利用反射光束的空间古斯-汉森(GH)位移，开拓性地提供了一种基于光束空间古斯-汉森位移的高灵敏度角度位移传感器。
本发明所采用的技术方案是：一种基于光束空间古斯-汉森位移的高灵敏度角度位移传感器，其特征在于：首先在光子晶体中加入缺陷，并在缺陷中引入增益和损耗，构成非厄米光子系统；然后调制缺陷层中的增益-损耗因子和光束的入射角，找到EPs和CPA激光点；在这些点附近，得到的空间GH位移与光的入射角度程函数关系，通过反射光束的空间GH位移获得入射光束的角度偏转；最后制作高灵敏度角度位移传感器。
本发明的优点：将严格的宇称-时间对称的光子晶体简化为一般的非厄米系统，寻找EPs和CPA激光点，只在缺陷层中引入增益和损耗，简化了系统结构。
本发明的基于空间GH位移制作的高灵敏度角度位移传感器的灵敏度可以达到105量级，而且当无限接近EPs和CPA激光点，理论上，角度位移传感器灵敏度可以达到无穷大。但是在EPs反射光束的强度较弱，且在CPA激光点，系统不够稳定。
附图说明
图1为本发明实施例的非厄米光子系统结构示意图；
图2为本发明实施例的在光子晶体中加入缺陷步骤中各步骤获得的结构示意图；
图3为本发明实施例中基于GH位移的角度位移传感器原理示意图一；
图4为本发明实施例中基于GH位移的角度位移传感器原理示意图二。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供的一种基于光束空间古斯-汉森位移的高灵敏度角度位移传感器，制作方法为：
首先在光子晶体中加入缺陷，并在缺陷中引入增益和损耗，构成非厄米光子系统，即含有增益或损耗的系统；然后调制缺陷层中的增益-损耗因子和光束的入射角，找到EPs和CPA激光点；在这些点附近，得到的空间GH位移与光的入射角度程函数关系，通过反射光束的空间GH位移获得入射光束的角度偏转；最后制作高灵敏度角度位移传感器。
只要材料中存在增益或损耗，材料的折射率就存在虚部，那么整个系统就是非厄米的，PT对称光子晶体是非厄米系统的一种。在PT对称光子晶体中，在EPs附件，反射光束存在巨大的GH位移。调制电介质折射率实部和虚部，使光子晶体折射率满足PT对称性n(z)＝n*(-z)，其难度是比较大的。
本实施例在光子晶体中加入缺陷，并在缺陷中引入增益和损耗，构成非厄米系统，如图1所示，其中电介质A，B和C的折射率分别为na＝2.2，nb＝1.8和nc＝1.8+iq，q叫增益-损耗因子。
A，B和C的厚度分别为：0.2，0.2，0.4μm。整个结构是(AB)NACA(BA)N，其中布拉格周期数N＝6。
非厄米系统中存在EPs和CPA激光点，而且，在缺陷光子晶体中，缺陷模电场能量主要被束缚在缺陷层中，调制缺陷层中的增益-损耗因子和光束的入射角，找到EPs和CPA激光点，其中EPs也是缺陷模的一种。在非厄米系统的缺陷模和CPA激光点附件，存在极大的空间GH位移，越接近缺陷模和CPA激光点，GH位移越大，理论上其值为无穷大。
得到的反射光束的空间GH位移与光的入射角度程函数关系，从而可以用来测量入射光束的角度偏转。理论上，在EPs和CPA激光点，GH位移的角度位移灵敏度可以达到无穷大，因此，该理论可以用来制作高灵敏度角度位移传感器。
利用反射光束的空间GH位移来制作角度位移传感器时，传感器的灵敏度是缺陷C折射率的函数，可以通过外界光强改变C折射率的增益和损耗，因此，可以通过外界光场来方便地调控角度位移传感器的灵敏度。
请见图2，本实施例在宇称-时间对称光子晶体中加入缺陷，具体实现包括以下步骤：
步骤1：制作基质材料二氧化硅SiO2，如图2(a)所示；
步骤2：在基质材料中掺杂二氧化锗GeO2，制备电介质A，并以周期性排列形成光栅，如图2(b)所示；
步骤3：再掺杂三氧化二硼B2O3，形成电介质B和C，并以周期性排列形成(AB)NACA(BA)N结构，并在C中掺杂活性介质铒离子；如图2(c)所示；
步骤4：通过外界光照来控制C中的增益和损耗，如图2(d)所示。
入射光波长设置为1.55μm，图3中，当光线1以入射角θ1入射时，反射光线为1'，可以看到，相对于几何光学预测的位置，反射光线发生了横向的位移D1，即空间GH位移，此位移是光的入射角度和缺陷层C的增益-损耗系数的函数。
图4中，是保持缺陷层C中的增益-损耗因子不变，调整入射角为θ2，可以看到空间GH位移改变，因此可以用来做角度位移传感器。当入射角越靠近EPs和CPA激光点，得到反射光的空间GH位移D2越大。因此，当把此器件用作角度位移传感器时，越是靠近EPs和CPA激光点，传感器的灵敏度更大。
保持入射角不变，通过外界光场控制缺陷C的增益和损耗，反射光束的空间GH位移改变，从而控制角度位移传感器的灵敏度系数。当缺陷层C的增益-损耗因子越接近EPs和CPA激光点，传感器的灵敏度系数越大。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种基于光束空间古斯-汉森位移的高灵敏度角度位移传感器，其特征在于，制作方法为：
首先在光子晶体中加入缺陷，并在缺陷中引入增益和损耗，构成非厄米光子系统；然后调制缺陷层中的增益-损耗因子和光束的入射角，找到EPs和CPA激光点；在这些点附近，得到的空间GH位移与光的入射角度程函数关系，通过反射光束的空间GH位移获得入射光束的角度偏转；最后制作高灵敏度角度位移传感器。
2.根据权利要求1所述的基于光束空间古斯-汉森位移的高灵敏度角度位移传感器，其特征在于：在光子晶体中加入缺陷后结构为(AB)NACA(BA)N，其中
A、B为电介质，C为缺陷电介质，N为布拉格周期数。
3.根据权利要求2所述的基于光束空间古斯-汉森位移的高灵敏度角度位移传感器，其特征在于：电介质A、B和C的折射率分别为na＝2.2，nb＝1.8和nc＝1.8+iq，q叫增益-损耗因子。
4.根据权利要求2所述的基于光束空间古斯-汉森位移的高灵敏度角度位移传感器，其特征在于：电介质A、B和C的厚度分别为：0.2，0.2，0.4μm；布拉格周期数N＝6。
5.根据权利要求2-4任意一项所述的基于光束空间古斯-汉森位移的高灵敏度角度位移传感器，其特征在于：所述在光子晶体中加入缺陷，具体实现包括以下步骤：
步骤1：制作基质材料二氧化硅SiO2；
步骤2：在基质材料中掺杂二氧化锗GeO2，制备电介质A，并以周期性排列形成光栅；
步骤3：再掺杂三氧化二硼B2O3，形成电介质B和C，并以周期性排列形成(AB)NACA(BA)N结构，其中N＝6；
步骤4：在C中掺杂活性介质铒离子。
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