一种基于量子增强的微悬臂梁光纤光栅微位移传感器的制作方法

本实用新型属于光纤传感技术领域，特别涉及一种基于量子增强的微悬臂梁光纤光栅微位移传感器。

背景技术：

光纤光栅微位移传感器利用布拉格光纤光栅会在外部应变变化的状况下中心波长发生改变，导致反射光强度变化的原理来实现对位移量的测量。又因为其具有以下优点：1)抗电磁干扰，难腐蚀；2)信号通过光波传播，速度快；3)可复用，可以很大的提高光纤的利用率；4)体积小，形状具有可塑性。所以光纤光栅微位移传感器广泛应用于民用工程领域的结构检测，例如，桥梁、大坝、电力设施、海上石油平台等大型架构。

长度量是最基本的几何参量之一，它包括距离、位移等。长度量的测量对于人们进行科学研究以及促进科学发展都具有十分重要的意义。尤其是微米、纳米级别的微位移测量，在各个领域的研究中都占有重要的地位，随着科技的进步和发展，其重要性也日益增加。微位移测量技术在精密系统测量、精密材料加工、微型装置装配、纳米技术和基因工程的显微操作系统等方面具有很好的应用前景。现阶段，微小位移的测量精度不断提高，检测方法呈现出多样化。

微悬臂梁传感器是微机电系统器件中具有结构简单、分辨率高、易阵列化和易集成化等优势的传感器，使其成为人们研究的热点领域之一。微悬臂梁的尺寸属于微纳米量级，并具有多种结构样式可实现多样化功能，从而被广泛的应用于信息工程、生物工程、微力测量、环境监测等诸多领域。随着应用领域的不断拓展，同时因为结构特点及尺寸的特殊性，使微悬臂梁传感器正朝着多功能化、智能化、集成化、微型化的应用需求趋势发展。

普通光纤光栅微位移传感器通常采用波长检测，但是它们会受到波长灵敏度和分辨率的限制，使得测量精度不能进一步提高。本实用新型提出一种基于量子增强的微悬臂梁光纤光栅微位移传感器用于实现位移的极高灵敏度测量。本实用新型采用强度检测取代普通光纤光栅微位移传感器的波长检测。强度检测相较于波长检测具有更高的精度，但很微小的光强度可能会被湮没在噪声里，因此将量子增强引入到光纤光栅传感中。本实用新型利用量子纠缠源产生的共轭光束对位移量进行探测，因为量子共轭光束具有高度量子相关性，对双光束做差分处理可以使灵敏度突破量子噪声极限。因此本实用新型提出的突破量子噪声极限的基于量子增强的微悬臂梁光纤光栅微位移传感器具有极高灵敏度，结构简单，具有很高的实用价值。

技术实现要素：

为了克服普通光纤光栅微位移传感器测量精度受量子标准极限影响，不能突破量子噪声极限，不可能提高超出散粒噪声极限以外的灵敏度的问题，本实用新型提出了一种具有极高灵敏度，结构简单，具有很高的实用价值的突破量子噪声极限的基于量子增强的微悬臂梁光纤光栅微位移传感器。

本实用新型为解决技术问题所采取的技术方案为：

一种基于量子增强的微悬臂梁光纤光栅微位移传感器，包括激光器、2×1耦合器、滤波器、掺铒光纤放大器(edfa)、滤波器、光纤偏振控制器(fpc)、光纤偏振分束器(fpbs)、色散位移光纤(dsf)、粗波分复用器(cwdm)、光纤隔离器、光纤布拉格光栅(fbg)、微悬臂梁、平衡探测器、频谱分析仪。

2×1耦合器包括第一耦合器、第二耦合器和第三耦合器，光纤偏振控制器包括第一、第二和第三偏振控制器，光纤偏振分束器包括第一和第二偏振分束器，滤波器包括第一和第二滤波器。

第一耦合器一端口一端与激光器相连，第一耦合器两端口一侧的高分光比端口与第一滤波器输入端相连，第一滤波器输出端与掺铒光纤放大器输入端相连，掺铒光纤放大器输出端与第一偏振控制器一端相连，第一偏振控制器另一端与第一偏振分束器一端相连，第一偏振分束器另一端与第二耦合器两端口的一端相连，第一耦合器两端口一侧的低分光比端口与第二滤波器输入端相连，第二滤波器输出端与第二偏振控制器一端相连，第二偏振控制器另一端与第二偏振分束器一端相连，第二偏振分束器另一端与第三偏振控制器一端相连，第三偏振控制器另一端与第二耦合器两端口的另一端相连，第二耦合器一端口的一端与色散位移光纤一端相连，色散位移光纤另一端与粗波分复用器输入端相连，粗波分复用器输出端一端口与平衡探测器输入端一端口相连，粗波分复用器输出端另一端口与光纤隔离器一端相连，光纤隔离器另一端与第三耦合器两端口一端相连，第三耦合器一端口一端与布拉格光纤光栅一端相连，布拉格光纤光栅另一端与微悬臂梁相连，第三耦合器两端口另一端与平衡探测器输入端另一端口相连，平衡探测器输出端与频谱分析仪相连。

所述布拉格光纤光栅传感头采用温度不敏感布拉格光纤光栅，中心波长与信号光波长匹配。

本实用新型的有益效果为：

本实用新型能使原来被湮没在量子噪声下的信号可以被探测到。量子噪声直接源于海森堡不确定性原理，其包含两个主要噪声源，即反作用噪声和散粒噪声。反作用噪声来自光子动量噪声传递引起的微悬臂位置的扰动。在许多情况下，热噪声、经典激光噪声和量子力学反作用可以限制微悬臂梁中最小的可检测位移，但是我们可以通过别的技术方法避开这些噪声。因此相干光场的噪声水平，即光子散粒噪声极限，成为了主要的噪声源。用传统光学手段无法突破散粒噪声极限，只能采用量子增强才可以突破。

而本实用新型使用的信号和闲频双光束在强度(光子数)波动方面具有很强的量子相关性，即它们强度差的量子噪声水平比散粒噪声极限低3.1分贝(校正损耗后为10.4分贝)。这使得信号光经过光纤布拉格光栅输入到平衡探测器后，微位移造成的强度差即使低于散粒噪声极限，其仍能被探测到。由此可以实现对微位移的突破量子噪声极限的超高灵敏度测量。

本实用新型用温度不敏感光纤布拉格光栅避免应力与温度的交叉敏感问题。随着位移的变化，光纤光栅折射率分布和栅距发生改变，使得布拉格光纤光栅的反射光强度发生变化，探测光与参考光量子相关噪声相减，产生低于散粒噪声极限的噪声基底，因此可以实现位移的突破量子噪声极限的高灵敏度测量。

附图说明

图1为一种基于量子增强的微悬臂梁光纤光栅微位移传感器结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。

如图1所示，一种基于量子增强的微悬臂梁光纤光栅微位移传感器，包括激光器1、第一耦合器2、第一滤波器3、掺铒光纤放大器4、第一光纤偏振控制器5、第一光纤偏振分束器6、第二滤波器7、第二光纤偏振控制器8、第二光纤偏振分束器9、第二光纤偏振控制器10、第二耦合器11、色散位移光纤12、粗波分复用器13、光纤隔离器14、第三耦合器15、传输光纤16，光纤布拉格光栅17、微悬臂梁18、平衡探测器19、频谱分析仪20。第一耦合器2一端口一端201与激光器相连，第一耦合器2两端口一侧的高分光比端口202与第一滤波器3输入端相连，第一滤波器3输出端与掺铒光纤放大器4输入端相连，掺铒光纤放大器4输出端与第一偏振控制器5一端相连，第一偏振控制器5另一端与第一偏振分束器6一端相连，第一偏振分束器6另一端与第二耦合器11两端口的一端1102相连，第一耦合器2两端口一侧的低分光比端口203与第二滤波器7输入端相连，第二滤波器7输出端与第二偏振控制器8一端相连，第二偏振控制器8另一端与第二偏振分束器9一端相连，第二偏振分束器9另一端与第三偏振控制器10一端相连，第三偏振控制器10另一端与第二耦合器11两端口的另一端1103相连，第二耦合器11一端口的一端1101与色散位移光纤12一端相连，色散位移光纤12另一端与粗波分复用器13输入端1301相连，粗波分复用器13输出端一端口1302与平衡探测器18输入端一端口1802相连，粗波分复用器13输出端另一端口1303与光纤隔离器14一端相连，光纤隔离器14另一端与第三耦合器15两端口一端1502相连，第三耦合器15一端口一端1501与布拉格光纤光栅16一端相连，布拉格光纤光栅16另一端与微悬臂梁17相连，第三耦合器15两端口另一端1503与平衡探测器18输入端另一端口1803相连，平衡探测器输出端1801与频谱分析仪相连。

本实用新型的工作方式为：激光器1发出的光经第一耦合器2的两端口一侧的高分光比端口202输出高功率光，经过第一滤波器3滤波得到所需的较长波长光，在通过掺铒光纤放大器4放大得到所需泵浦功率，泵浦光的偏振和功率由第一光纤偏振控制器5和第一光纤偏振分束器6控制，之后泵浦光输入到第二耦合器11两端口的一端1102。第一耦合器2的两端口一侧的低分光比端口203输出低功率光，经过第二滤波器7滤波得到所需的较短波长光，此信号光的强度和偏振由第二光纤偏振控制器8和第三光纤偏振控制器10控制，之后输入到第二耦合器11两端口的另一端1103，耦合光从第二耦合器11的一端口一端1101输入到色散位移光纤12产生四波混频效应获得纠缠双光束，色散位移光纤12另一端连接四通道粗波分复用器13的输入端1301，用来滤去泵浦光。波长较短的闲频光从四通道粗波分复用器13的输出端1302输出到平衡探测器18输入端一端口1802。波长较长的信号光从四通道粗波分复用器13的输出端1303输出，后面的一个光纤隔离器14防止反射光通过，经过第三耦合器15的1502端口输入，从第三耦合器15的1501端口输出到粘在微悬臂梁17上的布拉格光纤光栅16中，产生的反射光从第三耦合器15的1503端口输入到平衡探测器1803端口。纠缠双光束经平衡探测器18处理后输入到频谱分析仪19进行分析。

由于微悬臂梁的振动产生的位移会使得布拉格光纤光栅上受到轴向应力使其产生形变，导致其中心波长发生改变，又因为布拉格光纤光栅的反射谱近似于高斯函数，因此光栅中心波长变化，而入射探测光波长不变，会使反射光强度发生很大变化，对所得光纤布拉格光栅反射光强度与参考光比较，通过测量强度变化可以获得微位移量；

又因为本发明使用的是经四波混频后产生的量子纠缠源，它是具有纠缠空间模式的相关双光束，具有高度量子相关性，每个模式都表现出强度差量子噪声降低，探测光与参考光量子相关噪声相减，产生低于散粒噪声极限的噪声基底，使原来被湮没在量子噪声下的信号可以被探测到，由此实现对微位移的突破量子噪声极限的超高灵敏度测量。

该装置能够实现一种基于量子增强的微悬臂梁光纤光栅微位移传感器的位移测量的关键技术有：

1、四波混频是当一束或两束强泵浦波进入光纤时，只要满足位相匹配条件，信号波和闲频波就能从噪声中形成；如果弱信号也同泵浦波一起进入光纤，那么此信号将被放大，同时产生出闲频波。探测技术依赖于非简并四波混频来产生具有纠缠空间模式的双光束，每个模式都表现出强度差量子噪声降低。当入射到空间分辨检测器上时，量子相关噪声相减，产生低于散粒噪声极限的噪声基底，用于不同的测量。由于差分测量带来的位置噪声消除，在数小时内不需要稳定激光频率或指向稳定性。

2、粗波分复用器的波长选择，经过四波混频后会得到放大的信号光，泵浦波，闲频波，其中放大的信号光用来测量参量的变化作为探测光，闲频波作为参考光与放大的信号光比较。而泵浦波是多余的，因此我们要选择合适的粗波分复用器来分离三个光，以此来去除泵浦波对实验的影响。

3、光源的量子相关性是否优秀，本发明使用的光纤量子纠缠源具有高度量子相关性。

4、布拉格光纤光栅传感头采用温度不敏感布拉格光纤光栅，中心波长要与信号光波长匹配。

本发明的一个具体案例中，微悬臂梁上的基本谐振频率为13千赫，力常数为0.2n/m。激光器功率为1mw，激光器输出光经四波混频后信号光波长为1570nm，闲频光波长为1530nm，剩余的泵浦光波长为1552nm，频率40mhz，脉冲为150fs。光纤布拉格光栅中心波长为1570nm。频谱分析仪设置如下:分辨率带宽：10千赫；视频带宽：100赫兹；扫描时间：2s；20个平均数。得到的噪声基底比相同光功率下的经典读出光低4.0±0.1分贝。在大多数位移的限制下，信噪比由读出光中可用的量子噪声减少量决定，这意味着我们直接观察到信噪比增加了4db。对于用于这些测量的10千赫分辨率带宽，这将导致最小可分辨悬臂位移从40.6±0.8μm减小到20.4±0.8μm，从而能够测量先前被散粒噪声遮挡的位移。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型的范围。