CN115128800A - 基于f-p腔的光学位移敏感单元及逆设计方法 - Google Patents
基于f-p腔的光学位移敏感单元及逆设计方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115128800A CN115128800A CN202210734207.6A CN202210734207A CN115128800A CN 115128800 A CN115128800 A CN 115128800A CN 202210734207 A CN202210734207 A CN 202210734207A CN 115128800 A CN115128800 A CN 115128800A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- laser
- optical
- optical displacement
- cavity
- fixed mirror
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 81
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 title claims abstract description 67
- 238000013461 design Methods 0.000 title claims abstract description 47
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 34
- 230000004044 response Effects 0.000 claims abstract description 43
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims abstract description 15
- 238000000342 Monte Carlo simulation Methods 0.000 claims abstract description 5
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 4
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 22
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 18
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 claims description 11
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 11
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 10
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 claims description 10
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000004332 silver Substances 0.000 claims description 9
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 7
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 claims description 6
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 claims description 4
- 230000002068 genetic effect Effects 0.000 claims description 4
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 3
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 2
- 238000005457 optimization Methods 0.000 abstract description 5
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 abstract description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 7
- 230000008859 change Effects 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 3
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000012938 design process Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000010606 normalization Methods 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 1
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
- G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/0012—Optical design, e.g. procedures, algorithms, optimisation routines
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
本申请涉及一种基于F‑P腔的光学位移敏感单元及逆设计方法。光学位移敏感单元包括光电探测器，所述敏感单元还包括依次沿光路设置的激光器、光隔离器、分光棱镜、光准直器、固定镜和移动镜，固定镜和移动镜形成F‑P腔体。所述逆设计方法通过基于特征矩阵法、混合离散变量优化算法和蒙特卡罗方法的容差分析的逆设计方法设计了具有高光学对比度和大线性范围的锯齿状响应的光位移敏感单元，并通过实验验证了该逆设计实现方法的有效性。同时，该逆设计方法为任意响应的光学位移敏感单元提供了可行有效的设计路径。这种结构紧凑的法布里‑珀罗腔在性能和可行性之间取得了良好的平衡，是一种很有应用前景的位移传感器候选器件。
Description
技术领域
本发明涉及光学位移敏感单元，特别涉及一种基于F-P腔的锯齿状响应的光学位移敏感单元及逆设计方法。
背景技术
基于光腔的传感器，在位移测量和其他基于位移的测量方面取得了巨大成功。在各种类型的光学腔中，F-P腔具有精细度可调、微型化、紧凑性和高灵敏度等特点，具有广泛的通用性[B.Sun,Y.P.Wang,J.L.Qu,C.R.Liao,G.L.Yin,J.He,J.T.Zhou,J.Tang,S.Liu,Z.Y.Li,and Y.J.Liu,"Simultaneous measurement of pressure and temperature byemploying Fabry-Perot interferometer based on pendant polymer droplet,"Opt.Express 23(3),1906-1911(2015)]。F-P腔的输出光强随腔长或折射率的变化而变化。对于位移传感器，高光学对比度和平坦响应是首选，分别承受灵敏度和线性度。光学响应通常是通过调节腔镜来实现的，腔镜可以是介质或金属层。然而，反问题(如任意响应的光学腔体的设计)在过去是非常困难的，因为难以负担的计算成本。因此，位移敏感腔体设计历来依赖于基于直觉的方法，无法同时调整多个参数并优化相互依赖的特性。
由于算法技术和计算能力的稳步发展，逆设计为设计具有理想功能特性的纳米光子结构开辟了新的途径[S.Molesky,Z.Lin,A.Y.Piggott,W.L.Jin,J.Vuckovic,andA.W.Rodriguez,"Inverse design in nanophotonics,"Nature Photonics 12(11),659-670(2018)]，同时P.R.Wiecha等人在S.Molesky等人的基础上，将深度学习加入到纳米光子学逆向设计中，性能有进一步的优化[P.R.Wiecha,A.Arbouet,C.Girard,andO.L.Muskens,"Deeplearning in nano-photonics:inverse design and beyond,"Photonics Res.9(5),B182-B200(2021)]。但是，仍有许多领域只进行了初步工作，还有许多技术问题亟待解决。光腔设计是其中的挑战之一，如何实现高灵敏度、线性度和技术可行性等问题一直是悬而未决的。据现有技术所知，系统地设计和实现一个基于多目标的光腔位移传感器一直是难以实现的。此外，常用的数值方法更像是一种模糊运算，无法帮助理解物理图景，与简单的公式计算相比，成本要高得多。
因此，需要设计一种高对比度和大线性范围的逆设计方法，为任意响应的光学位移敏感单元提供可行有效的设计路径。
发明内容
本发明针对上述问题，提出一种基于F-P腔的锯齿状响应的光学位移敏感单元及逆设计方法。在结构简单和可实现的前提下，通过结合了混合离散变量优化和基于蒙特卡罗的容差分析的逆设计方法，设计了具有高光学对比度和大线性范围的锯齿状响应的光学位移敏感单元。同时，该逆设计实现方法为任意响应的光学位移敏感单元提供了可行有效的设计路径。
本发明采用的技术方案如下：
基于F-P腔的锯齿状响应的光学位移敏感单元，包括光电探测器，所述敏感单元还包括依次沿光路设置的激光器、光隔离器、分光棱镜、光准直器、固定镜和移动镜，固定镜和移动镜形成F-P腔体；包括激光器发出一束激光，该激光经光隔离器、分光棱镜和准直器后垂直入射到固定镜上，其中一部分激光发生发射，形成反射光；另一部分透过固定镜，被移动镜反射再次通过固定镜透射，形成透射光；固定镜和移动镜平行设置，反射光和透射光相干叠加形成干涉光，干涉光再经过分光棱镜，由光电探测器接收包含固定镜和移动镜之间位移量变化值的信息。
作为本发明所述的光学位移敏感单元的优选方案，其中：固定镜由二氧化硅基底与覆盖其上的锗膜构成，移动镜由二氧化硅基底与覆盖其上的银膜构成，固定镜和移动镜形成F-P腔体。
作为本发明所述的光学位移敏感单元的优选方案，其中：移动镜与光电探测器中的压电陶瓷相连，光位移响应呈周期锯齿波响应，步长为11nm。
作为本发明所述的光学位移敏感单元的优选方案，其中：周期锯齿波响应分为两个线性区域，决定系数分别为r1和r2。
作为本发明所述的光学位移敏感单元的优选方案，其中：两个所述线性区域的第一个线性区域分为三小段区域，第一段呈线性增长，斜率为k1；第二段呈弧形区域，第三段呈线性区域，斜率为k2；两个所述线性区域的第二个线性区域呈斜率较大的线性区域，其斜率为k3，其中k3>k1。
作为本发明所述的光学位移敏感单元的优选方案，其中：所述激光器放置在试验台后下角，其发出的激光与水平方向平行；所述分光棱镜放置在激光器出光口的前方，用于将激光发射方向调整为竖直方向，与所述光电探测器相对设置。
作为本发明所述的光学位移敏感单元的优选方案，其中：所述激光器为输出TE模式的激光器，波长为850nm，输出光强对应的电压为0.5V。
作为本发明所述的光学位移敏感单元的优选方案，其中：所述固定镜与移动镜基底材料均为BF33，厚度均为400±4μm。
作为本发明所述的光学位移敏感单元的优选方案，其中：所述锗膜厚度为17±1.7nm，所述银膜厚度为10±1nm。
为解决上述技术问题，根据本发明的另一个方面，本发明还提供了如下逆设计方法的技术方案：
采用基于F-P腔的锯齿状响应的光学位移敏感单元的逆设计方法，包括如下步骤：
S1.混合离散变量优化；
从初始设置开始，确定参数变量，采用基于特征矩阵的理论模型建立变量参数与光位移响应或适应度函数之间的关系，并利用改进的遗传算法获得初候选对象；
S2.容差分析：
对获得的初候选对象进行蒙特卡罗容差分析，过滤出技术可行的最佳候选对象。
作为本发明所述的一种逆设计方法的优选方案，其中：所述步骤S1中，自变量为腔长，因变量参数包括入射激光波长、固定镜层数、每层厚度、每层折射率的实部和虚部。
作为本发明所述的一种逆设计方法的优选方案，其中：所述步骤S1中，所述适应度函数包含绝对强度、对比度、线性、对称性的评价因子，分别标记为f1、f2、f3、f4，并根据评价因子算出适应度值。
作为本发明所述的一种逆设计方法的优选方案，其中：所述步骤S1中，
绝对强度因子f1定义为一个周期内的最大强度乘以一个权重因子W1，即Imax×W1，Imax为光位移响应的最大值；
对比度因子f2＝W2×(Imax-Imin)/(Imax+Imin)，其中W2为另一个权重因子，Imin为光位移响应的最小值；
线性度因子f3定义为同一周期曲线两个分量的决定系数和误差平方和的组合，归一化为响应的峰对峰值，然后乘以一个权重因子；
对称性因子f4是根据L1和L2的较大值与周期的偏差来计算的，L1为锯齿波的下降阶段距离，L2为锯齿波的上升阶段距离。
作为本发明所述的一种逆设计方法的优选方案，其中：所述步骤S2中，所述的容差分析是基于蒙特卡罗方法进行单容差和多容差分析，在指定范围内生成数若干随机参数，将所述参数输入到理论模型中，得到相应的响应；根据性能进行排序后，最终输出一个具有合理容差范围的最优候选对象。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明通过结合基于混合离散变量优化和基于蒙特卡罗的容差分析的逆设计实现方法，得到了具有高光学对比度和大线性范围的锯齿状光位移响应。因为难以负担的计算成本，任意响应的光学腔体的设计在过去是非常困难的，位移敏感腔体设计历来依赖于基于直觉的方法，无法同时调整多个参数并优化相互依赖的特性，为任意响应的光学位移敏感单元提供可行有效的设计路径。此外，基于半解析逆设计的流程，包括理论模型建立、混合离散变量进化算法和基于蒙特卡罗方法的公差分析，允许位移敏感光学腔的具体设计，进一步为通用设计分层器件提供了途径。
本发明在设计过程中考虑了F-P腔的参数容差，使得现有的微纳加工工艺可以满足其加工误差的要求，保证了整体方案的可行性。
附图说明
图1是本发明基于F-P腔的光学位移敏感单元的压电陶瓷物理特性示意图；
图2是本发明基于F-P腔的光学位移敏感单元的光位移响应结果图；
图3是本发明基于F-P腔的光学位移敏感单元结构示意图；
图4是本发明实现基于F-P腔的光学位移敏感单元的逆设计方法总体流程图；
图5是本发明实现基于F-P腔的光学位移敏感单元的逆设计方法的实验结果图：
其中，图5(a)为入射光输出电压与时间的函数关系，图5(b)为光腔的静态输出电压与位移的函数。
图中：激光器1、光隔离器2、分光棱镜3、光准直器4、固定镜5、移动镜6、光电探测器7、入射光束8。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
以下将结合附图和特定的具体实例详细说明本发明的实施方式，通过高光学对比度和大范围线性锯齿波状响应的实现，证明了该逆设计实现方法的有效性。需要说明的是，本实例中提供的图仅以示意图的方式说明本发明的基本构想，示意图中的有关组件比一定按照实际实施中的组件尺寸绘制。
本发明的实施例及其实施过程如下：
实施例1
如图3所示，本发明提供了一种基于F-P腔的锯齿状响应的光学位移敏感单元，包括光电探测器7，所述敏感单元还包括依次沿光路设置的激光器1、光隔离器2、分光棱镜3、光准直器4、固定镜5和移动镜6，固定镜5和移动镜6形成F-P腔体；包括激光器1发出一束激光，该激光经光隔离器2、分光棱镜3和准直器4后垂直入射到固定镜5上，其中一部分激光发生发射，形成反射光；另一部分透过固定镜5，被移动镜6反射再次通过固定镜5透射，形成透射光；固定镜5和移动镜6平行设置，反射光和透射光相干叠加形成干涉光，干涉光再经过分光棱镜3，由光电探测器7接收包含固定镜5和移动镜6之间位移量变化值的信息。
所述激光器放置在试验台后下角，其发出的激光与水平方向平行；所述分光棱镜放置在激光器出光口的前方，用于将激光发射方向调整为竖直方向，与所述光电探测器相对；所述由二氧化硅(BF33)基底与覆盖其上的锗膜构成的固定镜和二氧化硅(BF33)基底与覆盖其上的银膜构成的移动镜形成的F-P腔体放置于分光棱镜的前方，激光垂直入射腔体；所述固定镜与移动镜基底材料均为BF33，厚度均为400±4μm，其中覆盖在固定镜上的是锗膜，厚度为17±1.7nm，覆盖在移动镜上的是银膜，厚度为10nm。
激光器1发出一束激光，该激光器经分光棱镜3和准直器4后垂直入射到固定镜5上，其中一部分激光发生发射，形成反射光；另一部分透过固定镜5，被移动镜6反射再次通过固定镜5透射，形成透射光。在保证固定镜5和移动镜6平行的前提下，反射光和透射光相干叠加形成干涉。干涉光再经过分光棱镜3，由光电探测器7接收，包含了固定镜5和移动镜6之间位移量的变化值信息。
激光器发出一束激光，该激光器经分光棱镜和准直器后垂直入射到固定镜上，其中一部分激光发生发射，形成反射光；另一部分透过固定镜，被移动镜反射再次通过固定镜透射，形成透射光。在保证固定镜和移动镜平行的前提下，反射光和透射光相干叠加形成干涉。干涉光再经过分光棱镜，由光电探测器接收，包含了固定镜和移动镜之间位移量的变化值信息。移动镜与压电陶瓷相连，当给压电陶瓷输入电压时，压电陶瓷会根据物理特性如图1所示，带动移动镜发生移动，从而导致干涉光光程差改变。光电探测器探测到由光程差变化引起的光强变化，其中压电陶瓷带动移动镜移动半个波长即425nm时，干涉光经过一个周期变化，出现最大光强和最小光强。给压电陶瓷输入锯齿波形的电压，探测器接收的电压也状似锯齿波形，如图2所示。所述激光器波长为850nm，输出光强对应的电压为0.5V。
实验所得的光位移响应可以近似看成周期锯齿波响应，步长约为11nm。一个周期响应可以分为两个线性区域，决定系数分别为0.991和0.949。第一个线性区域可大致分为三小段区域，第一段大致可看成线性增长，斜率约为1.25V/μm；第二段是一个小弧形区域，偏差是由于压电陶瓷的迟滞引起的；第三段可以看成线性区域，斜率约为0.294V/μm。第二个线性区域可以看成一个斜率较大的线性区域，其斜率约为4.5V/μm。
实施例2
本发明涉及的逆设计方法如图4所示，从初始设置开始，利用特征矩阵法模型建立变量参数与响应或适应度函数之间的关系，并利用改进的遗传算法获得初候选对象。这些候选对象通过蒙特卡罗容差分析，过滤出技术可行的最佳候选对象。
光腔被简化为分层系统，如图3所示，自变量为腔长，即d(n-1)，因变量参数包括入射波波长λ、固定镜层数、每层厚度di、每层折射率的实部和虚部。现实材料复折射率实部与虚部有一定确定关系，我们将材料编号(编号称为MI)进行索引，并对厚度进行离散化分层优化。基于遗传算法的优化过程，在理论模型中输入一组相关参数，对光腔长度进行扫描，得到光位移响应如图2所示，从而得到适应度函数。适应度函数包含绝对强度、对比度、线性、对称性的评价因子，分别标记为f1、f2、f3、f4。
对于绝对强度和对比度的因素，我们把它们结合起来，得到：
其中Imax为光位移响应的最大值，Imin为光位移响应的最小值。
对于线性度我们可得到：
其中
和
表示L1部分的平方和误差平方和，
和
表示L2部分的平方和误差平方和，设置分子中包含的比例因子0.1和权重因子2、0.5，将f3调整为可与f1、f2相当量的值。此外，分母用于规范化因子。
对于对称性我们可以得到：
通过适应度函数中的评价因子我们可以得到适应度值，挑选出合适的初候选对象。然后将获得的初候选对象使用蒙特卡罗方法，在每个变量参数的最优值附近的一个范围内产生50多个波动值，变量参数包括固定镜和移动镜膜复折射率实部(±10％)、虚部(±10％)，固定镜和移动镜基底BF33复折射率实部(±1％)，固定镜膜厚度(±10％)，移动镜膜厚度(±1％)，得到容差分析结果直方图，根据性能进行排序后，最终输出一个具有合理容差范围的最优候选对象。
实施例3
以Ge/16nm/Ag为例，可以得到锗膜折射率实部±10％变化时，适应度值在0.145-0.215之间；锗膜折射率虚部±10％变化时，适应度值在0.135-0.185之间；锗膜厚度±10％变化时，适应度值在0.157-0.165之间变化；银膜折射率实部±10％变化时，适应度值在0.157-0.162之间；银膜折射率虚部±10％变化时，适应度值在0.0157-0.164之间；BF33基底折射率实部±1％变化时，适应度值在0.157-0.345之间；基底厚度±1％变化时，适应度值在0.157-0.345之间。综上所述，在实际设计中应考虑材料的可获得性、材料性能的稳定性和制造的可行性。我们选着单层的Ge/17nm/Ag，这是一种很容易实现的镀膜，以实验验证反设计的有效性。
图5为实验结果，其中图5(a)为入射光输出电压与时间的函数关系，图5(b)为光腔的静态输出电压作为位移的函数，每一点为特定位移处的平均值。输出电压平均值为2242.440mV，均方根误差达到0.140mV。光位移响应可以近似看成周期锯齿波响应，步长约为11nm。一个周期响应可以分为两个线性区域，决定系数分别为0.991和0.949。第一个线性区域可大致分为三小段区域，第一段大致可看成线性增长，斜率约为1.25V/μm；第二段是一个小弧形区域，偏差是由于压电陶瓷的迟滞引起的；第三段可以看成线性区域，斜率约为0.294V/μm。第二个线性区域可以看成一个斜率较大的线性区域，其斜率约为4.5V/μm。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于F-P腔的光学位移敏感单元，包括光电探测器(7)，其特征在于：所述光学位移敏感单元还包括依次沿光路设置的激光器(1)、光隔离器(2)、分光棱镜(3)、光准直器(4)、固定镜(5)和移动镜(6)，固定镜(5)和移动镜(6)形成F-P腔体；激光器(1)发出一束激光，该激光经光隔离器(2)、分光棱镜(3)和光准直器(4)后垂直入射到固定镜(5)上，其中一部分激光发生发射，形成反射光；另一部分透过固定镜(5)，被移动镜(6)反射再次通过固定镜(5)透射，形成透射光；固定镜(5)和移动镜(6)平行设置，反射光和透射光相干叠加形成干涉光，干涉光再经过分光棱镜(3)，由光电探测器(7)接收包含固定镜(5)和移动镜(6)之间位移量变化值的信息。
2.根据权利要求1所述的光学位移敏感单元，其特征在于：所述固定镜(5)由二氧化硅基底与覆盖其上的锗膜构成，移动镜(6)由二氧化硅基底与覆盖其上的银膜构成，固定镜(5)和移动镜(6)形成F-P腔体，所述锗膜厚度为17±1.7nm，所述银膜厚度为10±1nm。
3.根据权利要求1所述的光学位移敏感单元，其特征在于：所述移动镜(6)与光电探测器(7)中的压电陶瓷相连，光位移响应呈周期锯齿波响应；所述周期锯齿波响应分为两个线性区域，决定系数分别为r1和r2；两个所述线性区域的第一个线性区域分为三小段区域，第一段呈线性增长，斜率为k1；第二段呈弧形区域，第三段呈线性区域，斜率为k2；两个所述线性区域的第二个线性区域呈斜率较大的线性区域，其斜率为k3，其中k3>k1。
4.根据权利要求1所述的光学位移敏感单元，其特征在于：所述激光器(1)放置在试验台后下角，其发出的激光与水平方向平行；所述分光棱镜(3)放置在激光器(1)出光口的前方，用于将激光发射方向调整为竖直方向，与所述光电探测器(7)相对设置；所述激光器(1)为输出TE模式的激光器，波长为850nm，输出光强对应的电压为0.5V。
5.根据权利要求1-4任一项所述的光学位移敏感单元，其特征在于：所述固定镜(5)与移动镜(6)基底材料均为BF33，厚度均为400±4μm。
6.一种实现权利要求1-5任一项所述基于F-P腔的光学位移敏感单元的逆设计方法，步骤如下：
S1.混合离散变量优化；
从初始设置开始，确定参数变量，采用基于特征矩阵的理论模型建立变量参数与光位移响应或适应度函数之间的关系，并利用改进的遗传算法获得初候选对象；
S2.容差分析：
对获得的初候选对象进行蒙特卡罗容差分析，过滤出技术可行的最佳候选对象。
7.根据权利要求6所述的逆设计方法，其特征在于：所述步骤S1中确定参数变量时，光腔被简化为分层系统，自变量为腔长，因变量参数包括入射激光波长、固定镜层数、每层厚度、每层折射率的实部和虚部。
8.根据权利要求6所述的逆设计方法，其特征在于：所述步骤S1中，所述适应度函数包含绝对强度、对比度、线性、对称性的评价因子，分别标记为f1、f2、f3、f4，并根据评价因子算出适应度值；其中，
绝对强度因子f1＝Imax×W1，其中，Imax为光位移响应的最大值，W1为第一权重因子；
对比度因子f2＝W2×(Imax-Imin)/(Imax+Imin)，其中W2为第二权重因子，Imin为光位移响应的最小值；
线性因子f3定义为同一周期曲线两个分量的决定系数和误差平方和的组合，归一化为响应的峰对峰值，然后乘以第三权重因子；
对称性因子f4是根据L1和L2的较大值与周期的偏差来计算的，L1为锯齿波的下降阶段距离，L2为锯齿波的上升阶段距离。
9.根据权利要求8所述的逆设计方法，其特征在于：所述绝对强度因子f1、对比度因子f2、线性因子f3、对称性因子f4满足如下关系式：
其中，
和
表示L1部分的平方和误差平方和，
和
表示L2部分的平方和误差平方和；
其中，λ表示入射激光波长。
10.根据权利要求6所述的逆设计方法，其特征在于：所述步骤S2中，所述的容差分析是基于蒙特卡罗方法进行单容差和多容差分析，在指定范围内生成数若干随机参数，将所述参数输入到理论模型中，得到相应的响应分析结果；根据性能进行排序后，最终输出最优候选对象。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210734207.6A CN115128800B (zh) | 2022-06-27 | 2022-06-27 | 基于f-p腔的光学位移敏感单元及逆设计方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210734207.6A CN115128800B (zh) | 2022-06-27 | 2022-06-27 | 基于f-p腔的光学位移敏感单元及逆设计方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115128800A true CN115128800A (zh) | 2022-09-30 |
| CN115128800B CN115128800B (zh) | 2024-02-02 |
Family
ID=83379140
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210734207.6A Active CN115128800B (zh) | 2022-06-27 | 2022-06-27 | 基于f-p腔的光学位移敏感单元及逆设计方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115128800B (zh) |
Citations (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH07198317A (ja) * | 1993-12-29 | 1995-08-01 | Union Tool Kk | レーザ干渉変位測定装置 |
| JPH095018A (ja) * | 1995-06-26 | 1997-01-10 | Olympus Optical Co Ltd | 移動量測長装置 |
| CN2391169Y (zh) * | 1999-07-23 | 2000-08-09 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 微小位移的半导体激光干涉测量仪 |
| KR200254788Y1 (ko) * | 2001-08-29 | 2001-11-26 | 대우전자주식회사 | 광픽업 장치 |
| DE102004032016A1 (de) * | 2004-06-28 | 2006-01-19 | Bundesanstalt für Materialforschung und -Prüfung (BAM) | Fabry-Pérot-Faserinterferometer |
| US20090112534A1 (en) * | 2005-06-29 | 2009-04-30 | Siemens Aktiengesellschaft | Probabilistic Design Tool for Optimizing a Technical System |
| CN101980220A (zh) * | 2010-10-15 | 2011-02-23 | 清华大学 | 一种基于近似概率转换的电路性能可靠性的估计方法 |
| US20160246917A1 (en) * | 2015-02-20 | 2016-08-25 | Snecma | Method for determining tolerance intervals for dimensioning a part |
| US20170146337A1 (en) * | 2015-11-23 | 2017-05-25 | Industrial Technology Research Institute | Apparatus for measuring length of optical resonant cavity |
| CN109813236A (zh) * | 2019-03-16 | 2019-05-28 | 南京华群光电技术有限公司 | 一种激光位移传感器及其测量方法 |
| US20190257645A1 (en) * | 2016-11-03 | 2019-08-22 | Mbda Uk Limited | Interferometric position sensor |
| CN110360935A (zh) * | 2019-07-31 | 2019-10-22 | 西北工业大学 | 一种基于简化光学纳米谐振腔的面内位移传感单元及方法 |
| CN110717930A (zh) * | 2019-08-28 | 2020-01-21 | 河南中烟工业有限责任公司 | 一种基于扩展Wang-landau蒙特卡罗和KCF的突变运动目标跟踪方法 |
| CN110836640A (zh) * | 2019-11-19 | 2020-02-25 | 西北工业大学 | 一种基于近场光学谐振腔的面外位移传感单元及方法 |
| US20200116472A1 (en) * | 2018-10-12 | 2020-04-16 | National Chiao Tung University | Optical displacement sensing system |
| CN112945108A (zh) * | 2021-01-26 | 2021-06-11 | 中国计量科学研究院 | 一种基于电光调制边带的精密位移测量方法及装置 |
-
2022
- 2022-06-27 CN CN202210734207.6A patent/CN115128800B/zh active Active
Patent Citations (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH07198317A (ja) * | 1993-12-29 | 1995-08-01 | Union Tool Kk | レーザ干渉変位測定装置 |
| JPH095018A (ja) * | 1995-06-26 | 1997-01-10 | Olympus Optical Co Ltd | 移動量測長装置 |
| CN2391169Y (zh) * | 1999-07-23 | 2000-08-09 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 微小位移的半导体激光干涉测量仪 |
| KR200254788Y1 (ko) * | 2001-08-29 | 2001-11-26 | 대우전자주식회사 | 광픽업 장치 |
| DE102004032016A1 (de) * | 2004-06-28 | 2006-01-19 | Bundesanstalt für Materialforschung und -Prüfung (BAM) | Fabry-Pérot-Faserinterferometer |
| US20090112534A1 (en) * | 2005-06-29 | 2009-04-30 | Siemens Aktiengesellschaft | Probabilistic Design Tool for Optimizing a Technical System |
| CN101980220A (zh) * | 2010-10-15 | 2011-02-23 | 清华大学 | 一种基于近似概率转换的电路性能可靠性的估计方法 |
| US20160246917A1 (en) * | 2015-02-20 | 2016-08-25 | Snecma | Method for determining tolerance intervals for dimensioning a part |
| US20170146337A1 (en) * | 2015-11-23 | 2017-05-25 | Industrial Technology Research Institute | Apparatus for measuring length of optical resonant cavity |
| US20190257645A1 (en) * | 2016-11-03 | 2019-08-22 | Mbda Uk Limited | Interferometric position sensor |
| US20200116472A1 (en) * | 2018-10-12 | 2020-04-16 | National Chiao Tung University | Optical displacement sensing system |
| CN109813236A (zh) * | 2019-03-16 | 2019-05-28 | 南京华群光电技术有限公司 | 一种激光位移传感器及其测量方法 |
| CN110360935A (zh) * | 2019-07-31 | 2019-10-22 | 西北工业大学 | 一种基于简化光学纳米谐振腔的面内位移传感单元及方法 |
| CN110717930A (zh) * | 2019-08-28 | 2020-01-21 | 河南中烟工业有限责任公司 | 一种基于扩展Wang-landau蒙特卡罗和KCF的突变运动目标跟踪方法 |
| CN110836640A (zh) * | 2019-11-19 | 2020-02-25 | 西北工业大学 | 一种基于近场光学谐振腔的面外位移传感单元及方法 |
| CN112945108A (zh) * | 2021-01-26 | 2021-06-11 | 中国计量科学研究院 | 一种基于电光调制边带的精密位移测量方法及装置 |
Non-Patent Citations (6)
| Title |
|---|
| PENG DAI: "Accurate inverse design of Fabry–Perot-cavitybased color filters far beyond sRGB via a bidirectional artificial neural network", PHOTONICS RESEARCH * |
| 周浩;苏伟;刘显学;唐海林;: "基于灵敏度分析的微机械陀螺稳健优化设计", 信息与电子工程, no. 02, pages 1 - 10 * |
| 李志全, 吴朝霞, 唐旭晖: "双干涉式微位移测量系统的研究与性能改善", 传感技术学报, no. 03, pages 1 - 10 * |
| 蒲国利;苏秦;: "面向复杂质量特性的容差设计研究", 中国机械工程, no. 23 * |
| 许素安;钱飞;谢敏;黄艳岩;富雅琼;陈乐;孙坚;: "激光偏振干涉纳米定位系统的设计与实验研究", 传感技术学报, no. 12, pages 1 - 10 * |
| 郭海凤;吕莎莎;刘芳;王春;沈辉;李刘锋;陈李生;: "法布里珀罗腔振动敏感度的分析", 中国激光, no. 12, pages 1 - 10 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115128800B (zh) | 2024-02-02 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Horie et al. | Wide bandwidth and high resolution planar filter array based on DBR-metasurface-DBR structures | |
| Southwell | Pyramid-array surface-relief structures producing antireflection index matching on optical surfaces | |
| KR101816675B1 (ko) | 인테러게이션 광섬유를 사용한 광특성 측정 장치, 이를 구비하는 광섬유 센서 시스템 및 광특성 측정 방법 | |
| US6879752B1 (en) | Film spacer for setting the gap between an optical coupler and a whispering-gallery mode optical resonator | |
| Huang et al. | Angle measurement based on the internal-reflection effect: a new method | |
| Wolf et al. | Arrays of fiber Bragg gratings selectively inscribed in different cores of 7-core spun optical fiber by IR femtosecond laser pulses | |
| Stewart et al. | Optical waveguide modelling and design for evanescent field chemical sensors | |
| Kosma et al. | Whispering gallery mode microsphere resonator integrated inside a microstructured optical fiber | |
| Nan et al. | Ultra-fast fiber Bragg grating inscription in CYTOP polymer optical fibers using phase mask and 400 nm femtosecond laser | |
| CN109253986B (zh) | 一种级联傅里叶变换光谱仪的双环光学传感器 | |
| CN106482765A (zh) | 一种f‑p微腔光纤传感器及其制作方法 | |
| Zhou et al. | Diffraction efficiency evaluation for diamond turning of harmonic diffractive optical elements | |
| CN108227188A (zh) | 一种基于混沌粒子群算法的全随机硅基波导光栅设计方法 | |
| CN108872089B (zh) | 含内包层调制倾斜光纤光栅折射率传感装置及方法 | |
| CN115128800A (zh) | 基于f-p腔的光学位移敏感单元及逆设计方法 | |
| Riesen et al. | Design guidelines for collimating or focusing graded-index fiber tips | |
| Rumpf et al. | Modeling fabrication to accurately place GMR resonances | |
| CN217303979U (zh) | 基于表面等离子体共振的传感系统和检测装置 | |
| Liu et al. | Theoretical modeling and simulation of fiber Bragg grating sensor interrogator based on linear variable filter | |
| Li et al. | Distributed strain interrogation with a linearly chirped fiber Bragg grating based on an optoelectronic oscillator | |
| An et al. | Beam quality factor of ring-assisted fiber | |
| Saad et al. | Background Material Effect on a Proposed Rectangular Photonic Crystal Fiber (R-PCF) Sensor Performance | |
| Eyal et al. | Single-mode mid-infrared silver halide planar waveguides | |
| Liu et al. | Optical gyroscope based on multi-gap surface Plasmon optical waveguide | |
| Fang et al. | Sub-Nanometer Displacement Sensor Based on Coupling of Balanced Loss and Gain Cavities |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |