CN115792277A - 基于CaF2晶体谐振腔的高灵敏度加速度传感器及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学微腔加速度传感器，具体是一种基于CaF₂晶体谐振腔的高灵敏度加速度传感器及测量方法。本发明解决了现有光学微腔加速度传感器灵敏度较低的问题。基于CaF₂晶体谐振腔的高灵敏度加速度传感器，包括1550nm激光器、偏振器、锥形光纤、CaF₂晶体谐振腔、铜柱、光电探测器、示波器、计算机；1550nm激光器的出射端通过偏振器与锥形光纤的首端连接；锥形光纤的尾端与光电探测器的入射端连接；CaF₂晶体谐振腔固定于铜柱上，且CaF₂晶体谐振腔与锥形光纤耦合；光电探测器的信号输出端与示波器的信号输入端连接；示波器的信号输出端与计算机的信号输入端连接。本发明适用于加速度信号的测量。

Description

基于CaF2晶体谐振腔的高灵敏度加速度传感器及测量方法

技术领域

本发明涉及光学微腔加速度传感器，具体是一种基于CaF₂晶体谐振腔的高灵敏度加速度传感器及测量方法。

背景技术

光学微腔加速度传感器因其具有抗干扰能力强的优点，而被广泛应用于加速度信号的测量。在现有技术条件下，光学微腔加速度传感器普遍基于F-P谐振腔进行工作。但在实际应用中，由于F-P谐振腔的品质因数较低，导致现有光学微腔加速度传感器存在灵敏度较低的问题。基于此，有必要发明一种基于CaF₂晶体谐振腔的高灵敏度加速度传感器及测量方法，以解决现有光学微腔加速度传感器灵敏度较低的问题。

发明内容

本发明为了解决现有光学微腔加速度传感器灵敏度较低的问题，提供了一种基于CaF₂晶体谐振腔的高灵敏度加速度传感器及测量方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：

基于CaF₂晶体谐振腔的高灵敏度加速度传感器，包括1550nm激光器、偏振器、锥形光纤、CaF₂晶体谐振腔、铜柱、光电探测器、示波器、计算机；1550nm激光器的出射端通过偏振器与锥形光纤的首端连接；锥形光纤的尾端与光电探测器的入射端连接；CaF₂晶体谐振腔固定于铜柱上，且CaF₂晶体谐振腔与锥形光纤耦合；光电探测器的信号输出端与示波器的信号输入端连接；示波器的信号输出端与计算机的信号输入端连接。

还包括信号发生器、功率放大器、激振器、标准加速度计、模数转换器；信号发生器的信号输出端与功率放大器的信号输入端连接；功率放大器的信号输出端与激振器的信号输入端连接；铜柱、标准加速度计均固定于激振器上；标准加速度计的信号输出端与模数转换器的信号输入端连接；模数转换器的信号输出端与计算机的信号输入端连接。

所述1550nm激光器采用连续可调谐窄线宽激光器。

所述锥形光纤采用如下步骤制备而成：首先，在单模光纤上选取长度为2cm的中心区域；然后，利用剥线钳将所选取中心区域的涂覆层和外包层剥掉；然后，利用氢氧火焰对剥好的中心区域进行预热，并利用熔融拉锥机缓慢匀速地拉伸单模光纤的两端，直至中心区域的直径最小达到2μm，由此制得锥形光纤。

所述CaF₂晶体谐振腔采用如下步骤制备而成：首先，利用单点金刚石切削技术对CaF₂晶体进行切削，得到直径为10mm、厚度为0.5mm的圆盘形CaF₂晶体；然后，利用金刚石抛光纸和金刚石悬浮抛光液对圆盘形CaF₂晶体进行机械抛光，由此制得CaF₂晶体谐振腔。

所述CaF₂晶体谐振腔与铜柱的固定是采用如下步骤实现的：首先，将UV胶均匀涂抹于铜柱的上端面；然后，在显微镜下将CaF₂晶体谐振腔同轴放置于铜柱的上端面；然后，利用紫外线固化灯照射30秒，由此使得CaF₂晶体谐振腔固定于铜柱上。

基于CaF₂晶体谐振腔的高灵敏度加速度测量方法（该方法是基于本发明所述的基于CaF₂晶体谐振腔的高灵敏度加速度传感器实现的），该方法是采用如下步骤实现的：

首先，控制传感器进入工作模式；工作模式具体为：1550nm激光器发出1550nm波段的探测光，探测光依次经偏振器、锥形光纤、CaF₂晶体谐振腔、锥形光纤入射到光电探测器，然后经光电探测器转换为电信号；电信号传输至示波器，并经示波器转换为谐振谱；谐振谱一方面显示于示波器上，另一方面传输至计算机；

在工作模式下，当加速度信号作用于CaF₂晶体谐振腔时，CaF₂晶体谐振腔的腔长发生变化，使得谐振谱的中心波长发生变化；此时，采用激光锁频的方式，将探测光锁定在光学谐振谱一侧的最大斜率处；计算机实时监测谐振谱中心波长变化引起的电压变化量、锁定点处的激光波长、锁定点处的光学谐振斜率，并将谐振谱中心波长变化引起的电压变化量、锁定点处的激光波长、锁定点处的光学谐振斜率代入传感器的加速度测量方程，由此计算出加速度；所述传感器的加速度测量方程表示如下：

；

式中：ΔV表示谐振谱中心波长变化引起的电压变化量；R_a表示单位加速度下CaF₂晶体谐振腔的半径变化量，其单位为m(m/s²)^-1；λ表示锁定点处的激光波长；L表示CaF₂晶体谐振腔的初始腔长，其正比于CaF₂晶体谐振腔的半径；dV/dλ表示锁定点处的光学谐振斜率；a表示加速度。

该方法还包括利用信号发生器、功率放大器、激振器、标准加速度计、模数转换器、计算机来判断传感器的性能指标是否符合要求；具体步骤如下：

首先，控制传感器进入工作模式；

在工作模式下，信号发生器输出方波信号，方波信号经功率放大器传输至激振器，并经激振器转换为加速度信号；加速度信号一方面作用于CaF₂晶体谐振腔，使得谐振谱的中心波长发生变化，另一方面作用于标准加速度计；此时，采用激光锁频的方式，将探测光锁定在光学谐振谱一侧的最大斜率处；计算机实时监测谐振谱中心波长变化引起的电压变化量、锁定点处的激光波长、锁定点处的光学谐振斜率；标准加速度计实时监测加速度，监测结果经模数转换器实时传输至计算机；

然后，计算机一方面根据谐振谱中心波长变化引起的电压变化量和加速度计算出传感器的灵敏度测试值，另一方面根据锁定点处的激光波长和锁定点处的光学谐振斜率计算出传感器的灵敏度标准值；具体计算公式如下：

；

；

式中：S₀表示传感器的灵敏度测试值；ΔV表示谐振谱中心波长变化引起的电压变化量；a表示加速度；S表示传感器的灵敏度标准值；R_a表示单位加速度下CaF₂晶体谐振腔的半径变化量，其单位为m(m/s²)^-1；λ表示锁定点处的激光波长；L表示CaF₂晶体谐振腔的初始腔长，其正比于CaF₂晶体谐振腔的半径；dV/dλ表示锁定点处的光学谐振斜率；

然后，将传感器的灵敏度测试值与传感器的灵敏度标准值进行比较，并根据比较结果来判断传感器的性能指标是否符合要求：若传感器的灵敏度测试值与传感器的灵敏度标准值吻合，则表明传感器的性能指标符合要求；若传感器的灵敏度测试值与传感器的灵敏度标准值不吻合，则表明传感器的性能指标不符合要求。

该方法还包括计算传感器的由热噪声限制的等效加速度测量下限；具体计算公式如下：

；

式中：a_th表示传感器的由热噪声限制的等效加速度测量下限；k_B表示玻尔兹曼常数；T表示绝对温度；ω₀表示CaF₂晶体谐振腔无阻尼时的共振频率；m表示CaF₂晶体谐振腔的质量；Q_m表示CaF₂晶体谐振腔的机械振荡品质因数。

与现有光学微腔加速度传感器相比，本发明不再基于F-P谐振腔进行工作，而是基于CaF₂晶体谐振腔进行工作，由此具备了灵敏度高的优点。具体而言，由于CaF₂晶体谐振腔具有超高的品质因数和极小的模式体积，使得本发明具备了超高的灵敏度和良好的稳定性。

本发明结构合理、设计巧妙，有效解决了现有光学微腔加速度传感器灵敏度较低的问题，适用于加速度信号的测量。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的部分结构示意图。

图3是图2的仰视图。

图中：1-1550nm激光器，2-偏振器，3-锥形光纤，4-CaF₂晶体谐振腔，5-铜柱，6-光电探测器，7-示波器，8-信号发生器，9-功率放大器，10-激振器，11-标准加速度计，12-模数转换器，13-计算机。

具体实施方式

基于CaF₂晶体谐振腔的高灵敏度加速度传感器，包括1550nm激光器1、偏振器2、锥形光纤3、CaF₂晶体谐振腔4、铜柱5、光电探测器6、示波器7、计算机13；1550nm激光器1的出射端通过偏振器2与锥形光纤3的首端连接；锥形光纤3的尾端与光电探测器6的入射端连接；CaF₂晶体谐振腔4固定于铜柱5上，且CaF₂晶体谐振腔4与锥形光纤3耦合；光电探测器6的信号输出端与示波器7的信号输入端连接；示波器7的信号输出端与计算机13的信号输入端连接。

还包括信号发生器8、功率放大器9、激振器10、标准加速度计11、模数转换器12；信号发生器8的信号输出端与功率放大器9的信号输入端连接；功率放大器9的信号输出端与激振器10的信号输入端连接；铜柱5、标准加速度计11均固定于激振器10上；标准加速度计11的信号输出端与模数转换器12的信号输入端连接；模数转换器12的信号输出端与计算机13的信号输入端连接。

所述1550nm激光器1采用连续可调谐窄线宽激光器。

所述锥形光纤3采用如下步骤制备而成：首先，在单模光纤上选取长度为2cm的中心区域；然后，利用剥线钳将所选取中心区域的涂覆层和外包层剥掉；然后，利用氢氧火焰对剥好的中心区域进行预热，并利用熔融拉锥机缓慢匀速地拉伸单模光纤的两端，直至中心区域的直径最小达到2μm，由此制得锥形光纤3。

所述CaF₂晶体谐振腔4采用如下步骤制备而成：首先，利用单点金刚石切削技术对CaF₂晶体进行切削，得到直径为10mm、厚度为0.5mm的圆盘形CaF₂晶体；然后，利用金刚石抛光纸和金刚石悬浮抛光液对圆盘形CaF₂晶体进行机械抛光，由此制得CaF₂晶体谐振腔4。

所述CaF₂晶体谐振腔4与铜柱5的固定是采用如下步骤实现的：首先，将UV胶均匀涂抹于铜柱5的上端面；然后，在显微镜下将CaF₂晶体谐振腔4同轴放置于铜柱5的上端面；然后，利用紫外线固化灯照射30秒，由此使得CaF₂晶体谐振腔4固定于铜柱5上。

基于CaF₂晶体谐振腔的高灵敏度加速度测量方法（该方法是基于本发明所述的基于CaF₂晶体谐振腔的高灵敏度加速度传感器实现的），该方法是采用如下步骤实现的：

首先，控制传感器进入工作模式；工作模式具体为：1550nm激光器1发出1550nm波段的探测光，探测光依次经偏振器2、锥形光纤3、CaF₂晶体谐振腔4、锥形光纤3入射到光电探测器6，然后经光电探测器6转换为电信号；电信号传输至示波器7，并经示波器7转换为谐振谱；谐振谱一方面显示于示波器7上，另一方面传输至计算机13；

在工作模式下，当加速度信号作用于CaF₂晶体谐振腔4时，CaF₂晶体谐振腔4的腔长发生变化，使得谐振谱的中心波长发生变化；此时，采用激光锁频的方式，将探测光锁定在光学谐振谱一侧的最大斜率处；计算机13实时监测谐振谱中心波长变化引起的电压变化量、锁定点处的激光波长、锁定点处的光学谐振斜率，并将谐振谱中心波长变化引起的电压变化量、锁定点处的激光波长、锁定点处的光学谐振斜率代入传感器的加速度测量方程，由此计算出加速度；所述传感器的加速度测量方程表示如下：

；

式中：ΔV表示谐振谱中心波长变化引起的电压变化量；R_a表示单位加速度下CaF₂晶体谐振腔的半径变化量，其单位为m(m/s²)^-1；λ表示锁定点处的激光波长；L表示CaF₂晶体谐振腔的初始腔长，其正比于CaF₂晶体谐振腔的半径；dV/dλ表示锁定点处的光学谐振斜率；a表示加速度。

该方法还包括利用信号发生器8、功率放大器9、激振器10、标准加速度计11、模数转换器12、计算机13来判断传感器的性能指标是否符合要求；具体步骤如下：

首先，控制传感器进入工作模式；

在工作模式下，信号发生器8输出方波信号，方波信号经功率放大器9传输至激振器10，并经激振器10转换为加速度信号；加速度信号一方面作用于CaF₂晶体谐振腔4，使得谐振谱的中心波长发生变化，另一方面作用于标准加速度计11；此时，采用激光锁频的方式，将探测光锁定在光学谐振谱一侧的最大斜率处；计算机13实时监测谐振谱中心波长变化引起的电压变化量、锁定点处的激光波长、锁定点处的光学谐振斜率；标准加速度计11实时监测加速度，监测结果经模数转换器12实时传输至计算机13；

然后，计算机13一方面根据谐振谱中心波长变化引起的电压变化量和加速度计算出传感器的灵敏度测试值，另一方面根据锁定点处的激光波长和锁定点处的光学谐振斜率计算出传感器的灵敏度标准值；具体计算公式如下：

；

；

式中：S₀表示传感器的灵敏度测试值；ΔV表示谐振谱中心波长变化引起的电压变化量；a表示加速度；S表示传感器的灵敏度标准值；R_a表示单位加速度下CaF₂晶体谐振腔的半径变化量，其单位为m(m/s²)^-1；λ表示锁定点处的激光波长；L表示CaF₂晶体谐振腔的初始腔长，其正比于CaF₂晶体谐振腔的半径；dV/dλ表示锁定点处的光学谐振斜率；

然后，将传感器的灵敏度测试值与传感器的灵敏度标准值进行比较，并根据比较结果来判断传感器的性能指标是否符合要求：若传感器的灵敏度测试值与传感器的灵敏度标准值吻合，则表明传感器的性能指标符合要求；若传感器的灵敏度测试值与传感器的灵敏度标准值不吻合，则表明传感器的性能指标不符合要求。

该方法还包括计算传感器的由热噪声限制的等效加速度测量下限；具体计算公式如下：

；

式中：a_th表示传感器的由热噪声限制的等效加速度测量下限；k_B表示玻尔兹曼常数；T表示绝对温度；ω₀表示CaF₂晶体谐振腔无阻尼时的共振频率；m表示CaF₂晶体谐振腔的质量；Q_m表示CaF₂晶体谐振腔的机械振荡品质因数。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于CaF₂晶体谐振腔的高灵敏度加速度传感器，其特征在于：包括1550nm激光器（1）、偏振器（2）、锥形光纤（3）、CaF₂晶体谐振腔（4）、铜柱（5）、光电探测器（6）、示波器（7）、计算机（13）；1550nm激光器（1）的出射端通过偏振器（2）与锥形光纤（3）的首端连接；锥形光纤（3）的尾端与光电探测器（6）的入射端连接；CaF₂晶体谐振腔（4）固定于铜柱（5）上，且CaF₂晶体谐振腔（4）与锥形光纤（3）耦合；光电探测器（6）的信号输出端与示波器（7）的信号输入端连接；示波器（7）的信号输出端与计算机（13）的信号输入端连接。

2.根据权利要求1所述的基于CaF₂晶体谐振腔的高灵敏度加速度传感器，其特征在于：还包括信号发生器（8）、功率放大器（9）、激振器（10）、标准加速度计（11）、模数转换器（12）；信号发生器（8）的信号输出端与功率放大器（9）的信号输入端连接；功率放大器（9）的信号输出端与激振器（10）的信号输入端连接；铜柱（5）、标准加速度计（11）均固定于激振器（10）上；标准加速度计（11）的信号输出端与模数转换器（12）的信号输入端连接；模数转换器（12）的信号输出端与计算机（13）的信号输入端连接。

3.根据权利要求1所述的基于CaF₂晶体谐振腔的高灵敏度加速度传感器，其特征在于：所述1550nm激光器（1）采用连续可调谐窄线宽激光器。

4.根据权利要求1所述的基于CaF₂晶体谐振腔的高灵敏度加速度传感器，其特征在于：所述锥形光纤（3）采用如下步骤制备而成：首先，在单模光纤上选取长度为2cm的中心区域；然后，利用剥线钳将所选取中心区域的涂覆层和外包层剥掉；然后，利用氢氧火焰对剥好的中心区域进行预热，并利用熔融拉锥机缓慢匀速地拉伸单模光纤的两端，直至中心区域的直径最小达到2μm，由此制得锥形光纤（3）。

5.根据权利要求1所述的基于CaF₂晶体谐振腔的高灵敏度加速度传感器，其特征在于：所述CaF₂晶体谐振腔（4）采用如下步骤制备而成：首先，利用单点金刚石切削技术对CaF₂晶体进行切削，得到直径为10mm、厚度为0.5mm的圆盘形CaF₂晶体；然后，利用金刚石抛光纸和金刚石悬浮抛光液对圆盘形CaF₂晶体进行机械抛光，由此制得CaF₂晶体谐振腔（4）。

6.根据权利要求1所述的基于CaF₂晶体谐振腔的高灵敏度加速度传感器，其特征在于：所述CaF₂晶体谐振腔（4）与铜柱（5）的固定是采用如下步骤实现的：首先，将UV胶均匀涂抹于铜柱（5）的上端面；然后，在显微镜下将CaF₂晶体谐振腔（4）同轴放置于铜柱（5）的上端面；然后，利用紫外线固化灯照射30秒，由此使得CaF₂晶体谐振腔（4）固定于铜柱（5）上。

7.一种基于CaF₂晶体谐振腔的高灵敏度加速度测量方法，该方法是基于如权利要求1所述的基于CaF₂晶体谐振腔的高灵敏度加速度传感器实现的，其特征在于：该方法是采用如下步骤实现的：

首先，控制传感器进入工作模式；工作模式具体为：1550nm激光器（1）发出1550nm波段的探测光，探测光依次经偏振器（2）、锥形光纤（3）、CaF₂晶体谐振腔（4）、锥形光纤（3）入射到光电探测器（6），然后经光电探测器（6）转换为电信号；电信号传输至示波器（7），并经示波器（7）转换为谐振谱；谐振谱一方面显示于示波器（7）上，另一方面传输至计算机（13）；

在工作模式下，当加速度信号作用于CaF₂晶体谐振腔（4）时，CaF₂晶体谐振腔（4）的腔长发生变化，使得谐振谱的中心波长发生变化；此时，采用激光锁频的方式，将探测光锁定在光学谐振谱一侧的最大斜率处；计算机（13）实时监测谐振谱中心波长变化引起的电压变化量、锁定点处的激光波长、锁定点处的光学谐振斜率，并将谐振谱中心波长变化引起的电压变化量、锁定点处的激光波长、锁定点处的光学谐振斜率代入传感器的加速度测量方程，由此计算出加速度；所述传感器的加速度测量方程表示如下：

；

式中：ΔV表示谐振谱中心波长变化引起的电压变化量；R_a表示单位加速度下CaF₂晶体谐振腔的半径变化量，其单位为m(m/s²)^-1；λ表示锁定点处的激光波长；L表示CaF₂晶体谐振腔的初始腔长，其正比于CaF₂晶体谐振腔的半径；dV/dλ表示锁定点处的光学谐振斜率；a表示加速度。

8.根据权利要求7所述的基于CaF₂晶体谐振腔的高灵敏度加速度测量方法，其特征在于：该方法还包括利用信号发生器（8）、功率放大器（9）、激振器（10）、标准加速度计（11）、模数转换器（12）、计算机（13）来判断传感器的性能指标是否符合要求；具体步骤如下：

首先，控制传感器进入工作模式；

在工作模式下，信号发生器（8）输出方波信号，方波信号经功率放大器（9）传输至激振器（10），并经激振器（10）转换为加速度信号；加速度信号一方面作用于CaF₂晶体谐振腔（4），使得谐振谱的中心波长发生变化，另一方面作用于标准加速度计（11）；此时，采用激光锁频的方式，将探测光锁定在光学谐振谱一侧的最大斜率处；计算机（13）实时监测谐振谱中心波长变化引起的电压变化量、锁定点处的激光波长、锁定点处的光学谐振斜率；标准加速度计（11）实时监测加速度，监测结果经模数转换器（12）实时传输至计算机（13）；

然后，计算机（13）一方面根据谐振谱中心波长变化引起的电压变化量和加速度计算出传感器的灵敏度测试值，另一方面根据锁定点处的激光波长和锁定点处的光学谐振斜率计算出传感器的灵敏度标准值；具体计算公式如下：

；

；

式中：S₀表示传感器的灵敏度测试值；ΔV表示谐振谱中心波长变化引起的电压变化量；a表示加速度；S表示传感器的灵敏度标准值；R_a表示单位加速度下CaF₂晶体谐振腔的半径变化量，其单位为m(m/s²)^-1；λ表示锁定点处的激光波长；L表示CaF₂晶体谐振腔的初始腔长，其正比于CaF₂晶体谐振腔的半径；dV/dλ表示锁定点处的光学谐振斜率；

然后，将传感器的灵敏度测试值与传感器的灵敏度标准值进行比较，并根据比较结果来判断传感器的性能指标是否符合要求：若传感器的灵敏度测试值与传感器的灵敏度标准值吻合，则表明传感器的性能指标符合要求；若传感器的灵敏度测试值与传感器的灵敏度标准值不吻合，则表明传感器的性能指标不符合要求。

9.根据权利要求7所述的基于CaF₂晶体谐振腔的高灵敏度加速度测量方法，其特征在于：该方法还包括计算传感器的由热噪声限制的等效加速度测量下限；具体计算公式如下：

；

式中：a_th表示传感器的由热噪声限制的等效加速度测量下限；k_B表示玻尔兹曼常数；T表示绝对温度；ω₀表示CaF₂晶体谐振腔无阻尼时的共振频率；m表示CaF₂晶体谐振腔的质量；Q_m表示CaF₂晶体谐振腔的机械振荡品质因数。

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