专利名称：低损耗亚纳分辨率的光纤测振系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光电测振仪，特别是公开一种低损耗亚纳分辨率的光纤测振系统，属于光电检测技术领域。
背景技术：
米用微结构器件，如NMM (Nano-measuring Machine)器件以及HEMS器件对物质成分的属性及含量进行高精度测量的传感器由于具有灵敏度高、响应速度快、光损耗低、尺寸小、成本低等优点，是近年来国际国内上的研究热点之一。其中，光纤检测由于抗电磁干扰，可以制造传感各种不同物理信息(声、光、磁、温度等)的器件，又可以用于高压、电器噪声、高温、腐蚀或者其他的恶劣环境中等优点，得到了该领域研究者广泛关注。随着光子器件的微型化集成化的发展进程，卫星光学器件呈现出了很多肉眼无法观测到的物理现象，而微纳光纤作为为光子器件的基本结构单元，因为具有小尺寸、易剪裁、强倏逝波传输等优良特性收到越来越多的关注，成为光子学前沿的研究热点。目前测振领域的相关研究中，大部分采用干涉或者反射式原理进行测振。干涉测量技术实利用参考光和信号光的干涉调制解调出信号光所携带的信息，从而可以测量出振动信号的大小，所以该系统对光源的相干长度要求较高，且干涉条件苛刻，集成性差，系统较复杂；而反射式测振系统是利用振动信号经过反射引起光纤中的传输光强发生变化，通过检测光强的变化实现对振动的测量的系统，所以其精确度差，测量范围小。并且两种测振系统对于振动频率为低频的信号的分辨率较低。这些严重的限制了测振系统的发展，为了解决上述问题，提出了一些测量微小振动的光学系统测振仪。基于光在单模光纤中传播时在横剖面上的光强是高斯分布的这一原理，测量微纳尺寸的微小振动。该装置不需利用光的干涉或者反射现象，直接通过测量光纤针尖探针接收到的光强大小即可调制解调出振动幅度大小。该系统结构简单，但是信号处理比较困难，并且该装置存在对小频率振动无法测量的缺陷。
发明内容
本发明的目的是为了克服本领域现有技术无法测量小频率振动的不足，提供一种低损耗亚纳分辨率的光纤测振系统及相应的信号处理方法，本发明产品易制造，低损耗，小尺寸，高分辨率且适用于低频信号的检测。本发明是这样实现的:一种低损耗亚纳分辨率的光纤测振系统，其特征在于所述测振系统的装置及连接关系为:光源2由普通驱动电源I驱动；沿光源2发射光前进方向依次放置要检测的振动台6，微悬臂系统7 ;所述的光源2传出的光在光纤3中传播；所述的压电阶段11包括粘附有光纤3的待测的振动台6、微悬臂系统7以及显微镜4，显微镜4设于振动台6和微悬臂系统7的上方；所述的微悬臂系统7包括可调的三维平台14和粘附在其上的末端是纳米针尖探针的光纤5，光纤5的另一端与光电转换装置8的输入端连接；所述的光电转换装置8的输出端与数据采集和处理装置9连接；所述的数据采集和处理装置9与信号监视器10连接。所述的电源I给光源2提供直流驱动电流和交流驱动电流，并且其调制信号输出端可以输出与供给电源的交流驱动电流信号同频率的交流电压信号。所述的光源2为半导体激光器。所述待测的振动台6上的光纤3与微悬臂的光纤5的纳米针尖探针为非接触式，且间隔为微米级，当光通过待测振动台上的光纤3传播到末端为纳米针尖探针的光纤5中时，纳米针尖探针可以探测基本模式的模场分布。所述的数据采集和处理装置9是A/D采集卡，包括数据采集装置12和数据处理装置13。所述的显微镜4为微米级分辨率的显微镜。所述的光纤3和光纤5均为单模光纤。所述的纳米针尖探针是微悬臂系统7的一部分，是一个高分辨率的探测器。所述的光电转换装置8为CCD或者光功率计。所述的信号监视器10为示波器或者电脑。本发明的有益效果是:本发明采用了光纤传感器的一部分，价格便宜，精度较高。本发明通过探测接收到的光强大小的变化，计算出其振动幅度的大小，不需要调制解调相位等其他光信息，结构系统简单，不需要采用特殊装置调制解调。本发明设计了微悬臂系统及纳米针尖探针光纤，不仅精度高而且可以测量微纳米结构的低频振动。本发明还采用半导体激光光源以及采用普通电源进行驱动，对光源等器件没有特殊要求，且易于实现重复操作。
图1是本发明测振系统采用标准台的结构框图。图2是本发明测振系统采用振动台的结构框图。图3是本发明的系统结构框图。图4是本发明无振动情况下的测量曲线图。图5是本发明在有振动情况下的测量曲线比较图。图6是本发明压电阶段的微悬臂系统的结构示意图。图中:1、电源；2、光源；3、光纤；4、显微镜；5、光纤(带纳米针尖探针)；6、振动台；7、微悬臂系统；8、光电转换装置；9、数据采集和处理装置；10、信号监视器；
11、压电阶段；12、数据采集装置；13、数据处理装置；14、可调的三维平台；15、压电陶瓷；16、标准台。
具体实施例方式根据附图1 3，本发明一种低损耗亚纳分辨率的光纤测振系统的装置及连接关系为:光源2为窄带激光光源，采用半导体激光器，由普通驱动电源I驱动。沿光源2发射光前进方向依次放置要检测的振动台6，微悬臂系统7。压电阶段11包括粘附有光纤3的待测的振动台6，微悬臂系统7以及显微镜4，显微镜4设于振动台6和微悬臂系统7的上方。微悬臂系统7包括可调的三维平台14和粘附在其上的末端是纳米针尖探针的光纤5。光源2传出的光在光纤3中传播，并且光纤3的另一端被固定于被测振动台上，光纤3的该端面突出于振动台6悬空，光纤3突出于振动台6悬空的端面正对光纤5的纳米针尖探针。光纤5 (带纳米针尖探针)的另一端与光电转换装置8的输入端连接，光电转换装置8的输出端与数据采集和处理装置9的输入端相连，数据采集和处理装置9的输出端与信号监视器10相连进行信号监测。光纤3和光纤5均为单模光纤,信号监视器10米用不波器或者电脑均可。可调的三维平台14由压电陶瓷驱动形成纳米级位移。带纳米针尖探针的光纤5粘附于可调的三维平台14上，同时突出于可调的三维平台14少许，形成悬臂，且光纤5的纳米针尖探针与置于振动台6上且悬空的光纤3的纤芯处于同一直线上，并且相对且距离为微米级尺寸。显微镜4为纳米级分辨率的显微镜，置于光纤3及带纳米针尖探针的光纤5的上方。光电转换装置8采用CCD或者光功率计。数据采集和处理装置9采用指A/D采集卡。根据附图1 6，本发明测振系统的工作过程如下:
将本发明测振系统的光源2的输出与光纤3连接，微悬臂系统7的带纳米针尖探针的光纤5与置于标准台16上的光纤3相对，并且间隔距离达到微米级，放置显微镜4于其上以用于观测时时的纳米针尖探针与光纤3的距离及耦合情况，将带纳米针尖探针的光纤5的另一端连接到光电转换装置8上，并依次连接数据采集装置12和数据处理装置13以及信号监视器10。电源I启动后，调制驱动电源向光源2、显微镜4、信号监视器10提供交流驱动电流并向光电转换装置8、数据采集和处理装置9提供直流驱动信号。将光纤3对准微悬臂系统7上的纳米针尖探针，在显微镜4下对可调的三维平台14进行微调，尽量使标准台16上附着的光纤3的纤芯的中心与可调的三维平台14上附着的光纤5的纳米针尖探针在一条直线上，此时信号监视器10得到的光强数值达到最大值或接近最大值，这表明微调成功。固定可调的三维平台14的两个方向，使其不能移动，通过控制压电陶瓷15使可调的三维平台14向某单一方向移动，每次移动40nm左右，并记录信号监视器10显示的光强数据，测量约200个数据点，并绘制曲线。重复操作3次以上，分别绘制出曲线图，并比较绘制出最终曲线图，作为测量标准。将标准台16换成待测的振动台6，并重复上述调节。通过系统的数据采集和处理将各个时间点的振动幅度计算出来，从而得出振动曲线，并对待测的振动台6进行监测。通过对其纵坐标即时时光强的监测，对比该时刻有振动与无振动时的纵坐标，当无振动情况下的纵坐标与所测得的有振动情况下的纵坐标相同时，则在无振动曲线中该纵坐标对应的横坐标即为该时刻纳米针尖探针偏离光纤3中心的距离，该偏离距离即为其该时振动幅度。图5中虚线为无振动曲线，纵坐标处的实线为有振动时振动曲线的纵坐标。使用本发明，待测的振动台6的振动可时时进行检测，效率高，结构简单，且精确度高，对于不同形状的待测振动台，只需要将光线附着其上即可，无需对后续的光电转换以及数据处理等环节进行改变。本发明采用微悬臂系统及带纳米针尖探针的光纤，不仅精度高而且可以测量微纳米结构的低频振动。本发明采用了光纤作为传感器的一部分，价格便宜，并采用微悬臂系统，精度较高。本发明中带纳米针尖探针的光纤的运用使本发明系统实现了微频振动的测量。本发明还具有易制造，低损耗，小尺寸，高分辨等特点。
权利要求
1.一种低损耗亚纳分辨率的光纤测振系统，其特征在于所述测振系统的装置及连接关系为:光源(2)由普通驱动电源(I)驱动；沿光源(2)发射光前进方向依次放置要检测的振动台(6)，微悬臂系统(7);所述的光源(2)传出的光在光纤(3)中传播；所述的压电阶段(11)包括粘附有光纤(3)的待测的振动台(6)、微悬臂系统(7)以及显微镜(4)，显微镜(4)设于振动台(6)和微悬臂系统(7)的上方；所述的微悬臂系统(7)包括可调的三维平台(14)和粘附在其上的末端是纳米针尖探针的光纤(5)，光纤(5)的另一端与光电转换装置(8)的输入端连接；所述的光电转换装置(8)的输出端与数据采集和处理装置(9)连接；所述的数据采集和处理装置(9)与信号监视器(10)连接。
2.根据权利要求1所述的低损耗亚纳分辨率的光纤测振系统，其特征在于:所述的电源(I)给光源(2)提供直流驱动电流和交流驱动电流，并且其调制信号输出端可以输出与供给电源的交流驱动电流信号同频率的交流电压信号。
3.根据权利要求1或2所述的低损耗亚纳分辨率的光纤测振系统，其特征在于:所述的光源(2)为半导体激光器。
4.根据权利要求1所述的低损耗亚纳分辨率的光纤测振系统，其特征在于:所述待测的振动台(6)上的光纤(3)与微悬臂的光纤(5)的纳米针尖探针为非接触式，当光通过待测振动台上的光纤(3)传播到末端为纳米针尖探针的光纤(5)中时，纳米针尖探针可以探测基本模式的模场分布。
5.根据权利要求1所述的低损耗亚纳分辨率的光纤测振系统，其特征在于:所述的数据采集和处理装置(9)包括数据采集装置(12)和数据处理装置(13)。
6.根据权利要求1所述的低损耗亚纳分辨率的光纤测振系统，其特征在于:所述的显微镜(4)为微米级分辨率的显微镜。
7.根据权利要求1所述的低损耗亚纳分辨率的光纤测振系统，其特征在于:所述的光纤(3)和光纤(5)均为单模光纤。
8.根据权利要求1所述的低损耗亚纳分辨率的光纤测振系统，其特征在于:所述的纳米针尖探针是微悬臂系统(7)的一部分，是一个高分辨率的探测器。
9.根据权利要求1所述的低损耗亚纳分辨率的光纤测振系统，其特征在于:所述的光电转换装置(8)为CCD或者光功率计。
10.根据权利要求1所述的低损耗亚纳分辨率的光纤测振系统，其特征在于:所述的信号监视器(10 )为示波器或者电脑。
全文摘要
本发明为一种低损耗亚纳分辨率的光纤测振系统，其特征在于所述测振系统的装置及连接关系为光源由普通驱动电源驱动；沿光源发射光前进方向依次放置要检测的振动台，微悬臂系统；所述的光源传出的光在光纤(3)中传播；所述的压电阶段包括粘附有光纤(3)的待测的振动台、微悬臂系统以及显微镜，显微镜设于振动台和微悬臂系统的上方；所述的微悬臂系统包括可调的三维平台和粘附在其上的末端为纳米针尖探针的光纤(5)，光纤(5)的另一端与光电转换装置的输入端连接；所述的光电转换装置的输出端与数据采集和处理装置连接；所述的数据采集和处理装置与信号监视器连接。本发明设计了带纳米针尖探针的光纤及微悬臂系统，适用于低频信号的检测。
文档编号G01H9/00GK103148929SQ201310093168
公开日2013年6月12日 申请日期2013年3月22日 优先权日2013年3月22日
发明者雷李华, 高婧, 孙晓光, 毛辰飞, 范国芳, 杨柯, 翁浚婧 申请人:上海市计量测试技术研究院