一种使用保偏光纤和双微透镜测量纳米线位移的装置的制作方法

本发明涉及量子光学技术领域，尤其涉及一种使用保偏光纤和双微透镜测量纳米线位移的装置。

背景技术：

利用激光的干涉效应可以对纳米线等微小样品的位移和振动进行精密的测量，因此已经被广泛的应用于微纳机电系统中，在微小质量传感、灵敏力探测以及生物医药等领域都发挥着重要作用。相比于自由空间，利用光纤全内反射传输激光可以获得更好的出射高斯光束模式和更小的光斑直径(约几微米)，特别适合研究微纳尺寸样品。除此之外，光纤具有可弯曲、损耗小和抗电磁干扰等优点，有助于获得稳定可靠，低维护成本的实验条件。

已有的普通光纤主要分为单模光纤和多模光纤，其中单模光纤作为光的波导，只允许坡印廷矢量与光纤轴向平行的单一模式在其中传输，因此与多模光纤相比具有更小的色散，这意味着更高的带宽和更远的传输距离，因此不仅在通讯领域应用广泛，目前的光纤干涉仪也都采用单模光纤进行测量。但随着研究的不断深入，已有单模光纤的性能已经越来越难以符合探测要求，更高灵敏度的光纤干涉仪的设计已成为一个迫切需要。

利用激光的偏振状态可以显著提高测量灵敏度。普通激光器产生的是非偏振光，单模光纤允许单一模式通过，但对偏振方向并不敏感，光纤中随机的双折射或者光纤的弯曲，都会改变光的偏振方向，因此出射光的偏振方向也是随机的。光纤干涉仪收集的除了纳米线表面反射的光还包括环境的光信号，即背景噪音。由于单模光纤的特点，这些不同偏振方向的信号都能够通过光纤被接收，从而提高了噪音水平，测得的信号也会变得不稳定，这些都会影响光纤干涉仪的探测灵敏度。更重要的是，当纳米线的直径小于或与光斑大小可比时，偏振方向与纳米线垂直的激光的散射效率会变得非常低，影响测量信号的强度，而偏振方向与纳米线平行的激光则几乎不受影响，因此使用线偏振激光探测纳米线的位移将显著提高灵敏度。

与探测灵敏度有关的另一个特征参数是出射高斯光束的束腰半径，它直接关系到光纤干涉仪的空间分辨率，是探测微纳尺度样品的基本参数，只有当空间分辨率参数接近或小于纳米线的尺寸时，探测其位移或振动才变得可行。直接从单模光纤出射的高斯光束束腰半径较大，可以利用参数匹配的微透镜进一步减小。除此之外，在光纤前端加装微透镜也能明显增大系统的数值孔径，是提高探测光强和信噪比的重要手段。

技术实现要素：

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种使用保偏光纤和双微透镜测量纳米线位移的装置。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种使用保偏光纤和双微透镜测量纳米线位移的装置，包括有高斯光束中的纳米线、双微透镜结构、液浸装置、保偏光纤耦合器、带保偏尾纤的法布里-珀罗激光二极管以及光电探测器，其中光纤耦合器的四个臂、激光二极管的出射尾纤和光电探测器的输入端光纤均为保偏光纤，由激光二极管产生的线偏振光从光纤耦合器的输入端的一条臂进入光纤耦合器，输出的10％的激光依次通过光纤耦合器的输出端的一条臂和双微透镜结构后形成具有极小束腰半径的高斯光束，将高斯光束中的纳米线定位在束腰半径处获得最佳的探测效果，所述的光电探测器与光纤耦合器的输入端的另一条臂连接，所述的光纤耦合器的输出端的另一条臂与浸入在液浸装置中。通过控制包含在纳米线固定部件中的纳米精度位移台，可以得到光电探测器测量光强与纳米线位置的关系，从而可以确定纳米线的相对位移。此外，对测量光强进行频谱分析得到的功率谱密度函数可以给出纳米线振动幅度和角度的信息。

所述的激光二极管产生的激光中心波长从785nm到2000nm；所述的保偏光纤耦合器为2×2类型，中心波长为780nm、1064nm、1310nm和1550nm，分光比为50:50、75:25、90:10或99:1，具有双向耦合特性及2.0mm窄键fc/apc接头；所述的保偏光纤的工作波长范围是350nm-2200nm，具有熊猫型或者蝴蝶结型应力棒。

所述的激光二极管产生的激光中心波长为1550nm，保偏光纤耦合器中心波长为1550nm，分光比为90:10，保偏光纤的工作波长为1550nm，具有熊猫型应力棒。

所述的双微透镜结构利用支撑构件固定在光纤端面前方，双微透镜中微透镜一中心、微透镜二中心和保偏光纤的中心三者共线，微透镜一和微透镜二的凸面相对。

所述的微透镜一的数值孔径为0.15，焦距为5.00mm，外径为2.00mm，工作距离为4.37mm；微透镜二的数值孔径为0.58，焦距为1.45mm，外径为2.40mm，工作距离为0.81mm。

所述的光纤端面与微透镜一的距离为4.44mm，微透镜一与微透镜二的间距为3.3mm。

针对所探测对象的特点，使用保偏光纤和双微透镜结构，借助线偏振光的特性和双微透镜的参数设计，显著提高了探测信号的稳定性和对比度，同时提高了探测纳米线位移的空间分辨率，从而大幅提高系统的探测灵敏度，可以应用在对测量要求较高的场合。

实验数据表明，测量结果的信噪比至少提高了一个量级，空间分辨率提高了约5倍，因此，本发明提供的光纤干涉仪装置能显著提高现有探测器的工作性能，实现更高灵敏度探测纳米线位移。

本发明的优点是：本发明利用保偏光纤和双微透镜结构，大幅提高了探测的信噪比和信号稳定性，同时得益于双微透镜的参数匹配，减小了出射高斯光束的束腰半径，提高了探测的空间分辨率。

附图说明

图1为本发明的光路图。

图2为保偏光纤的横截面图。

图3为本发明提出的双微透镜结构。

图4为本发明实施例4中探测信号随纳米线在二维平面内的位置变化关系。

图5为相同条件下使用本发明装置前后测得的热噪声谱密度对比。

具体实施方式

如图1所示，一种使用保偏光纤和双微透镜测量纳米线位移的装置，包括有高斯光束中的纳米线1、双微透镜结构2、液浸装置3、保偏光纤耦合器4、带保偏尾纤的法布里-珀罗激光二极管5以及光电探测器6，其中光纤耦合器4的四个臂、激光二极管5的出射尾纤和光电探测器6的输入端光纤均为保偏光纤7，由激光二极管5产生的线偏振光从光纤耦合器4的输入端的一条臂进入光纤耦合器4，输出的10％的激光依次通过光纤耦合器4的输出端的一条臂和双微透镜结构2后形成具有极小束腰半径的高斯光束，将高斯光束中的纳米线1定位在束腰半径处获得最佳的探测效果，所述的光电探测器6与光纤耦合器4的输入端的另一条臂连接，所述的光纤耦合器4的输出端的另一条臂与浸入在液浸装置3中。

所述的激光二极管5产生的激光中心波长从785nm到2000nm；所述的保偏光纤耦合器4为2×2类型，中心波长为780nm、1064nm、1310nm和1550nm，分光比为50:50、75:25、90:10或99:1，具有双向耦合特性及2.0mm窄键fc/apc接头；所述的保偏光纤7的工作波长范围是350nm-2200nm，具有熊猫型或者蝴蝶结型应力棒。

所述的激光二极管5产生的激光中心波长为1550nm，保偏光纤耦合器4中心波长为1550nm，分光比为90:10，保偏光纤7的工作波长为1550nm，具有熊猫型应力棒。

所述的双微透镜结2构利用支撑构件固定在光纤端面前方，双微透镜中微透镜一8中心、微透镜二9中心和保偏光纤7的中心三者共线，微透镜一8和微透镜二9的凸面相对。

所述的微透镜一8的数值孔径为0.15，焦距为5.00mm，外径为2.00mm，工作距离为4.37mm；微透镜二9的数值孔径为0.58，焦距为1.45mm，外径为2.40mm，工作距离为0.81mm。

所述的光纤端面与微透镜一8的距离为4.44mm，微透镜一8与微透镜二9的间距为3.3mm。

保偏光纤7具有熊猫型结构，其横截面如图2所示。工作在1440-1625nm波长范围，纤芯直径8.5μm，包覆层直径125μm，标称的模场直径和数值孔径分别为10.1μm和0.125，在1550nm的衰减低于1.0db/km。熊猫型应力结构可保持偏振态，长距离传输时具有超低损耗并且对辐射诱导损害有很好的抗干扰能力。

本发明中为提高空间分辨率和数值孔径而设计的双微透镜结构如图3所示。图3(a)给出了保偏光纤和两个微透镜的空间位置，其中光纤端面与微透镜1的距离记为l1，两个微透镜间距记为l2，l1与l2的数值可根据数值孔径匹配原则在一定范围内调整，图3(b)和3(c)是两个微透镜的一组优选的几何参数。

表征探测系统对纳米线位移响应的一种方法是在垂直纳米线的平面内进行扫描测量，如图4所示。图4(a)和4(b)分别是使用本发明装置之前和之后测得的扫描测量结果，可以显著看出，测试的信噪比和空间分辨率都得到大幅提高，背景信号不稳定性得到有效抑制。

如图5所示，在相同条件下未使用(如图5(a))和使用(如图5(b))本发明装置得到的热噪声谱密度数据，可以看到后者会使得振动模式的峰强提高2到3个数量级。