基于垂直波导耦合球形结构微腔的角位移测量系统和方法技术方案

本发明专利技术涉及光学传感技术领域，公开了一种基于垂直波导耦合球形结构微腔的角位移测量系统和方法，该系统包括：可调谐激光器

【技术实现步骤摘要】
基于垂直波导耦合球形结构微腔的角位移测量系统和方法


[0001]本专利技术涉及光学传感
，特别是涉及一种基于垂直波导耦合球形结构微腔的角位移测量系统和方法
。

技术介绍

[0002]角位移传感器用于测量物体或系统角度变化，它通常被用于监测和控制旋转或转动的物体的角度信息，角位移传感器在诸如工业
、
交通和军事等众多领域均具有广泛的应用，如高速列车转向架和客车车厢的倾斜测量，大型机械对准控制和军用着陆平台控制等，现有的比较成熟并应用广泛的角位移传感测量装置有光栅
、
磁栅和容栅，它们以精度高
、
分辨率高
、
测量范围广
、
易于维护
、
使用可靠等优点，被广泛用于光电经纬仪
、
航空航天设备
、
数控机床等诸多领域
。
它们能够满足目前许多高精度场合的测量需求，但同时也存在着一定的限制
。
如在衍射光栅中，不同波长的光在衍射过程中会被分散成不同的角度，从而导致光谱的分离，这可能会在某些应用中导致光谱分辨率的问题，同时制造高质量的光栅需要高度精密的加工工艺，特别是对于微米或亚微米级别的光栅，这可能会导致制造成本的增加；磁栅需要外部磁场来调节光信号，因此需要稳定的磁场源，同时磁场的控制和稳定性可能会带来技术挑战，特别是在某些应用中需要高精度的光学性能
。
在一些磁性材料中，磁光效应可能相对较弱，需要较大的磁场来实现显著的光学调制/>。
这可能会增加设备的复杂性和功耗；容栅（栅氧化物）需要具有高绝缘性能，以确保栅极和半导体通道之间没有电流泄漏
。
然而，由于制造过程中的不完美或长期使用中的劣化，可能会出现栅极泄漏现象，同时随着微电子器件尺寸的不断缩小，容栅的厚度也需要缩小，这可能导致电子隧穿效应等问题，影响器件的性能
。
现有用于实现高灵敏度的角位移测量的结构为耦合回音壁微腔，该结构利用微腔的共振频率对微腔内部的光场进行检测实现角位移测量，但现有的微腔耦合方式为波导平行于微谐振器表面，通过调整耦合器与微谐振器之间的间隙，可以将波导表面的倏逝波耦合进入到微谐振器内，但这种耦合方式存在一些缺陷，要求相位严格匹配，否则耦合效果不佳或耦合后的行波可能无法进入微腔内；耦合器与微谐振器之间的耦合区域过宽，导致耦合效果不佳，光波的能量损失较大，且因耦合形成的行波是周向同一性分布，导致无法测量周向角位移
。
[0003]现有技术公开了一种基于双链式
SNAP
结构微腔阵列的位移传感系统，该位移传感系统主要包括可调谐激光器
、
偏振控制器
、
耦合波导
、SNAP
结构微腔阵列双链
、
位移装置
、
光电探测器
、
以及计算机
。
可调谐激光器产生扫频激光，经偏振控制器和耦合波导进入双链的
SNAP
结构微腔，光电探测器获取谐振谱并送入计算机处理
。
当微腔移动时，基于单个
SNAP
结构微腔的谐振谱特征实现半个
SNAP
结构长度的位移传感；每跨过半个
SNAP
结构长度，通过依次切换使用双链中的
SNAP
微腔产生的谐振谱，实现全范围的位移传感，该现有技术要求相位严格匹配，否则耦合效果不佳或行波可能无法进入微腔内；耦合器与微谐振器之间的耦合区域过宽，导致耦合效果不佳，光波的能量损失较大，且因耦合形成的行波是周向同一性分布，导致无法测量周向角位移
。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是克服现有技术存在的缺陷，提供一种基于垂直波导耦合球形结构微腔的角位移测量系统和方法，本专利技术可提高耦合强度
、
减少能量损失和实现
360
度角位移测量
。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供一种基于垂直波导耦合球形结构微腔的角位移测量系统，包括：光学平台和设置在所述光学平台上的可调谐激光器
、
偏振控制器
、
垂直耦合波导
、
球形结构微腔
、
角位移装置
、
光纤探针
、
光电探测器和计算机，所述可调谐激光器
、
所述偏振控制器和所述垂直耦合波导依次连接，所述球形结构微腔位于所述垂直耦合波导和所述光纤探针之间，所述球形结构微腔与所述垂直耦合波导贴合，所述球形结构微腔和所述光纤探针的输入端相距一定距离，所述球形结构微腔和所述光纤探针设在所述角位移装置上，所述角位移装置带动所述光纤探针绕所述球形结构微腔转动；所述可调谐激光器用于产生波长连续可调谐的激光并传输至所述偏振控制器；所述偏振控制器用于控制所述激光的偏振态并将控制后的激光传输至所述垂直耦合波导；所述垂直耦合波导将光纤中的光波耦合进入所述球形结构微腔；所述球形结构微腔用于束缚所述光波，使所述光波在所述球形结构微腔内形成稳定的驻波；所述角位移装置用于固定所述球形结构微腔和调整所述光纤探针与所述球形结构微腔的相对位置，使得所述光纤探针产生相对于所述球形结构微腔角度偏移；所述光纤探针用于干扰所述驻波以及收集光信号，所述光电探测器用于将所述光信号转化为电信号并将所述电信号传输至所述计算机，所述计算机处理所述电信号，在所述电信号与所述光纤探针转动角度之间建立角位移与数据图的映射关系，基于此映射关系测量周向角位移
。
[0006]进一步地，所述角位移装置包括底盘
、
第一圆柱体和第二圆柱体，所述底盘转动连接在所述光学平台上，所述第一圆柱体连接在所述底盘的中心且与所述底盘垂直，所述球形结构微腔固定连接在第一圆柱体的顶部；所述第二圆柱体固定连接在所述底盘的边缘，所述光纤探针固定连接在所述第二圆柱体的顶部，所述底盘带动所述第二圆柱体转动，从而带动所述光纤探针绕所述球形结构微腔转动
。
[0007]进一步地，所述底盘通过轴承与所述光学平台转动连接
。
[0008]进一步地，所述球形结构微腔和所述光纤探针的输入端相距
。
[0009]进一步地，所述球形结构微腔和所述光纤探针的输入端相距
。
[0010]进一步地，所述可调谐激光器的工作波长为
1550nm
，线宽
300kHz。
[0011]进一步地，所述垂直耦合波导为微纳锥形光纤或平面波导
。
[0012]进一步地，所述球形结构微腔包括一个微球，所述微球固定连接在所述第一圆柱体的顶部
。
[0013]进一步地，所述微球的半径为
。
[0014]另外，本专利技术还提供一种基于垂直波导耦合球形结构微腔的角位移测量方法，包括：步骤
S1
：可调谐激光器中发出的激光经偏振控制器本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
基于垂直波导耦合球形结构微腔的角位移测量系统，其特征在于，包括：光学平台和设置在所述光学平台上的可调谐激光器（1）
、
偏振控制器（2）
、
垂直耦合波导（3）
、
球形结构微腔（4）
、
角位移装置（5）
、
光纤探针（6）
、
光电探测器（7）和计算机（8），所述可调谐激光器（1）
、
所述偏振控制器（2）和所述垂直耦合波导（3）依次连接，所述球形结构微腔（4）位于所述垂直耦合波导（3）和所述光纤探针（6）之间，所述球形结构微腔（4）与所述垂直耦合波导（3）贴合，所述球形结构微腔（4）和所述光纤探针（6）的输入端相距一定距离，所述球形结构微腔（4）和所述光纤探针（6）设在所述角位移装置（5）上，所述角位移装置（5）带动所述光纤探针（6）绕所述球形结构微腔（4）转动；所述可调谐激光器（1）用于产生波长连续可调谐的激光并传输至所述偏振控制器（2）；所述偏振控制器（2）用于控制所述激光的偏振态并将控制后的激光传输至所述垂直耦合波导（3）；所述垂直耦合波导（3）将光纤中的光波耦合进入所述球形结构微腔（4）；所述球形结构微腔（4）用于束缚所述光波，使所述光波在所述球形结构微腔（4）内形成稳定的驻波；所述角位移装置（5）用于固定所述球形结构微腔（4）和调整所述光纤探针（6）与所述球形结构微腔的相对位置，使得所述光纤探针产生相对于所述球形结构微腔（4）角度偏移；所述光纤探针（6）用于干扰所述驻波以及收集光信号，所述光电探测器（7）用于将所述光信号转化为电信号并将所述电信号传输至所述计算机（8），所述计算机（8）处理所述电信号，在所述电信号与所述光纤探针（6）转动角度之间建立角位移与数据图的映射关系，基于此映射关系测量周向角位移
。2.
根据权利要求1所述的基于垂直波导耦合球形结构微腔的角位移测量系统，其特征在于，所述角位移装置（5）包括底盘
、
第一圆柱体和第二圆柱体，所述底盘转动连接在所述光学平台上，所述第一圆柱体连接在所述底盘的中心且与所述底盘垂直，所述球形结构微腔（4）固定连接在第一圆柱体的顶部；所述第二圆柱体固定连接在所述底盘的边缘，所述光纤探针（6）固定连接在所述第二圆柱体的顶部，所述底盘带动所述第二圆柱体转动，从而带动所述光纤探针（6）绕所述球形结构微腔（4）转动
。3....

【专利技术属性】
技术研发人员：董永超，黄世豪，张帅，李勇康，王杰波，王晗，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：