CN111442729B - 一种基于布洛赫表面波单向耦合效应的位移传感装置 - Google Patents

一种基于布洛赫表面波单向耦合效应的位移传感装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于布洛赫表面波单向耦合效应的位移传感装置，包括泄漏辐射显微***，所述泄漏辐射显微***沿光信号走向依次包括激光器、透镜组、偏振片、半玻片、入射物镜、位移平台、收集物镜、收集透镜以及成像相机，所述位移平台上设有位移传感芯片，所述位移传感芯片为布洛赫表面波单向耦合芯片。本发明使用的入射光场简单，无需矢量光束整形，并且布洛赫表面光场消光比随入射光场与芯片的相对位移变化剧烈，使得传感灵敏度和精度高、响应速度快。同时，本发明还提高了量程。另外，本发明使用的布洛赫表面波单向耦合芯片为全介质结构，易储存，重复利用率高，且该芯片容错率高，易于加工，降低了加工难度。

Description

一种基于布洛赫表面波单向耦合效应的位移传感装置
技术领域
本发明涉及光学传感领域，更具体地涉及一种基于布洛赫表面波单向耦合效应的位移传感装置。
背景技术
光学计量和位置传感技术在现代科学技术的许多领域如引力波探测、分子构象变化传感及扫描探针显微技术等方面发挥着关键作用。尽管衍射限制了光学分辨率，但光学技术由于具有非接触能力仍然在很多方面发挥着作用。科研人员已经用有源和无源方法实现了深亚波长位移传感，有源方法包括福斯特共振能量转移法和二次谐波法，无源方法包括传统的宏观干涉仪、纳米天线的定向散射、近场干涉、局域等离子体共振、电磁场奇点和光学skyrmions等等。这些方法可提供亚纳米级别的位移检测，但是这些方法对纳米结构的尺寸及入射光场精度均要求较高，并且需要复杂的探测***来检测弱信号和提高信噪比。并且由于高位移灵敏度只存在于最佳定向位置附近，而这些方法的灵敏度是高度非线性的，且量程有限(通常小于50nm，灵敏度为0.05nm-1)。
除了上述方法，现有技术还采用泄露辐射显微***与位移传感芯片相结合的装置来实现位移传感功能。泄露辐射显微***包括激光器、透镜组、滤波器、偏振片、半波片、入射物镜、位移平台、收集物镜、收集透镜以及成像相机等，其中，位移传感芯片为对称式芯片，设于位移平台上，这种装置的入射光场为复杂的柱矢量光场，其本身携带位相变化，需要对其滤波整形。
发明内容
鉴于上述现有技术的缺点，本发明提供一种基于布洛赫表面波单向耦合效应的位移传感装置，解决了现有位移传感装置灵敏度低、量程小以及入射光场复杂的问题。
本发明提供一种基于布洛赫表面波单向耦合效应的位移传感装置，包括泄漏辐射显微***，所述泄漏辐射显微***沿光信号走向依次包括激光器、透镜组、偏振片、半玻片、入射物镜、位移平台、收集物镜、收集透镜以及成像相机，所述位移平台上设有位移传感芯片，所述位移传感芯片为布洛赫表面波单向耦合芯片。
所述激光器为超连续可调谐激光器。
所述位移平台为压电陶瓷位移平台。
所述布洛赫表面波单向耦合芯片包括布拉格反射单元。
所述布拉格反射单元包括交替排布的高折射率介质层和低折射率介质层。
所述布拉格反射单元的顶层中设有不对称狭缝结构。
所述布拉格反射单元的顶层为低折射率介质缺陷层。
所述布洛赫表面波单向耦合芯片还包括一玻璃基底，所述布拉格反射单元排布在该玻璃基底上。
所述不对称狭缝结构包括两个单狭缝。
所述两个单狭缝平行正对且长度相等。
所述两个单狭缝的长度大于4μm。
所述两个单狭缝的宽度和深度均不相同。
本发明利用高斯光场和多层介质膜表面的不对称狭缝结构相互作用实现的位移传感技术，入射光场简单，无需矢量光束整形，并且布洛赫表面光场消光比随入射光场与芯片的相对位移变化剧烈，使得传感灵敏度和精度高、响应速度快。同时，本发明的位移传感装置还提高了量程。另外，本发明使用的布洛赫表面波单向耦合芯片为全介质结构，易储存，重复利用率高，且该芯片容错率高，易于加工，降低了加工难度。
附图说明
图1为按照本发明的基于布洛赫表面波单向耦合效应的位移传感装置的结构示意图；
图2为图1中布洛赫表面波单向耦合芯片的结构示意图；
图3为图2的截面图；
图4(a)-图4(c)为入射高斯光与不对称狭缝结构相对位置改变时，其FDTD计算的角谱结果示意图，图4(d)-图4(f)为图4(a)-图4(c)对应的实验结果示意图；
图5(a)为位移传感FDTD模拟结果示意图，图5(b)和图5(c)为从图5(a)中抽取的两端线性区域；图5(d)为图5(a)对应的实验结果示意图，图5(e)和图5(f)为从图5(d)中抽取两端线性区域。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。
如图1所示，本发明的一种基于布洛赫表面波单向耦合效应的位移传感装置1，包括泄漏辐射显微***10以及设置于该***10内的布洛赫表面波(BSW)单向耦合芯片20。其中，泄漏辐射显微***10沿光信号走向依次包括激光器101、透镜组102、偏振片103、半玻片104、入射物镜105、压电陶瓷位移平台106、收集物镜107、收集透镜108以及成像相机109，布洛赫表面波单向耦合芯片20位于压电陶瓷位移平台106上。
本发明的激光器101为超连续可调谐激光器，其发出入射高斯光，该入射高斯光经由透镜组102扩束后，通过偏振片103和半玻片104得到线偏振光。线偏振光照射入射物镜105，激发布洛赫表面波单向耦合芯片20产生芯片信号，同时压电陶瓷位移平台106扫描芯片实现位移传感功能，最后由收集物镜107收集产生的芯片信号，并通过收集透镜108将布洛赫表面波单向耦合芯片20的像面和角谱信息传递给成像相机109。其中，入射高斯光波长可以改变，从而能够表征不同波长的BSW。另外，可以更换不同型号的入射物镜105和收集物镜107，使得放大倍数和数值孔径可调，从而使得泄露辐射角(收集物镜107的后焦面，表示芯片20的角谱信息)收集范围可调。同时，也可以对压电陶瓷位移平台进行设置，使其扫描位置和扫描范围可调。成像相机109可选用CCD、CMOS或其他类型的相机。
如图2和图3所示，布洛赫表面波单向耦合芯片20包括玻璃基底201、布拉格反射单元202以及不对称狭缝结构203。其中，布拉格反射单元202排布在玻璃基底201上，不对称狭缝结构203设于布拉格反射单元202的顶层206，布拉格反射单元202和不对称双狭缝结构203共同作用实现布洛赫表面波的单向传输。
布拉格反射单元202由高折射率介质层204和低折射率介质层205交替组成，顶层206为低折射率介质缺陷层。顶层缺陷层206直接影响布洛赫表面波的有效折射率，其厚度越厚，布洛赫表面波的有效折射率越高，波长越短，而高折射率介质层和低折射率介质层的厚度均大概为布洛赫表面波波长的四分之一。其中，高折射率介质层204的材质为Si3N4，厚度在75nm到85nm之间；低折射率介质层205的材质为SiO2，厚度在95nm到105nm之间；顶层缺陷层203的厚度在320nm到420nm之间。Si3N4和SiO2层以及顶层缺陷层的厚度可调，能够实现BSW所在波长范围可调。
尽管高折射率介质层和低折射率介质层周期对数的数量不影响布洛赫表面波的模式折射率，但是会影响其局域性能，周期对数越多局域性能越佳，反之越差。因此，为了平衡布洛赫表面波的局域和泄露，使其既可以保持优越的局域性能，又可以泄露到远场方便观察其现象，本发明的布拉格反射单元202共设置18层。
不对称双狭缝结构203由两个平行正对的单狭缝构成，这两个单狭缝的长度相同，而宽度和深度均不相同。本发明的入射光为偏振高斯光，由于入射光场的束腰半径约为2μm左右，因而两个狭缝的长度需大于4μm。
两个不对称单狭缝可分别激发布洛赫表面波，实现布洛赫表面波的单向耦合，这两个狭缝激发的布洛赫表面波满足：振幅近似相等、初始相位差为π/2，且两个狭缝的中心间距d满足kBSW×d＝π/2，其中，kBSW表示布洛赫表面波波矢，因而满足BSW单向传输条件，高斯光场本身束腰半径较大的情况下其各点相位相同，没有引入额外的相位因子，因此可实现BSW的单向传输。而狭缝激发的布洛赫表面波的振幅和相位随着狭缝宽度和深度的不同而不同，因此需要调节两个狭缝的宽度和深度，来满足布洛赫表面波单向耦合的条件。
在本实施例中，其中一个狭缝的宽度在510nm到550nm之间，深度在380nm到420nm之间；另一狭缝的宽度在210nm到250nm之间，深度在70nm到110nm之间。根据实际情况和需求，可通过调节不对称狭缝结构203两个单狭缝的宽度、深度及中心间距，从而实现指定波长范围的BSW单向传输。
本发明实现位移传感功能的原理为：布洛赫表面波单向耦合芯片20可实现布洛赫表面波单向传输，将芯片20放于压电位移平台106中，由于入射高斯光场固定，因此移动压电位移平台106，芯片20则相对于高斯光场沿不对称狭缝结构203的狭缝宽度方向发生移动。例如，若以两个单狭缝的间隙中心为0点，则芯片20随压电位移平台106在狭缝宽度方向上可以从-1um移动到+1um。此时布洛赫表面光场单向传输功能发生变化，其消光比也发生变化。消光比R＝Ir/Il，其中，Ir和Il表示光场强度(参见图4(a))，因而根据布洛赫表面光场消光比的变化可判断位移变化。反之，通过消光比值大小，可判断高斯光场和芯片20的相对位移大小。位移传感装置的性能由灵敏度、分辨率、量程等指标确定，在本发明中，不同入射光波长条件下得到的布洛赫表面光场消光比是不同的，消光比越高，位移传感装置的灵敏度越高，但是并不代表分辨率和量程等指标性能最佳。根据不同的应用情景，通过可调谐激光器101控制入射波长，以达到不同的灵敏度、分辨率及量程指标，实现最佳位移传感功能。
在本发明的一较佳实施例中，入射物镜105设置为：放大倍数10x，数值孔径0.3，收集物镜107设置为：放大倍数100x，数值孔径为1.49。布拉格反射单元202中由Si3N4层厚度为80nm，SiO2层厚度为100nm，顶层缺陷层206的厚度为390nm。不对称狭缝结构203中两个单狭缝的长度均为20μm，宽度分别为530nm，400nm，深度分别为230nm，90nm，且两个单狭缝的中心间距为755nm。
理论结果和实验结果如图4和图5所示。其中，图4(a)-图4(c)为入射高斯光与不对称狭缝结构相对位置改变时，其FDTD计算的角谱结果，图4(d)-图4(f)为图4(a)-图4(c)对应的实验结果，图中各数值表示高斯光场中心与不对称狭缝结构中心的相对位移，白色箭头表示入射高斯光场的偏振方向。
图5是入射高斯光场的位置保持不变，芯片随位移平台移动，以不对称狭缝缝隙中心为0点，从-1um到+1um扫描，每隔10nm扫描一张图4类似的图，对每张图右边部分Ir强度和左边部分强度Il进行比值可得到曲线中的一点，一共移动201个位置。图5(a)为相应的位移传感FDTD模拟结果，图5(b)为从图5(a)中抽取的-450nm至-350nm的线性区域，图5(c)为从图5(a)中抽取的-200nm至-100nm的线性区域；图5(d)为图5(a)对应的实验结果，图5(e)为从图5(d)中抽取的-720nm至-420nm的线性区域，图5(f)为图5(d)中抽取的0至300nm的线性区域。
图4(a)-图(c)是图5(a)中三个位置(-1000nm位置，峰值位置-280nm，及+1000nm位置)的后焦面(角谱)图像，图4(d)-图4(f)是图5(d)中三个位置(-1000nm位置，峰值位置-150nm，及+1000nm位置)的后焦面(角谱)图像。由于样品制备数据采集等误差，理论和实验在峰值大小和位置均有区别。
该实施例最终理论上得到灵敏度为2.71nm-1，分辨率为3nm，量程为100nm；实验得到灵敏度为0.122nm-1，分辨率为6nm，量程为300nm。与现有技术的最佳灵敏度0.05nm-1，量程范围50nm相比，本专利提出的基于布洛赫表面波单向耦合效应的位移传感装置，量程和灵敏性均有所提升。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (7)

1.一种基于布洛赫表面波单向耦合效应的位移传感装置的位移变化判断方法，包括泄漏辐射显微***，所述泄漏辐射显微***沿光信号走向依次包括激光器、透镜组、偏振片、半玻片、入射物镜、压电陶瓷位移平台、收集物镜、收集透镜以及成像相机，所述位移平台上设有位移传感芯片，其特征在于，所述位移传感芯片为布洛赫表面波单向耦合芯片，所述布洛赫表面波单向耦合芯片包括布拉格反射单元，所述布拉格反射单元的顶层中设有不对称狭缝结构，所述不对称狭缝结构包括两个宽度和深度均不相同的单狭缝，其中一个单狭缝的宽度在510nm到550nm之间，深度在380nm到420nm之间；另一个单狭缝的宽度在210nm到250nm之间，深度在70nm到110nm之间；所述布洛赫表面波单向耦合芯片在所述压电陶瓷位移平台移动时相对于高斯光场沿所述不对称狭缝结构的狭缝宽度方向发生移动，以根据布洛赫表面光场消光比的变化判断位移变化。
2.根据权利要求1所述的基于布洛赫表面波单向耦合效应的位移传感装置的位移变化判断方法，其特征在于，所述激光器为超连续可调谐激光器。
3.根据权利要求1所述的基于布洛赫表面波单向耦合效应的位移传感装置的位移变化判断方法，其特征在于，所述布拉格反射单元包括交替排布的高折射率介质层和低折射率介质层。
4.根据权利要求1所述的基于布洛赫表面波单向耦合效应的位移传感装置的位移变化判断方法，其特征在于，所述布拉格反射单元的顶层为低折射率介质缺陷层。
5.根据权利要求1所述的基于布洛赫表面波单向耦合效应的位移传感装置的位移变化判断方法，其特征在于，所述布洛赫表面波单向耦合芯片还包括一玻璃基底，所述布拉格反射单元排布在该玻璃基底上。
6.根据权利要求1所述的基于布洛赫表面波单向耦合效应的位移传感装置的位移变化判断方法，其特征在于，所述两个单狭缝平行正对且长度相等。
7.根据权利要求1所述的基于布洛赫表面波单向耦合效应的位移传感装置的位移变化判断方法，其特征在于，所述两个单狭缝的长度大于4μm。
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