CN201903325U - 一种古斯汉欣位移实时测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种古斯汉欣位移实时测量系统，其中，可调谐激光器、偏振器、分束镜、小孔按照顺序固定在调节支架上，并保持等高共轴，其光轴指向放在倍角转台上的待测波导样品中心，调节支架、倍角转台和波长计固定在光学平板上，波长计与可调谐激光器保持等高，光电探测器固定在倍角转台上，位置灵敏探测器固定在螺旋测微计调节支架上，并通过导线与信号放大电路相连，信号放大电路的两路输出和光电探测器同时通过数据线与电气控制箱及计算机相连，波长计通过串口与计算机相连。本实用新型可以测量光波导结构由于共振增强产生的古斯汉欣位移，具有测量精度高、操作方便、结果实时显示、应用范围广的优点。

Description

一种古斯汉欣位移实时测量系统

技术领域：

本实用新型涉及的是一种导波光学领域的测量系统，具体涉及一种基于波长扫描的古斯汉欣位移实时测量系统，属于精密测量技术领域。

背景技术：

近几年，不同结构中的古斯汉欣位移理论和实验研究取得了长足的进步，同时，这种古斯汉欣效应已经开始在传感器领域得到了应用。由于基于古斯汉欣效应的溶液浓度传感器的灵敏度比光波导传感器高一到两个数量级，具有了很好的优越性和应用前景，因此古斯汉欣位移的测量就日益显得重要。人们对古斯汉欣位移的研究并不多，且大多集中在理论范畴内，其一个主要原因就是这个位移很小，通常只有波长的数量级，在单次反射的光学实验中很难观察到。早期的研究采用的方法是多次反射法和微波测量法，最近在光学领域出现了利用位置灵敏探测器进行测量的单次反射实验。

经对现有技术的文献检索发现，Gilles等人在《OPTICS LETTERS》(光学快报)Vol.27(2002)pp 1421-1423上发表的“Simple technique for measuring the Goos-

effect with polarization modulation and a position-sensitive detector”(“使用偏振调制和位置灵敏探测器实现测量古斯汉欣效应的简单技术”)一文中，首次提出并实现了用位置灵敏探测器测量古斯汉欣位移。该测量系统由激光器、信号发生器、电光调制器、可调节角度的转台、位置灵敏探测器、信号处理电路和示波器组成，其利用在介质全反射的临界共振角附近古斯汉欣位移的大小与光束的偏振态有关的特性，将10kHz频率的方波交流信号加在普科尔晶体两端的电极上，通过调整电压的偏移量和调制深度，使得通过电光调制器输出光恰好出现TE和TM偏振的交替变化，光入射到棱镜与空气斜面上并被全反射，全反射发生在等腰直角棱镜的45度角斜边上，棱镜角度的调节通过转台控制，反射光打在位置灵敏探测器的灵敏区，位置灵敏探测器两端感应到的电流信号通过电压电流转换在示波器上显示。由于电压信号的差值与TE偏振和TM偏振的古斯汉欣位移的差值成正比，因此通过测出位置灵敏探测器两端的电压信号，就可得到一定的入射角度下TE和TM偏振的古斯汉欣位移之差。Yin等人在《APPLIED PHYSICS LETTERS》(应用物理快报)Vol.89(2006)pp 261108发表的“Goos-

shift surface plasmon resonance sensor”(“基于古斯汉欣位移的表面等离子振荡传感器”)一文利用这种测试方法实现了一种新型的浓度传感器。

虽然上述测试方法实现了在光频中直接测量单次反射的古斯汉欣位移，但是这种测试方法存在如下缺点：首先，它只能测试TE和TM极化下古斯汉欣位移的差值，假如古斯汉欣位移对偏振态不敏感，这种测试方法就无能为力；其次，信号处理后的电压值在示波器上显示，不能实时读出位移值，必须再进行相应的计算；再者，这种方法通过角度扫描测量古斯汉欣位移，这样每一次改变入射角，都要相应改变位置灵敏探测器的位置，以保证出射光正好打在位置灵敏探测器的中心，因而操作起来十分不方便，而且容易出现误差。

实用新型内容：

本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种基于波长扫描的古斯汉欣位移实时测量系统，其能够测量光波导结构由于共振增强而产生的古斯汉欣位移，该系统具有准确可靠、操作方便、实时显示的优点。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种古斯汉欣位移实时测量系统，其包括可调谐激光器、偏振器、分束镜、小孔、倍角转台、光电探测器、位置灵敏探测器、螺旋测微计调节支架、调节支架、信号放大电路、电气控制箱、波长计、光学平板和计算机；所述光学平板水平地放置在最下部；所述可调谐激光器、偏振器、分束镜和小孔依序排列且保持等高共轴，并且各自分别固定于一所述调节支架上，该调节支架能够调节高度且固定在所述光学平板之上；所述倍角转台固定于光学平板之上，其上放置波导样品，该倍角转台位置处于沿所述可调谐激光器、偏振器、分束镜和小孔所形成的光轴上；所述光电探测器固定在倍角转台上，其与所述电气控制箱相连接；所述位置灵敏探测器固定在所述螺旋测微计调节支架上，其面对所述倍角转台并且与之相距一距离，该位置灵敏探测器与信号放大电路相连接并将其信号输送到该信号放大电路中；所述螺旋测微计调节支架带有螺旋测微计，其能够调节所述位置灵敏探测器的高度及其与激光光路的相对位置；所述信号放大电路与电气控制箱相连接并将放大后的电压信号送入该电气控制箱；所述电气控制箱与计算机相连接并将光强信号及电压信号经过A/D转换后输入所述计算机；所述波长计固定在光学平板上，其面对所述分束镜且与可调谐激光器保持等高，该波长计与所述计算机相连接；该计算机具有实时显示古斯汉欣位移计算值的界面。

本实用新型所述古斯汉欣位移实时测量系统的倍角转台包括滚动平板、三个轮子、内转台、外转台、底座和支架；所述底座设置于最下部；所述内转台为一圆台状构件，固定于该底座的中央；所述滚动平板为一圆环状构件，并且套置于所述内转台的外周，其通过所述支架固定在底座上，该滚动平板的环面与内转台的中心轴线垂直；所述三个轮子分别设置于所述内转台周边的三个接点上，该轮子的轴线与所述内转台的中心轴线垂直且相交；所述外转台为一圆环状构件，其底面设有一环形的沟槽，该沟槽套嵌在所述三轮子上；所述可调谐激光器输出波长在858nm-863nm之间的激光；所述小孔的直径为2mm；所述光电探测器为硅光电池；所述灵敏探测器的光敏区大小为1mm×8mm，灵敏度为0.5μm。

本实用新型与现有的古斯汉欣位移测量系统相比较，其具备以下优点：

1、由于将非共振点处反射光斑的位置设为基准，TE和TM极化下共振增强的古斯汉欣位移可以直接测量得到，而不是仅仅测出两者的古斯汉欣位移差值，大大扩大了本实用新型所述实时测量系统的应用范围。

2、位置灵敏探测器两端信号经放大后变成电压值，直接输入计算机进行计算处理，可以实时得到位移相对于波长的变化曲线并在计算机的界面上实时显示出来，因此克服了现有系统中示波器不能实时读取位移值的缺点。

3、本实用新型所述实时测量系统通过波长扫描使得入射角一旦确定就固定不动，而调节波长并不会改变光路，从而实现了0.5μm的测量精度；而现有系统在角度扫描情况下每测一个入射角都需要移动位置灵敏探测器，这样光路变动导致了误差，使精度局限在1μm量级。

总之，本实用新型所述的古斯汉欣位移实时测量系统具有测量精度高、操作方便、结果实时显示、应用范围广的优点。

附图说明：

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型结构的侧视示意图。

图3为位置灵敏探测器和螺旋测微计调节支架的安装示意图。

图4为倍角转台的结构示意图。

图5为倍角转台中轮子的结构简图。

图6为图5的俯视图。

具体实施方式：

现结合具体实施例和附图对本实用新型进行详细说明。本说明书以本实用新型的技术方案为基础给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不仅限于下述的实施例。

请结合参阅图1和图2本实用新型的一个实施例的结构示意图，图示古斯汉欣位移实时测量系统包括可调谐激光器1、偏振器2、分束镜3、小孔4、倍角转台5、光电探测器6、位置灵敏探测器7、螺旋测微计调节支架8、调节支架9、信号放大电路10、电气控制箱11、波长计12、光学平板13和计算机14。

所述光学平板13水平地放置在最下部，作为整个测量系统结构的基础。

所述可调谐激光器1、偏振器2、分束镜3和小孔4各自分别固定于一调节支架9上，并依照上述顺序排列且保持等高共轴，其光轴指向放置在倍角转台5上的波导样品S的中心；所述可调谐激光器1的能够输出波长在858nm-863nm之间的激光；所述小孔4的直径为2mm，其作用是进一步限制激光的发散角；所述调节支架9均固定在所述光学平板13之上，其用来调节所述可调谐激光器1、偏振器2、分束镜3和小孔4的高度以使之等高共轴且排列成一直线。

所述倍角转台5用以放置波导待测样品S，其固定于光学平板13之上，且位置处于沿所述可调谐激光器1、偏振器2、分束镜3和小孔4所形成的光轴上。再请参阅图4，该倍角转台5包括滚动平板15、三个轮子16、内转台17、外转台18、底座22和支架23。所述底座22设置于最下部。所述内转台17为一圆台状构件，固定于该底座22的中央，波导待测样品S放置于该内转台17的顶部之上。所述滚动平板15为一圆环状构件，并且套置于所述内转台17的外周，其通过支架23固定在底座22上，该滚动平板15的环面与内转台17的中心轴线严格垂直，其作用是实现共振角的扫描。在所述内转台17的周边等间距地设有三个接点20，再请结合参阅图5和图6，所述三个轮子16的中心带有轴承21，并分别设置于该三接点20上，该轮子16的轴线与所述内转台17的中心轴线严格垂直且相交。所述外转台18为一圆环状构件，其底面设有一环形的沟槽19，该沟槽19套嵌在三个轮子16上，以使该外转台18置于三轮子16之上。由于轮子16的顶点相对于底面的线速度是其中心相对于底面的线速度的两倍，而轮子16的中心与内转台17保持同步，因此以轮子16的顶部带动外转台18时，该外转台18的角速度是内转台17角速度的两倍，从而实现了外转台18与内转台17转动的倍角同步关系。

所述光电探测器6为硅光电池，其固定在倍角转台5的外转台18上，该光电探测器6与可调谐激光器1关于波导待测样品S的中心轴对称，其通过数据线与电气控制箱11相连接。由于外转台18与内转台17转动的倍角关系，因此保证了倍角转台5在转动过程中，光电探测器6始终能准确同步地探测到反射光强，从而实现共振角的扫描。

所述位置灵敏探测器7为一梳状结构位置灵敏探测器，用来测量光斑中心的位置，其光敏区大小为1mm×8mm，灵敏度为0.5μm。请参阅图3，该位置灵敏探测器7焊接在一块钢板上，并固定在螺旋测微计调节支架8上，其与倍角转台5相距一距离，且面对所述倍角转台5上放置的波导待测样品S。所述位置灵敏探测器7通过两路导线与信号放大电路10相连接，从而将其两端的电流信号输送到信号放大电路10中。

所述螺旋测微计调节支架8为一个带螺旋测微计的调节支架，该调节支架用来调节所述位置灵敏探测器7的高度，使光斑能垂直入射到位置灵敏探测器7的光敏区；该螺旋测微计用来调节位置灵敏探测器7与激光光路垂直方向的相对位置，使入射光在初始时射至所述位置灵敏探测器7的中心。

所述信号放大电路10通过两路输出数据线与电气控制箱11相连接，以此将放大后的电压值送入电气控制箱11。

所述电气控制箱11与计算机14相连接，其用来将光电探测器6探测到的光强信号及信号放大电路10送来的电压放大信号放大处理后经过A/D卡输入计算机14处理。

所述波长计12固定在光学平板13上，其面对所述分束镜3且与可调谐激光器1保持等高，该波长计12通过串口与计算机14相连接。

所述计算机14能够实时计算古斯汉欣位移值并且直接在界面上显示出来。

通过本实用新型所述实时测量系统测量古斯汉欣位移的工作原理如下：可调谐激光器1所发出的激光经过偏振器2后变成TE或TM偏振光，再经过分束镜3和小孔4入射在待测光波导样品S的上层金属膜上，波导样品S放置在倍角转台上；由计算机编程控制的倍角转台5可以进行角度扫描，通过分束镜3的另一部分光被波长计12接收，用于实时测量波长。从波导样品S反射的光首先被光电探测器6接收，并转变为电压信号输入到计算机14的数据采集卡中。随着角度扫描的进行，激光相对于波导样品S的入射角不断变化，当耦合条件被满足后，不同阶数的导模被激发，并以一系列吸收峰表现出来，选择入射角度，使得在相邻的吸收峰之间反射率最大；由于偏离共振条件，在这个角度古斯汉欣位移并不明显，反射光斑的位置可被视为基准，然后将光电探测器6从光路中移开，同时不改变入射光角，让反射光直接垂直入射到位置灵敏探测器7的中心；通过调节可调谐激光器1的温度改变入射光的波长，位置灵敏探测器7两侧信号经放大得到的输出电压输入到计算机14，该计算机14对相关数据(探测到的光强信号及两路电压放大信号)作计算处理就可获得所需要的古斯汉欣位移值并在界面上实时显示出来。

以下是将本实用新型用于测量双面金属包覆波导古斯汉欣位移的应用实例，具体步骤如下：

第一步：制作波导待测样品S；波导层选用K9光学玻璃，折射率n＝2.278，厚度为0.38mm；利用溅射方法在玻璃的一面镀上一层金属膜作为耦合层，一般选择为金膜或者为银膜，为了提高光耦合进波导的效率，这层金属厚度应严格控制，本实例中，金属膜材料采用金(860.0nm波长下ε＝-28+i1.8)，厚度为20nm；在玻璃的另一面镀上一层金属膜作为衬底，同样可选择金膜或银膜，金属膜厚度要在200nm以上，本实例同样选择金膜，厚度为200nm。

第二步：将制备好的波导待测样品S放置在倍角转台5内转台17的中心，对可调谐激光器1、偏振器2、分束镜3、小孔4、位置灵敏探测器7、倍角转台5、波导待测样品S、光电探测器6、波长计12进行光路同轴等高调整，使分束镜3输出的一部分光入射到波导待测样品S，另一部分光入射到波长计12中。

第三步：选择入射激光波长为858.65nm，选取激光偏振方向为TM波；入射光在样品S表面发生反射，反射光被光电探测器6接收。

第四步：对倍角转台5进行角度扫描，在计算机14的软件界面上可以得到反射光强随角度变化的谱线，谱线上会出现多个导模共振峰，选择入射角，使谱线落在一个共振吸收峰的顶端(反射率最大处)，然后固定入射角。本实例中，选择固定的入射角为8.11度，反射率为97.3％，在峰值角度为7.58度和8.3度的两个相邻吸收峰之间为反射率最大值。

第五步：将倍角转台5上的光电探测器6移出光路，让反射光垂直入射到位置灵敏探测器7上，旋动螺旋测微计以移动螺旋测微计调节支架8，使反射光斑正好直接打在位置灵敏探测器7的中心，此时计算机采样到的两路放大电压重合，均为7.820V。

第六步：调节输入光波长到预定值，本实例选择858.812nm，此时在计算机上读出位置灵敏探测器7两端经放大后的输出电压分别为1.758V和2.041V，它们的差分值为0.07725，古斯汉欣位移经计算后可得309.0μm。

Claims (6)

1.一种古斯汉欣位移实时测量系统，其特征在于：所述实时测量系统包括可调谐激光器、偏振器、分束镜、小孔、倍角转台、光电探测器、位置灵敏探测器、螺旋测微计调节支架、调节支架、信号放大电路、电气控制箱、波长计、光学平板和计算机；所述光学平板水平地放置在最下部；所述可调谐激光器、偏振器、分束镜和小孔依序排列且保持等高共轴，并且各自分别固定于一所述调节支架上，该调节支架能够调节高度且固定在所述光学平板之上；所述倍角转台固定于光学平板之上，其上放置波导样品，该倍角转台位置处于沿所述可调谐激光器、偏振器、分束镜和小孔所形成的光轴上；所述光电探测器固定在倍角转台上，其与所述电气控制箱相连接；所述位置灵敏探测器固定在所述螺旋测微计调节支架上，其面对所述倍角转台并且与之相距一距离，该位置灵敏探测器与信号放大电路相连接并将其信号输送到该信号放大电路中；所述螺旋测微计调节支架带有螺旋测微计，其能够调节所述位置灵敏探测器的高度及其与激光光路的相对位置；所述信号放大电路与电气控制箱相连接并将放大后的电压信号送入该电气控制箱；所述电气控制箱与计算机相连接并将光强信号及电压信号经过A/D转换后输入所述计算机；所述波长计固定在光学平板上，其面对所述分束镜且与可调谐激光器保持等高，该波长计与所述计算机相连接；该计算机具有实时显示古斯汉欣位移计算值的界面。

2.根据权利要求1所述的古斯汉欣位移实时测量系统，其特征在于：所述倍角转台包括滚动平板、三个轮子、内转台、外转台、底座和支架；所述底座设置于最下部；所述内转台为一圆台状构件，固定于该底座的中央；所述滚动平板为一圆环状构件，并且套置于所述内转台的外周，其通过所述支架固定在底座上，该滚动平板的环面与内转台的中心轴线垂直；所述三个轮子分别设置于所述内转台周边的三个接点上，该轮子的轴线与所述内转台的中心轴线垂直且相交；所述外转台为一圆环状构件，其底面设有一环形的沟槽，该沟槽套嵌在所述三轮子上。

3.根据权利要求1或2所述的古斯汉欣位移实时测量系统，其特征在于：所述可调谐激光器输出波长在858nm-863nm之间的激光。

4.根据权利要求1或2所述的古斯汉欣位移实时测量系统，其特征在于：所述小孔的直径为2mm。

5.根据权利要求1或2所述的古斯汉欣位移实时测量系统，其特征在于：所述光电探测器为硅光电池。

6.根据权利要求1或2所述的古斯汉欣位移实时测量系统，其特征在于：所述灵敏探测器的光敏区大小为1mm×8mm，灵敏度为0.5μm。

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