CN111551110A - 纳米粒子尺寸信息测量装置及方法 - Google Patents

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CN111551110A CN202010301721.1A CN202010301721A CN111551110A CN 111551110 A CN111551110 A CN 111551110A CN 202010301721 A CN202010301721 A CN 202010301721A CN 111551110 A CN111551110 A CN 111551110A
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张靖
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张皖哲
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    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques

Abstract

本申请涉及一种纳米粒子尺寸信息测量装置及方法。包括激光泵浦源、光学微腔系统、光电探测器以及频谱分析仪。激光泵浦源提供满足驻波条件的光信号。光信号耦合进入光学微腔系统后，调节激光泵浦源出射的光信号频率，以实现光信号与光学微腔系统的极限耦合。光信号经光电探测器转换为电信号。频谱分析仪获取电信号，并对电信号进行分析。当出现倍周期分岔现象时，将纳米粒子贴近光学微腔系统边缘，当电信号再次被频谱分析仪获取后，分析倍周期的峰值信息，进而解读出纳米粒子的尺寸信息。上述测量过程由于引入了较强的非线性现象，在粒子半径较小的时候能够将信息放大较高倍数，从而能够提升信噪比，同时，能够避免噪声淹没信号的问题。

Description

纳米粒子尺寸信息测量装置及方法
技术领域
本申请涉及光学测量技术领域，特别是涉及一种纳米粒子尺寸信息测量装置及方法。
背景技术
光学微腔因其高Q值，尺寸小，在微纳粒子探测和大小测量领域有潜在应用价值。光经由光纤漏入光学微腔中时，符合一定频率条件的光更容易留驻在光学微腔中，并沿着腔壁传播；当外部信号对腔壁产生影响时，会对这些光产生较大的影响，在从光学微腔漏回到光纤时，就能够把影响信息通过光强的形式体现出现。
利用光学微腔对微纳粒子的探测在早些年已经提出：由于微纳粒子会导致简并的腔模式出现耦合，从而导致其输出光场出现一高一低两个频率的超模，通过对劈裂出来的两个超模的线宽和频差的测量就能够得到有效的纳米粒子大小。该方法能够对50nm以上的粒子实现较为准确地大小测量。但是，当粒子较小的时候，劈裂出来的两个超模相距较近，超模的频差信号和线宽信号会被噪声或者泵浦激光本身的线宽所淹没，因此该方法无法对50nm以下的粒子实现探测。
发明内容
基于此，本申请提供一种纳米粒子尺寸信息测量装置及方法，以对50nm以下的粒子实现探测。
一种纳米粒子尺寸信息测量装置，包括：
激光泵浦源，用于提供满足驻波条件的光信号；
光学微腔系统，所述光信号耦合进入所述光学微腔系统后，调节所述激光泵浦源出射的光信号频率，以实现所述光信号与光学微腔系统的极限耦合；
光电探测器，所述光学微腔系统射出的光信号经所述光电探测器转换为电信号；以及
频谱分析仪，获取所述电信号，并对所述电信号进行分析，当出现倍周期分岔现象时，将纳米粒子贴近所述光学微腔系统边缘，并且所述电信号再次被所述频谱分析仪获取后，分析倍周期的峰值信息，进而解读出所述纳米粒子的尺寸信息。
在其中一个实施例中，所述激光泵浦源包括：
可调谐激光源，用于发射光信号；
激光隔离器，接收所述光信号，并防止所述光信号的反射光击穿所述可调谐激光源；以及
激光放大器，接收经所述激光隔离器射出的所述光信号，用于调节所述光信号的功率，以提供满足驻波条件的所述光信号。
在其中一个实施例中，所述光学微腔系统包括：
光纤，接收所述激光放大器射出的所述光信号；以及
光学微腔，与所述光纤间隔预设距离，以使得所述光纤中的所述光信号耦合进入所述光学微腔。
在其中一个实施例中，所述预设距离为0.1μm-0.8μm。
在其中一个实施例中，所述光学微腔采用变形微芯圆环或变形球腔。
一种纳米粒子尺寸信息测量方法，包括：
S10，利用激光泵浦源提供满足驻波条件的光信号；
S20，调节所述光信号的频率，以实现所述光信号与光学微腔系统的极限耦合；
S30，所述光学微腔系统射出的光信号经光电探测器转换为电信号；
S40，利用频谱分析仪获取所述电信号，并对所述电信号进行分析，当出现倍周期分岔现象时，将纳米粒子贴近所述光学微腔系统边缘，所述频谱分析仪再次获取所述电信号后，分析倍周期的峰值信息，进而解读出所述纳米粒子的尺寸信息。
在其中一个实施例中，所述S10，利用激光泵浦源提供满足驻波条件的光信号的步骤之前包括：
调整所述光学微腔系统中的光纤与光学微腔之间的间距，以使所述光学微腔系统满足极限耦合条件。
在其中一个实施例中，所述调整所述光学微腔系统中的光纤与光学微腔之间的间距，以使所述光学微腔系统满足极限耦合条件的步骤包括：
调整所述光学微腔系统中的光纤与光学微腔之间的间距为0.5μm。
在其中一个实施例中，所述S10，利用激光泵浦源提供满足驻波条件的光信号的步骤包括：
利用激光放大器调节可调谐激光源发射的光信号频率在预设频率内，以提供满足驻波条件的所述光信号。
在其中一个实施例中，所述S20，调节所述光信号的频率，以实现所述光信号与光学微腔系统的极限耦合的步骤包括：
利用激光放大器调节可调谐激光源发射的光信号频率与所述光学微腔的频率共振。
在其中一个实施例中，所述S40，利用频谱分析仪获取所述电信号，并对所述电信号进行分析，当出现倍周期分岔现象时，将纳米粒子贴近所述光学微腔系统边缘，所述频谱分析仪再次获取所述电信号后，分析倍周期的峰值信息，进而解读出所述纳米粒子的尺寸信息的步骤包括：
当出现倍周期分岔现象时，获取此时的第一倍周期的峰值信息；
将纳米粒子贴近所述光学微腔系统边缘后，获取第二倍周期的峰值信息；
利用第一倍周期的峰值信息与第二倍周期的峰值信息，获取倍周期峰峰值的变化值，进而解读出所述纳米粒子的尺寸信息。
上述纳米粒子尺寸信息测量装置，包括激光泵浦源、光学微腔系统、光电探测器以及频谱分析仪。所述激光泵浦源用于提供满足驻波条件的光信号。所述光信号耦合进入所述光学微腔系统后，调节所述激光泵浦源出射的光信号频率，以实现所述光信号与光学微腔系统的极限耦合。所述光学微腔系统射出的光信号经所述光电探测器转换为电信号。所述频谱分析仪获取所述电信号，并对所述电信号进行分析。当出现倍周期分岔现象时，将纳米粒子贴近所述光学微腔系统边缘，当电信号再次被所述频谱分析仪获取后，分析倍周期的峰值信息，进而解读出所述纳米粒子的尺寸信息。上述装置通过对光机械效应产生的机械倍周期分岔这一非线性现象的改变进行测量，从而得出粒子半径大小。该过程由于引入了较强的非线性现象，在粒子半径较小的时候能够将信息放大较高倍数，从而能够提升信噪比。同时，该测量在高功率光场下实现，能够避免噪声淹没信号的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请一个实施例提供的纳米粒子尺寸信息测量装置结构图；
图2为本申请一个实施例提供的纳米粒子尺寸信息测量装置结构图；
图3为本申请一个实施例提供的光学微腔系统结构图；
图4为本申请一个实施例提供的纳米粒子尺寸信息测量方法流程图。
主要元件附图标号说明
10、纳米粒子尺寸信息测量装置；110、激光泵浦源；120、光学微腔系统；130、光电探测器；140、频谱分析仪；111、可调谐激光源；112、激光隔离器；113、激光放大器；121、光纤；122、光学微腔。
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。
可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一获取模块称为第二获取模块，且类似地，可将第二获取模块称为第一获取模块。第一获取模块和第二获取模块两者都是获取模块，但其不是同一个获取模块。
需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参见图1，本申请一个实施例中提供一种纳米粒子尺寸信息测量装置10。所述纳米粒子尺寸信息测量装置10包括激光泵浦源110、光学微腔系统120、光电探测器130以及频谱分析仪140。
所述激光泵浦源110用于提供满足驻波条件的光信号。所述光学微腔系统120所述光信号耦合进入所述光学微腔系统120后，调节所述激光泵浦源110出射的光信号频率，以实现所述光信号与光学微腔系统120的极限耦合。所述光学微腔系统120射出的光信号经所述光电探测器130转换为电信号。所述频谱分析仪140获取所述电信号，并对所述电信号进行分析。当出现倍周期分岔现象时，将纳米粒子贴近所述光学微腔系统120边缘，并且所述电信号再次被所述频谱分析仪140获取后，分析倍周期的峰值信息，进而解读出所述纳米粒子的尺寸信息。
可以理解，所述激光泵浦源110的结构不做具体限定，只要所述激光泵浦源110可以提供满足驻波条件的光信号即可。所述光信号可以为激光信号。所述驻波条件为满足特定范围的频率。当所述激光泵浦源110发射的光信号为满足驻波条件时，所述光信号才能与所述光学微腔系统120进行耦合，使得一定能量的光信号进入到所述光学微腔系统120中去。
所述光学微腔系统120的结构不做具体限定。在一个可选的实施例中，所述光学微腔系统120采用变形微芯圆环腔或变形球腔。所述频谱分析仪140的型号及结构不做具体限定，只要所述频谱分析仪140可以观测所述电信号，并且可以观测机械振动频率即可。
满足驻波条件的光信号能够稳定地存在于所述光学微腔系统120中，使得一定能量的光信号进入到所述光学微腔系统120中去。当进入到所述光学微腔系统120中的能量足够大时，会对所述光学微腔系统120腔壁产生一定的压力，导致所述腔壁出现一定的形变，进而改变了驻波条件，从而会改变进入到所述光学微腔系统120中的激光能量。这种相互影响是一个非线性的过程。当激光能量不高时，腔内的光信号会携带腔壁形变频率相关的信息，在腔壁振动频率(对于半径为30um，边缘厚为8um左右的腔一般为20MHz左右)附近出现信号。当输入光信号的能量达到mW量级左右时，由于非线性现象的占据更重要的地位，腔壁的振动频率不再为单一的频率，会在其频率一半处出现新的频率，腔内光场的相图会从一个极限环裂变成为两个，该过程被称为机械倍周期分岔现象。在一定范围内，随着所述光学微腔系统120内能量的增加，该现象会越来越明显，对应着其频谱处新频率的峰会越来越高。
当纳米粒子靠近所述腔壁的时候，由于其存在瑞利散射，会将腔内光场的正转反转两个模式耦合起来，从而改变光学微腔122的驻波条件，使得进入到所述光学微腔系统120内的激光能量发生改变，从而导致倍周期分岔现象出现改变。通过新频率的峰的高度变化就能够知道粒子的瑞利散射能力，从而知道其大小。
本实施例中，上述纳米粒子尺寸信息测量装置10，包括激光泵浦源110、光学微腔系统120、光电探测器130以及频谱分析仪140。所述激光泵浦源110用于提供满足驻波条件的光信号。所述光信号耦合进入所述光学微腔系统120后，调节所述激光泵浦源110出射的光信号频率，以实现所述光信号与光学微腔系统120的极限耦合。所述光学微腔系统120射出的光信号经所述光电探测器130转换为电信号。所述频谱分析仪140获取所述电信号，并对所述电信号进行分析。当出现倍周期分岔现象时，将纳米粒子贴近所述光学微腔系统120边缘，当电信号再次被所述频谱分析仪140获取后，分析倍周期的峰值信息，进而解读出所述纳米粒子的尺寸信息。上述装置通过对光机械效应产生的机械倍周期分岔这一非线性现象的改变进行测量，从而得出粒子半径大小。该过程由于引入了较强的非线性现象，在粒子半径较小的时候能够将信息放大较高倍数，从而能够提升信噪比。同时，该测量在高功率光场下实现，能够避免噪声淹没信号的问题。
请参见图2，在其中一个可选的实施例中，所述激光泵浦源110包括可调谐激光源111、激光隔离器112及激光放大器113。
所述可调谐激光源111用于发射光信号。所述激光隔离器112接收所述光信号，并防止所述光信号的反射光击穿所述可调谐激光源111。所述激光放大器113接收经所述激光隔离器112射出的所述光信号，用于调节所述光信号的功率，以提供满足驻波条件的所述光信号。所述激光隔离器112的设置可以防止所述可调谐激光源111被反向击穿。上述器件配合使用可以为测量过程提供满足驻波条件的光信号。
请参见图3，在其中一个实施例中，所述光学微腔系统120包括光纤121和光学微腔122。
所述光纤121接收所述激光放大器113射出的所述光信号。所述光学微腔122与所述光纤121间隔预设距离，以使得所述光纤121中的所述光信号耦合进入所述光学微腔122。在其中一个可选的实施例中，所述预设距离为0.1μm-0.8μm。例如，所述预设距离为0.5μm。当所述光学微腔122与所述光纤121间的间距调至0.5um左右，此时光信号从所述光纤121中漏入到所述光学微腔122的速率和从所述光学微腔122漏入到外界环境中的速率相近，也即达到了极限耦合条件。在该情况下，当所述光信号调至与光学微腔122共振频率时，激光可通过光纤121与光学微腔122实现极限耦合(也即进入到光学微腔122中的能量达到最大)。通过观测所述频谱分析仪140，当出现倍周期分岔现象时，将纳米粒子贴近所述光学微腔122边缘，并对应着倍周期峰峰值的改变，从而探测并得到纳米粒子的大小。
请参见图4，本申请一个实施例中提供一种纳米粒子尺寸信息测量方法。所述纳米粒子尺寸信息测量方法包括：
S10，利用激光泵浦源110提供满足驻波条件的光信号。步骤S10中，所述激光泵浦源110的结构不做具体限定，只要所述激光泵浦源110可以提供满足驻波条件的光信号即可。所述光信号可以为激光信号。所述驻波条件为满足特定范围的频率。在一个可选的实施例中，所述S10，利用激光泵浦源110提供满足驻波条件的光信号的步骤可以为，利用激光放大器113调节可调谐激光源111发射的光信号频率在预设频率内，以提供满足驻波条件的所述光信号。当所述激光泵浦源110发射的光信号为满足驻波条件时，所述光信号才能与所述光学微腔系统120进行耦合，使得一定能量的光信号进入到所述光学微腔系统120中去。
S20，调节所述光信号的频率，以实现所述光信号与光学微腔系统120的极限耦合。步骤S20中，所述光学微腔系统120的结构不做具体限定。在一个可选的实施例中，所述光学微腔系统120采用变形微芯圆环或变形球腔。所述光信号会携带腔壁形变频率相关的信息。
S30，所述光学微腔系统120射出的光信号经光电探测器130转换为电信号。步骤S30中，所述光电探测器130将携带腔壁形变频率相关的信息的光信号转换为携带腔壁形变频率相关的信息的信号。
S40，利用频谱分析仪140获取所述电信号，并对所述电信号进行分析，当出现倍周期分岔现象时，将纳米粒子贴近所述光学微腔系统120边缘，所述频谱分析仪140再次获取所述电信号后，分析倍周期的峰值信息，进而解读出所述纳米粒子的尺寸信息。步骤S40中，所述频谱分析仪140的型号及结构不做具体限定，只要所述频谱分析仪140可以观测所述电信号，并且可以观测机械振动频率即可。
本实施例中，通过对光机械效应产生的机械倍周期分岔这一非线性现象的改变进行测量，从而得出粒子半径大小。该过程由于引入了较强的非线性现象，在粒子半径较小的时候能够将信息放大较高倍数，从而能够提升信噪比。同时，该测量在高功率光场下实现，能够避免噪声淹没信号的问题。
在其中一个实施例中，所述S10，利用激光泵浦源110提供满足驻波条件的光信号的步骤之前包括：
调整所述光学微腔系统120中的光纤121与光学微腔122之间的间距，以使所述光学微腔系统120满足极限耦合条件。此时光信号从所述光纤121中漏入到所述光学微腔122的速率和从所述光学微腔122漏入到外界环境中的速率相近，也即达到了极限耦合条件。在其中一个可选的实施例中，所述调整所述光学微腔系统120中的光纤121与光学微腔122之间的间距，以使所述光学微腔系统120满足极限耦合条件的步骤可以为，调整所述光学微腔系统120中的光纤121与光学微腔122之间的间距为0.5μm。
在其中一个实施例中，所述S20，调节所述光信号的频率，以实现所述光信号与光学微腔系统120的极限耦合的步骤包括：
利用激光放大器113调节可调谐激光源111发射的光信号频率与所述光学微腔122的频率共振。当所述光信号调至与光学微腔122共振频率时，激光可通过光纤121与光学微腔122实现极限耦合(也即进入到光学微腔122中的能量达到最大)。
在其中一个实施例中，所述S40，利用频谱分析仪140获取所述电信号，并对所述电信号进行分析，当出现倍周期分岔现象时，将纳米粒子贴近所述光学微腔系统120边缘，所述频谱分析仪140再次获取所述电信号后，分析倍周期的峰值信息，进而解读出所述纳米粒子的尺寸信息的步骤包括：
当出现倍周期分岔现象时，获取此时的第一倍周期的峰值信息。纳米粒子贴近所述光学微腔系统120边缘后，获取第二倍周期的峰值信息。利用第一倍周期的峰值信息与第二倍周期的峰值信息，获取倍周期峰峰值的变化值，进而解读出所述纳米粒子的尺寸信息。
本实施例中，当光信号从所述光纤121中漏入到所述光学微腔122的速率和从所述光学微腔122漏入到外界环境中的速率相近，也即达到了极限耦合条件，并且所述光信号调至与光学微腔122共振频率时，激光可通过光纤121与光学微腔122实现极限耦合(也即进入到光学微腔122中的能量达到最大)。通过观测所述频谱分析仪140，当出现倍周期分岔现象时，将纳米粒子贴近所述光学微腔122边缘，并对应着倍周期峰峰值的改变，从而探测并得到纳米粒子的大小。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (11)

1.一种纳米粒子尺寸信息测量装置，其特征在于，包括：
激光泵浦源(110)，用于提供满足驻波条件的光信号；
光学微腔系统(120)，所述光信号耦合进入所述光学微腔系统(120)后，调节所述激光泵浦源(110)出射的光信号频率，以实现所述光信号与光学微腔系统(120)的极限耦合；
光电探测器(130)，所述光学微腔系统(120)射出的光信号经所述光电探测器(130)转换为电信号；以及
频谱分析仪(140)，获取所述电信号，并对所述电信号进行分析，当出现倍周期分岔现象时，将纳米粒子贴近所述光学微腔系统(120)边缘，并且所述频谱分析仪(140)再次获取所述电信号后，分析倍周期的峰值信息，进而解读出所述纳米粒子的尺寸信息。
2.根据权利要求1所述的纳米粒子尺寸信息测量装置，其特征在于，所述激光泵浦源(110)包括：
可调谐激光源(111)，用于发射光信号；
激光隔离器(112)，接收所述光信号，并防止所述光信号的反射光击穿所述可调谐激光源(111)；以及
激光放大器(113)，接收经所述激光隔离器(112)射出的所述光信号，用于调节所述光信号的功率，以提供满足驻波条件的所述光信号。
3.根据权利要求2所述的纳米粒子尺寸信息测量装置，其特征在于，所述光学微腔系统(120)包括：
光纤(121)，接收所述激光放大器(113)射出的所述光信号；以及
光学微腔(122)，与所述光纤(121)间隔预设距离，以使得所述光纤(121)中的所述光信号耦合进入所述光学微腔(122)。
4.根据权利要求3所述的纳米粒子尺寸信息测量装置，其特征在于，所述预设距离为0.1μm-0.8μm。
5.根据权利要求4所述的纳米粒子尺寸信息测量装置，其特征在于，所述光学微腔(122)采用变形微芯圆环或变形球腔。
6.一种纳米粒子尺寸信息测量方法，其特征在于，包括：
S10，利用激光泵浦源(110)提供满足驻波条件的光信号；
S20，调节所述光信号的频率，以实现所述光信号与光学微腔系统(120)的极限耦合；
S30，所述光学微腔系统(120)射出的光信号经光电探测器(130)转换为电信号；
S40，利用频谱分析仪(140)获取所述电信号，并对所述电信号进行分析，当出现倍周期分岔现象时，将纳米粒子贴近所述光学微腔系统(120)边缘，所述频谱分析仪(140)再次获取所述电信号后，分析倍周期的峰值信息，进而解读出所述纳米粒子的尺寸信息。
7.根据权利要求6所述的纳米粒子尺寸信息测量方法，其特征在于，所述S10，利用激光泵浦源(110)提供满足驻波条件的光信号的步骤之前包括：
调整所述光学微腔系统(120)中的光纤(121)与光学微腔(122)之间的间距，以使所述光学微腔系统(120)满足极限耦合条件。
8.根据权利要求7所述的纳米粒子尺寸信息测量方法，其特征在于，所述调整所述光学微腔系统(120)中的光纤(121)与光学微腔(122)之间的间距，以使所述光学微腔系统(120)满足极限耦合条件的步骤包括：
调整所述光学微腔系统(120)中的光纤(121)与光学微腔(122)之间的间距为0.5μm。
9.根据权利要求8所述的纳米粒子尺寸信息测量方法，其特征在于，所述S10，利用激光泵浦源(110)提供满足驻波条件的光信号的步骤包括：
利用激光放大器(113)调节可调谐激光源(111)发射的光信号频率在预设频率内，以提供满足驻波条件的所述光信号。
10.根据权利要求9所述的纳米粒子尺寸信息测量方法，其特征在于，所述S20，调节所述光信号的频率，以实现所述光信号与光学微腔系统(120)的极限耦合的步骤包括：
利用激光放大器(113)调节可调谐激光源(111)发射的光信号频率与所述光学微腔(122)的频率共振。
11.根据权利要求10所述的纳米粒子尺寸信息测量方法，其特征在于，所述S40，利用频谱分析仪(140)获取所述电信号，并对所述电信号进行分析，当出现倍周期分岔现象时，将纳米粒子贴近所述光学微腔系统(120)边缘，所述频谱分析仪(140)再次获取所述电信号后，分析倍周期的峰值信息，进而解读出所述纳米粒子的尺寸信息的步骤包括：
当出现倍周期分岔现象时，获取此时的第一倍周期的峰值信息；
将纳米粒子贴近所述光学微腔系统(120)边缘后，获取第二倍周期的峰值信息；
利用第一倍周期的峰值信息与第二倍周期的峰值信息，获取倍周期峰峰值的变化值，进而解读出所述纳米粒子的尺寸信息。
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