专利名称：：基于导模激发古斯汉欣位移增强效应的微位移测量方法
技术领域：
：本发明涉及的是一种测量
技术领域：
的测量方法，特别是一种基于导模激发古斯汉欣位移增强效应的微位移测量方法。技术背景微位移测量被广泛应用于建筑、地质监测以及机械、材料性质测量，一般采用平面光波导的光强探测方法或用激光干涉的方法。其中，平面光波导的光强探测方法是利用平面光波导对激光的耦合对波导厚度参数敏感的特性，通过测量反射光强的变化测量波导中导波层厚度的改变，从而实现对与导波层厚度关联的待测物体的移动。而激光干涉方法则是利用参考激光与探测激光位置的相对变化可引起干涉图样的改变，通过CCD记录和测量干涉条纹的改变量实时观测与探测激光连接的物体的位移。但在实际应用中，由于外界扰动易对激光光程、光强产生影响，其精度和有效性受到了不同程度的限制。经过对现有技术的文献检索发现，FanChen等人在《AppliedPhysicsLetters》Vol.88，16111(2006)上发表"Nanoscaledisplacementmeasurementinavariable-air-gapopticalwaveguide"(在可变空气隙光波导中的纟内米量级位移测量，应用物理快报，Vol.88,16111(2006))—文，利用光波导耦合激光的效率对导波层空气隙厚度非常敏感的特性，通过测量反射光强度探测导波层空气隙厚度的变化，从而实现对待测物体位移的精确测量。检索中还发现，YasuhikoAral等人在《0pticalEngineering》Vol.43(9)pp2168-2174上发表的"In-planedisplacementmeasurementusingelectronic-speckle-pattern-interferometry-basedonspatialfringeanalysismethod"(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)—文讨论分析了影响干涉条纹的因素，提出了改善光学混乱区及测量精度的一些措施。但是，这两种技术存在着缺陷易受光程差和激光输出光强波动的影响，抗干扰能力不强。
发明内容本发明的目的在于克服现有测量方法中的不足，提供一种基于导模激发古斯汉欣位移增强效应的微位移测量方法，即基于采用沉积在棱镜上的金属膜一空气隙一沉积在光学玻璃片上的金属膜组成的双面金属包覆波导结构的微位移测量方法，利用反射光古斯汉欣位移对导波层间距变化非常敏感的特性，来检测由外界物体运动而引起的导波层厚度变化，实时精确地测量待测物体的位移量。本发明是通过以下技术方案实现的，方法为将高平行度的激光束入射到由沉积在棱镜上的金属膜-空气隙一沉积在光学玻璃片上的金属膜组成的双面金属包覆波导结构上，在满足相位匹配的条件下，激光耦合进入波导，反射光产生一个吸收峰，此时反射光相位相对于入射光相位产生急剧变化，从而导致反射光的古斯汉欣位移大大增强，利用该古斯汉欣位移对导波层空气隙厚度变化极为敏感的特性，通过检测反射光古斯汉欣位移来测量光学玻璃片相对于棱镜位置的改变，从而得到待测物体位移大小。本发明包括以下步骤第一步制作双面金属包覆波导，形成沉积在棱镜上的金属膜一空气隙一沉积在光学玻璃片上的金属膜组成的双面金属包覆波导结构；在抛光后的棱镜底面和光学玻璃片上溅射镀金属膜，通过金属支架将镀上金属膜的棱镜和光学玻璃片固定组装，其中两层金属膜之间的空气隙即为导波层；金属膜材料选择金或银；沉积在棱镜上的金属膜厚度为15nm25nm;沉积在光学玻璃片上的金属膜厚度为150nm300nm;空气导波层厚度为0.1鹏1鹏；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上，使棱镜底面经过旋转平台的中心轴，将光电探测器固定在光学旋转平台的下转盘上，使得激光束、棱镜底面法线与光电探测器中心在同一平面内，并使激光器与光电探测器关于双面金属包覆波导结构中心轴对称；第三步选择激光入射角度、偏振方法，将高平行度激光束先后通过偏振片和小孔，然后入射到棱镜上，激光在波导上的入射角选择在3。8。之间的吸收峰顶端(即反射率最大处)，偏振方式可选择横电波(TM模)或横磁波(TE模)，通常选择横电波(TM模)入射，同时调节小孔使入射光束光斑直径小于lmm;第四步选择激光波长，调节一维位置敏感探测器(PSD)的位置使反射光源垂直入射到PSD中心，调节可调谐激光器的入射波长，选择波长在能激发古斯汉欣位移峰的下降沿；可调谐激光器的输出波长在858nm863nm之间；第五步利用PSD测量棱镜底面反射光相对于入射光的侧向古斯汉欣位移，根据古斯汉欣位移的变化计算得到相应的导波层空气隙厚度的变化，由于光学玻璃片通过连接杆与待测物体连接，所以测得的导波层空气隙厚度的变化即为待测物体位移的变化。高平行度的激光光束入射到上述波导结构中，固定入射角，当入射光波长满足相位匹配条件时激光耦合进入波导结构中，引起反射光相位急剧变化，使反射光古斯汉欣位移大大增强。导波层空气隙厚度是决定反射光相位变化的主要因素之一，所以反射光古斯汉欣位移对导波层厚度变化非常敏感。将激光器波长选择在古斯汉欣位移峰的线性区域，利用PSD探测反射光古斯汉欣位移，就可以实时测量外界待测物体的位移。与现有技术相比，本发明通过检测反射光古斯汉欣位移的变化就可以测量空气隙厚度的改变，从而得到待测物体的位移，灵敏度高。而且，由于PSD测量的是反射光束的移动，与光强、光程无关，故测量不受激光光源输出强度波动及光程扰动的影响，具有很强的抗干扰能力。具体实施方式以下对本发明的实施例作具体说明本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。实施例1:第一步制作双面金属包覆波导，形成沉积在棱镜上的金属膜一空气隙一沉积在光学玻璃片上的金属膜组成的双面金属包覆波导结构。棱镜折射率为1.5，沉积在棱镜上的金属膜厚度为25nm，光学玻璃片折射率为1.5，沉积在玻璃片上的金属膜厚度为150nm，导波层空气隙厚度为0.lmm，空气折射率为1。金属采用金，波长859nm附近介电系数为s=-28+1.8/。第二步将双面包覆波导结构安装在光学旋转平台的上转盘上，使棱镜底面经过旋转平台的中心轴，将光电探测器固定在光学旋转平台的下转盘上，使得激光束、棱镜底面法线与光电探测器中心在同一平面内，并使激光器与光电探测器关于双面金属包覆波导结构中心轴对称。第三步入射激光的波长为858.000nm，束腰半径为800nm。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3.8。。此时反射率达到最大值。入射光为横电波。第四步调节一维PSD位置使反射光垂直入射到PSD中心，此时显示的反射光古斯汉欣位移值为O。调节入射激光波长到858.338nra，此时能按要求激发导模的共振吸收峰，并且处于古斯汉欣位移峰下降沿的线性区。第五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光侧向古斯汉欣位移的变化，经过数据处理得到光学玻璃片相对于棱镜的位移。根据计算表明当棱镜与玻璃片的间距(即空气导波层厚度)为lx10—、时，对位移的测量可达到4x10—13米(反射光古斯汉欣位移约为27.5nm，PSD测量反射光束移动的分辨率为20nm)。导波层空气隙不同厚度和反射光古斯汉欣位移变化如下表所示导波层空气隙厚度(米)反射光古斯汉欣位移(微米)lxl(T4280.8094lxl04x10—13280.8369lxl(T4+8xl(T13280.8644lxlO一4+12xlCT13280.89191x10-4+16x10—13280.9193实施例2:第一步制作双面金属包覆波导，形成沉积在棱镜上的金属膜一空气隙一沉积在光学玻璃片上的金属膜组成的双面金属包覆波导结构。棱镜折射率为1.5，沉积在棱镜上的金属膜厚度为20nm，光学玻璃片折射率为1.5，沉积在玻璃片上的金属膜厚度为200nm，导波层空气隙厚度为0.5腿，空气折射率为1。金属釆用金，波长859咖附近介电系数为5=-28+1.8/。第二步将光束、棱镜底面法线与光电探测器中心在同一平面内，并使激光器与光电探测器关于双面金属包覆波导结构中心轴对称。第三步入射激光的波长为860.020nm，束腰半径为800um。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5.2。。此时反射率达到最大值。入射光为横电波。第四步调节一维PSD位置使反射光垂直入射到PSD中心，此时显示的反射光古斯汉欣位移值为0。调节入射激光波长到860.130nm，此时能按要求激发导模的共振吸收峰，并且处于古斯汉欣位移峰下降沿的线性区。第五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光侧向古斯汉欣位移的变化，经过数据处理得到光学玻璃片相对于棱镜的位移。根据计算表明当棱镜与玻璃片的伺距(即空气导波层厚度)为5xl0—4!11时，对位移的测量可达到3x10—13米(反射光古斯汉欣位移约为21nm，PSD测量反射光束移动的分辨率为20nm)。导波层空气隙不同厚度和反射光古斯汉欣位移变化如下表所示导波层空气隙厚度(米)反射光古斯汉欣位移(微米)5xl(T4713.18075xlO"+3xlO一13713.20165x10—4+6xl0—13713.22355x10-4+9xl0-13713.24545x10—4+12xl0—13713.2663实施例3:第一步制作双面金属包覆波导，形成沉积在棱镜上的金属膜一空气隙一沉积在光学玻璃片上的金属膜组成的双面金属包覆波导结构。棱镜折射率为1.5，沉积在棱镜上的金属膜厚度为15nm，光学玻璃片折射率为1.5，沉积在玻璃片上的金属膜厚度为300nm，导波层空气隙厚度为lmrn，空气折射率为1。金属采用金，波长862nm附近介电系数为e=-28+1.8/。第二步将双面包覆波导结构安装在光学旋转平台的上转盘上，使棱镜底面经过旋转平台的中心轴，将光电探测器固定在光学旋转平台的下转盘上，使得激光束、棱镜底面法线与光电探测器中心在同一平面内，并使激光器与光电探测器关于双面金属包覆波导结构中心轴对称。第三步入射激光的波长为862.000nm，束腰半径为800ym。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7.5。。此时反射率达到最大值。入射光为横电波。第四步调节一维PSD位置使反射光垂直入射到PSD中心，此时显示的反射光古斯汉欣位移值为O。调节入射激光波长到862.205nm，此时能按要求激发导模的共振吸收峰，并且处于古斯汉欣位移峰下降沿的线性区。第五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光侧向古斯汉欣位移的变化，经过数据处理得到光学玻璃片相对于棱镜的位移。根据计算表明当棱镜与玻璃片的间距(即空气导波层厚度)为lx10—3111时，对位移的测量可达到4x10—13米(反射光古斯汉欣位移约为24nm，PSD测量反射光束移动的分辨率为20nm)。导波层空气隙不同厚度和反射光古斯汉欣位移变化如下表所示<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>权利要求1、一种基于导模激发古斯汉欣位移增强效应的微位移测量方法，其特征在于，将高平行度的激光入射到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组成的双面金属包覆波导结构中，在满足相位匹配条件时，激光耦合进入波导中引起反射光相位相对于入射光相位产生急剧变化，从而导致反射光束古斯汉欣位移大大增强，利用这个位移对导波层空气隙厚度变化非常敏感的特性，通过检测反射光古斯汉欣位移的变化来测量光学玻璃片相对于棱镜位置的改变，从而实现对待测物体位移大小的测量。2、根据权利要求1所述的基于导模激发古斯汉欣位移增强效应的微位移测量方法，其特征是，包括以下步骤第一步制作双面金属包覆波导，形成沉积在棱镜上的金属膜一空气隙一沉积在光学玻璃片上的金属膜组成的双面金属包覆波导结构，在抛光后的棱镜底面和光学玻璃片上溅射镀金属膜，通过金属支架将镀上金属膜的棱镜和光学玻璃片固定组装，其中两层金属膜之间的空气隙即为导波层；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上，使棱镜底面经过旋转平台的中心轴，将光电探测器固定在光学旋转平台的下转盘上，使得激光束、棱镜底面法线与光电探测器中心在同一平面内，并使激光器与光电探测器关于双面金属包覆波导结构中心轴对称；第三步将高平行度激光束先后通过偏振片和小孔，选择入射角使激光入射到棱镜上，入射角选择在一个共振吸收峰的顶端，偏振方式选择横电波或横磁波；第四步调节一维位置敏感探测器的位置使反射光垂直入射到一维位置敏感探测器的中心，调节可调谐激光器的入射波长，选择波长在能激发增强古斯汉欣位移峰的范围内，并处于古斯汉欣位移峰的下降沿；第五步当光学玻璃片受到外力时，利用一维位置敏感探测器测量从棱镜底面反射的激光束相对于入射光的侧向古斯汉欣位移，根据古斯汉欣位移的变化实时计算得到待测物体的位移。3、根据权利要求1或2所述的基于导模激发古斯汉欣位移增强效应的微位移测量方法，其特征是，所述金属膜，其金属材料选择金或银。4、根据权利要求1或2所述的基于导模激发古斯汉欣位移增强效应的微位移测量方法，其特征是，沉积在棱镜上的金属膜厚度为15nm25nin。5、根据权利要求1或2所述的基于导模激发古斯汉欣位移增强效应的微位移测量方法，其特征是，沉积在光学玻璃片上的金属膜厚度为150nm300nm。6、根据权利要求1或2所述的基于导模激发古斯汉欣位移增强效应的微位移测量方法，其特征是，导波层厚度为O.lmralram。7、根据权利要求2所述的基于导模激发古斯汉欣位移增强效应的微位移测量方法，其特征是，激光在光波导上的入射角选择在3。8。之间的吸收峰顶端。8、根据权利要求2所述的基于导模激发古斯汉欣位移增强效应的微位移测量方法，其特征是，可调激光器的输出波长在858nm863nm。9、根据权利要求2所述的基于导模激发古斯汉欣位移增强效应的微位移测量方法，其特征是，偏振方式选择选用横电波入射，同时调节小孔使入射光束的光斑直径小于lmra。全文摘要本发明公开一种精密测量
技术领域：
的基于导模激发古斯汉欣位移增强效应的微位移测量方法，将高平行度的激光入射到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组成的双面金属包覆波导结构中，在满足相位匹配条件时，激光耦合进入波导中引起反射光相位相对于入射光相位产生急剧变化，导致反射光束古斯汉欣位移大大增强，利用这个位移对导波层空气隙厚度变化非常敏感的特性，通过检测反射光古斯汉欣位移的变化来测量光学玻璃片相对于棱镜位置的改变，从而实现对待测物体位移大小的测量。本发明可实现高灵敏度、快速准确的实时测量，且方法简单、抗干扰能力强，可广泛应用于建筑、地质监测，机械加工、材料检测的微位移测量。文档编号G01D5/28GK101241017SQ200810034530公开日2008年8月13日申请日期2008年3月13日优先权日2008年3月13日发明者余天一,曹庄琪,李红根,沈启瞬,毅王申请人:上海交通大学