CN1256566C - 微位移的平面光波导测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种微位移的平面光波导测量方法，将激光器发射的激光入射到棱镜，当满足耦合条件后，光进入由沉积在棱镜上的金属膜、空气隙、沉积在光学玻璃片上的金属膜构成的双面金属包覆波导中，利用反射光随空气隙即空气导波层厚度的改变而变化极为敏感的特性，从棱镜底面反射的光强随着光学玻璃片与棱镜的间距改变而变化，通过检测反射光强度的变化量，来测量光学玻璃片相对与棱镜位置的改变，从而得到待测物体位移大小。与现有技术相比，本发明可以广泛应用于大坝、建筑物、地壳的微位移测量。本发明可以实现高灵敏度、快速的实时测量，并且测量方法非常简单。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种测量方法，特别是一种微位移的光波导测量方法。属于精密测量技术领域。
背景技术
测量微位移在建筑物、桥梁长期监测以及地震的检测中有着广泛的应用。微位移测量的传统方法为激光干涉技术。该方法的原理是：通常激光干涉仪有两臂，一个是参考臂，另一个是探测臂。当激光入射干涉仪，通过参考臂和探测臂后两束激光发生干涉，形成稳定干涉条纹。当外界发生微小位移时，探测臂的臂长将发生变化，此时探测臂端面的平面镜反射激光的相位将发生改变，从而干涉条纹发生移动。这种技术很好的将位移变化转换为条纹的移动，使得实时观测成为可能。由于微位移干涉测量技术主要通过CCD记录和测量干涉条纹移动量，因此干涉条纹的区分度以及干涉图样的混乱区(optical dislocation)等都对该方法的精度和有效性有很大影响。
经对现有技术的文献检索发现，Yasuhiko Aral等人在《Optical Engineering》Vol.43(9)pp2168-2174上发表“In-plane displacement measurement usingelectronic-speckle-pattern-interferometry-based on spatial fringeanalysis method”(使用基于空间条纹分析的电子条纹图样干涉仪的位置测量，光学工程，43(9)2168-2174)一文，该文中介绍通过在频域中讨论影响干涉条纹图样质量的一些因素，研究了光学混乱区和测量精度等问题，并给出改善这些问题的措施，即利用滤波技术消除光学混乱区。该方法能确实有效改善条纹的区分度，使激光干涉方法测量位移的精度得到提高。但是总体上，采用干涉技术测量微位移存在缺陷：(1)通常要用两路光(一路参考光，一路为探测光)，由于两路光所走过的空间区域不一样，因此外界扰动(如：空气气流的扰动、地面震动等)影响都会耦合进入光路中，表现为光程差的外界扰动上，并最终体现在干涉图样质量和条纹的移动上；(2)用激光干涉法测微位移时，干涉条纹及其移动通常由CCD记录，根据瑞利判据：当两个干涉条纹靠得太近(小于瑞利极限时)，它们就无法区分；(3)激光干涉所形成条纹的宽度和记录干涉条纹所用的CCD上每个点阵单元的尺寸，对干涉条纹及其移动测量都有影响。
发明内容
本发明的目的在于克服现有测量方法中的不足，提供一种微位移的平面光波导测量方法，即基于双面金属包覆波导的微位移测量方法，使其利用反射光对导波层间距变化敏感的特性，来检测外界物体运动而引起的导波层厚度变化，精确地确定待测物体的位移量。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明方法为：将激光器发射的激光入射到棱镜上，当满足耦合条件后，光进入由沉积在棱镜上的金属膜、空气隙、沉积光学玻璃片上的金属膜构成的双面金属包覆波导中，利用反射光随空气隙即空气导波层厚度的改变而变化极为敏感的特性，从棱镜底面反射的光强随着光学玻璃片与棱镜的间距改变而变化，通过检测反射光强度的变化量，来测量光学玻璃片相对与棱镜位置的改变，从而得到待测物体位移大小。
以下对本发明方法作进一步的限制，方法步骤如下：
第一步：选用材料及参数，形成沉积在棱镜上的金属膜—空气层—沉积在光学玻璃片上的金属膜的双层金属包覆波导结构。在抛光后的棱镜底面和光学玻璃片上镀上金属膜，金属膜通常可选用金或银，膜的厚度要求严格控制，棱镜底面金属膜的厚度为30～50nm，光学玻璃片上的金属膜厚度在100～300nm。将镀上金属膜后的棱镜和光学玻璃片通过支撑架组装起来，其中光学玻璃片和棱镜之间留有一个厚度为0.01mm～1mm空气隙，这样就形成沉积在棱镜上的金属膜—空气层—沉积在光学玻璃片上的金属膜的双面金属包覆波导结构，其中导波层为空气。
第二步：将双面金属包覆波导结构固定在光学旋转平台的上转盘，并使得光学玻璃片的底面经过旋转平台的中心，将光电探测器固定在光学旋转平台的下转盘上，使得激光器与光电探测器与光波导等高，并且它们关于双面金属包覆波导结构中心轴对称。
第三步：选择激光波长、入射角度以及偏振方法，激光光源的工作波长在560nm～832nm范围内选择，激光器输出的激光束以一定的入射角度入射到棱镜底面上，入射角的选择要求在能激发共振吸收峰的范围内，并处于吸收峰的下降沿，偏振方式可以根据实际需要旋转偏振片选择横电波(TE模)模或横磁波(TM模)，通常入射激光选择横电波(TM模)，同时调节光学小孔使得入射光束的光斑较小。
第四步：当光学玻璃片通过连接杆受到外力时(待测物体位移引起的)，测量从棱镜底面反射激光的光强，根据反射光强的变化实时计算得到待测物体引起的位移。
本发明中，利用光波导衰减全反射曲线的导模吸收峰，随导波层厚度变化非常敏感的特点，将激光器入射角选在导模吸收峰的线性区域，利用光探测器对光强的连续测量，就可以实时得到外界待测物体的位移。
与现有技术相比，本发明可以广泛应用于大坝、建筑物、地壳的微位移测量。本发明可以实现高灵敏度、快速的实时测量，并且测量方法非常简单。
具体实施方式
以下提供以下具体实施例，对本发明技术方案作进一步的理解。
实施例1：
第一步：制作双面金属包覆波导。棱镜折射率为1.5、沉积在棱镜上的银膜厚度为41.0nm、光学玻璃片折射率为1.5、沉积在光学玻璃片上的银膜厚度为200nm的银膜，空气隙d＝0.01mm。
第二步：将双面金属包覆波导结构安装在光学旋转平台的上转盘，将光电倍增管固定在光学旋转平台的下转盘，使得激光器和光电倍增管与光波导等高，并且它们关于双面金属包覆波导结构的中心轴对称。
第三步：入射激光的波长为560.0nm，测得银膜的折射率为：ε＝-11.89+i0.828。计算机驱动光学旋转平台，使激光光束入射棱镜的入射角约为8.53°。此时，能按要求激发共振吸收峰，并处于导模线性区的下降沿。入射光为横电波。
第四步：当光学玻璃片受到外力时，测量从棱镜和金属膜界面反射激光的光强，数据处理得到光学玻璃片相对与棱镜的位移。
根据计算表明：当棱镜与玻璃片的间距为1.0×10-5米时，对间距的测量可达到1.0×10-11m(反射光强度变化约为0.2％)，当光学玻璃片与棱镜之间的间距发生改变时，反射光强的变化如下表所示：
| 棱镜与玻璃片之间的间距(米) | 光强反射率(百分比) |
| 1.0×10-51.0×10-5+1.0×10-111.0×10-5+2.0×10-111.0×10-5+3.0×10-111.0×10-5+4.0×10-11 | 37.66％37.86％38.06％38.26％38.46％ |
实施例2：
第一步：制作双面金属包覆波导。棱镜折射率为1.5、沉积在棱镜上的金膜厚度为44.4nm、光学玻璃片折射率为1.5、沉积在光学玻璃片上的金膜厚度为100nm的金膜，空气隙d＝0.5mm。
第二步：将双面金属包覆波导结构安装在光学旋转平台的上转盘，将光电倍增管固定在光学旋转平台的下转盘，使得激光器和光电倍增管与光波导等高，并且它们关于双面金属包覆波导结构的中心轴对称。
第三步：入射激光的波长为690.0nm，测得金膜的折射率为ε＝-14.4+i1.22。计算机驱动光学旋转平台，使激光光束入射棱镜的入射角约为9.43°。此时，能按要求激发共振吸收峰，并处于导模线性区的下降沿。入射光为横电波。
第四步：当光学玻璃片受到外力时，测量从棱镜和金属膜界面反射激光的光强，数据处理得到光学玻璃片相对棱镜的位移。
根据计算表明：当棱镜与玻璃片的间距为5.0×10-4米时，对位移的测量可达到2.0×10-11m(反射光强度变化约为0.26％)，当光学玻璃片与棱镜之间的间距发生改变时，反射光强的变化如下表所示：
| 棱镜与玻璃片之间的间距(米) | 光强反射率(百分比) |
| 5.0×10-4 | 26.34％ |
| 5.0×10-4+2.0×10-115.0×10-4+4.0×10-115.0×10-4+6.0×10-115.0×10-4+8.0×10-11 | 26.60％26.86％27.13％27.39％ |
实施例3：
第一步：制作双面金属包覆波导。棱镜折射率为1.5、沉积在棱镜上的金膜厚度为33.0nm、光学玻璃片折射率为1.5、沉积在光学玻璃片上的金膜厚度为300nm的金膜，空气隙d＝1mm。
第二步：将双面金属包覆波导结构安装在光学旋转平台的上转盘，将光电倍增管固定在光学旋转平台的下转盘，使得激光器和光电倍增管与光波导等高，并且它们关于双面金属包覆波导结构的中心轴对称。
第三步：入射激光的波长为832.0nm，测得金膜的折射率为ε＝-31.32+i2.016。计算机驱动光学旋转平台，使激光光束入射棱镜的入射角约为9.38°。此时，能按要求激发共振吸收峰，并处于导模线性区的下降沿。入射光为横电波。
第四步：当光学玻璃片受到外力时，测量从棱镜和金属膜界面反射激光的光强，数据处理得到光学玻璃片相对棱镜的位移。
根据计算表明：当棱镜与玻璃片的间距为1.0×10-3米时，对位移的测量可达到1.0×10-11m(反射光强度变化约为0.2％)，当光学玻璃片与棱镜之间的间距发生改变时，反射光强的变化如下表所示：
| 棱镜与玻璃片之间的间距(米) | 光强反射率(百分比) |
| 1.0×10-31.0×10-3+1.0×10-111.0×10-3+2.0×10-111.0×10-3+3.0×10-111.0×10-3+4.0×10-11 | 39.77％39.97％40.17％40.37％40.57％ |
Claims (3)
1、一种微位移的平面光波导测量方法，其特征在于，将激光器发射的激光入射到棱镜上，当满足耦合条件后，光进入由沉积在棱镜上的金属膜、空气隙、沉积在光学玻璃片上的金属膜构成的双面金属包覆波导中，利用反射光随空气隙即空气导波层厚度的改变而变化极为敏感的特性，从棱镜底面反射的光强随着光学玻璃片与棱镜的间距改变而变化，通过检测反射光强度的变化量，来测量光学玻璃片相对与棱镜位置的改变，从而得到待测物体位移大小。
2、根据权利要求1所述的微位移的平面光波导测量方法，其特征是，通过以下步骤对其进一步限定：
第一步：选用材料及参数，形成沉积在棱镜上的金属膜、空气隙、沉积在光学玻璃片上的金属膜构成的双面金属包覆波导结构，在抛光后的棱镜和光学玻璃片上溅射镀金属膜，光波导微位移传感器由镀上金属膜后的光学玻璃片和棱镜通过支撑架组装而成，其中光学玻璃片和棱镜之间有一个空气隙即空气导波层；
第二步：将双面金属包覆波导结构固定在光学旋转平台的下转盘上，并使得光学玻璃片的底面经过旋转平台的中心，将光电探测器固定在光学旋转平台的下转盘上，使得激光器与光电探测器与光波导等高，并且它们关于双面金属包覆波导结构中心轴对称；
第三步：选择激光波长、入射角度以及偏振方法，激光光源的工作波长在560nm～832nm范围内选择，激光器输出的激光束以一定的入射角度入射到棱镜上，入射角的选择要求在能激发共振吸收峰的范围内，并处于吸收峰的下降沿，偏振方式选择横电波或横磁波，同时调节小孔使得入射光束的光斑较小；
第四步：当光学玻璃片受到外力时，测量从棱镜和金属膜界面反射激光的光强，根据反射光强的变化实时计算得到待测物体的位移。
3、根据权利要求2所述的微位移的平面光波导测量方法，其特征是，金属膜选用金或银膜，棱镜上的金属膜的厚度为30～44nm，光学玻璃片上的金属膜厚度为100～300nm，空气导波层厚度为0.01mm～1mm。
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