专利名称：微位移的平面光波导测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种微位移的测量装置，特别是一种微位移的光波导测量装置。属于精密测量仪器领域。
背景技术：
测量微位移在建筑物、桥梁长期监测以及地震的检测中有着广泛的应用。激光干涉仪是微位移测量的传统仪器。激光干涉仪通常有两臂构成，一个是参考臂，另一个是探测臂。从半导体激光器发出的激光经过分束镜后，光分成两路，一路光透过分束镜后，沿原来传播方向继续传播进入光路A，另一路光发生反射，进入光路B。在光路A和光路B末端都安装有反射镜。两束光反射后相遇，发生干涉形成稳定的干涉条纹。当外界发生微小位移时，探测臂的臂长将发生变化，此时经探测臂端面的平面镜反射回来的激光相位将发生改变，从而形成的干涉条纹发生移动。该技术将位移变化转换为条纹的移动，使得实时观测成为可能。但是，这种技术主要通过CCD记录和测量干涉条纹移动量，因此干涉条纹的区分度以及干涉图样的混乱区等因素都对它的精度和有效性有很大影响。
经对现有技术文献的检索发现，Chen Chao等人在《Review of ScientificInstruments》Vol.75，No.11，pp4641-4645上发表的“Modulated laserinterferometer with picometer resolution for piezoelectric characterization”(用皮米分辨率调制激光干涉仪测量压电陶瓷特性，科学仪器评论，75(11)pp4641-4645)一文中提出双臂马赫-曾德干涉(double-beam Mach-Zehnderinterferometric system)系统激光器发射的激光通过一个光学小孔，然后激光的水平极化分量被分束镜A反射进入参考臂，同时垂直极化分量则透射过分束镜A。透射光通过一个1/4波片后，探测光的极化方向旋转45°。然后，用透镜将光束聚焦到待测位移的物体前表面上，光从它表面反射并透过另外一片1/4波片。此时，激光的极化方向又旋转45°，变成水平极化光。极化方向为水平的激光被分束镜A反射，经过平面镜M2、M3和分束镜B到待测位移的物体背面。同时，激光的极化方向又被第三个1/4波片转变成垂直极化激光，并使得它能透过分束镜B。被平面镜M4反射后，探测光和参考光相遇在经过一片半反半透平面镜后，产生干涉。利用扩束镜将干涉图样放大，然后透射到光电探测器上。用低噪声放大器和锁相将采集的干涉图样信号进行放大。在参考臂中的光束直接入射到一驱动器相连的平面镜上，然后反射。反射光两次经过四分之一波片后，其偏正方向发生变化由水平变为垂直，这样反射光就能能通过分束镜C。驱动器用来调节平面镜的位置，以调整参考臂和探测臂的光程差。该设备中，待测物体采用通用信号发生器(HP 3245A)来驱动。这种采用调制设备的激光干涉系统对位移的分辨率为皮米(10-12米)量级。这种双臂调制激光干涉仪由于需要用到函数发生器、锁相放大器以及低噪声放大器等必须设备，这使得整个构造比较复杂，成本高，限制其广泛使用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种微位移的光波导测量装置，即基于双面金属包覆波导的微位移测量装置，使其利用反射光对导波层间距变化敏感的特性，来检测外界物体运动而引起的导波层厚度变化，精确地确定被测物体的位移量。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明由光学旋转平台、光波导微位移传感器和光电探测部分组成。光波导微位移传感器固定在光学旋转平台上，光学旋转平台支撑整个光波导微位移传感器，光电探测部分包括激光器、偏振器、光学小孔、光电探测器，激光器、偏振器，光学小孔固定在光学旋转平台外，它们保持等高共轴，且光轴指向光波导微位移传感器的中心，光电探测器、激光器关于光波导微位移传感器的中心轴对称，同时光电探测部分的光电探测器固定在光学旋转平台上，光学旋转平台在激光器位置固定的情况下，匀速改变入射光相对与光波导微位移传感器的入射角，同时光学旋转平台的下转盘带动光电探测器以两倍角速度同向旋转，总能使反射光落在光电探测器上，从而实现共振角的扫描。
光波导微位移传感器固定在光学旋转平台的中心。光波导微位移传感器包括棱镜、沉积在棱镜上的金属膜、光学玻璃片、沉积在光学玻璃片上的金属膜、支撑架、回复弹簧、连接杆、螺旋测微计、固定孔和底板，其连接关系为将光学玻璃片固定在支撑架上，棱镜粘在底板上，支撑架也通过螺丝固定在底板上，再将支撑架上的螺旋测微计和棱镜抵紧。光学玻璃片通过连接杆穿过固定孔和回复弹簧固定在支撑架上，光学玻璃片上的金属膜面朝向棱镜，并且中间保持一定的空气隙。其中，沉积在棱镜上的金属膜、空气隙、沉积在光学玻璃片上金属膜构成一个双面金属包覆波导结构。
本发明的光电探测部分，激光器发射的激光通过偏振器出射单偏振光，经光学小孔后入射到光波导微位移传感器的中心轴，光电探测器、激光器关于光波导微位移传感器的中心轴对称，确保以任何角速度进行角度扫描时，光电探测器都能接受到自棱镜底面反射的激光。
旋转平台静止时，打开激光器，出射激光通过偏振器，选择单偏振光，经过光学小孔后得到一定光斑大小的光入射光波导微位移传感器的中心，经棱镜与金属膜界面反射的反射光进入光电探测器，光电探测器同计算机的数模转换器(A/D)相连，计算机开始数据采集，通过程序控制驱动光学旋转平台，激光器相对光波导微位移传感器入射角就发生改变，观察采集数据的结果，选择合适的入射角后停止驱动光学旋转平台，在此入射角下连续观测记录，通过监测光强的改变，可反演光学玻璃片相对与棱镜的微小位移。
本发明装置中，棱镜与光学玻璃片之间是自由的，同时光强对棱镜与光学玻璃片之间的间距改变十分敏感，当外力驱使光学玻璃片运动时，棱镜和光学玻璃片之间的间距发生改变，通过检测空气隙厚度的变化就可以精确地测量微位移。
本发明中，利用衰减全反射曲线中导模吸收峰随导波层厚度变化非常敏感的特点，将激光器入射角选在导模吸收峰的线性区域，利用光探测器对光强的连续测量，就可以实时得到外界待测物体的位移。与现有技术相比，本发明可以广泛应用于物体的微位移测量，可以实现高灵敏度、快速实时测量，并且光波导微位移传感器的制造工艺简单、易于实现、小型化、便于携带等高技术性能。
图1本发明装置结构俯视2本发明装置结构示意3本发明装配示意图
具体实施例方式
如图1到图3所示，本发明装置由光学旋转平台1、光波导微位移传感器2、和光电探测部分3组成，光波导微位移传感器2固定在光学旋转平台1上，光学旋转平台1支撑整个光波导微位移传感器2，光电探测部分3包括激光器4、偏振器5、光学小孔6、光电探测器7，激光器4、偏振器5、光学小孔6固定在光学旋转平台1外，它们保持等高共轴，光轴指向光波导微位移传感器2的中心，光电探测器7、激光器4关于光波导微位移传感器2的中心轴对称，同时光电探测器7固定在光学旋转平台1上，光学旋转平台1在激光器4位置固定的情况下，匀速改变入射光相对与光波导微位移传感器2的入射角，同时光电探测器7以两倍角速度同向旋转，使反射光落在光电探测器7上。
光波导微位移传感器2固定在光学旋转平台1的中心，光波导微位移传感器2包括棱镜8、沉积在棱镜8上的金属膜9、光学玻璃片12、沉积在光学玻璃片12上的金属膜11、支撑架13、回复弹簧14、连接杆15、螺旋测微计16、固定孔17和底板18，其连接关系为将光学玻璃片12固定在支撑架13上，棱镜8粘在底板18上，支撑架13也通过螺丝固定在底板18上，再将支撑架13上的螺旋测微计16和棱镜8抵紧。光学玻璃片12通过连接杆15穿过固定孔17和回复弹簧14固定在支撑架13上，光学玻璃片12上的金属膜11面朝向棱镜8，并且中间保持一定的空气隙10。其中沉积在棱镜8底面上的金属膜9、空气隙10、沉积在光学玻璃片12上的金属膜11构成一个双面金属包覆波导结构。
权利要求
1.一种微位移的平面光波导测量装置，包括光学旋转平台(1)、光波导微位移传感器(2)和光电探测部分(3)，光波导微位移和微振动传感器(2)固定在光学旋转平台(1)上，光学旋转平台(1)支撑整个光波导微位移传感器(2)，其特征在于，所述的光电探测部分(3)包括激光器(4)、偏振器(5)、光学小孔(6)、光电探测器(7)，激光器(4)、偏振器(5)、光学小孔(6)固定在光学旋转平台(1)外，光轴指向光波导微位移传感器(2)的中心，光电探测器(7)、激光器(4)关于光波导微位移传感器(2)的中心轴对称，光电探测器(7)固定在光学旋转平台(1)上。
2.根据权利要求1所述的微位移的平面光波导测量装置，其特征是，激光器(4)、偏振器(5)、光学小孔(6)、光学旋转平台(1)保持等高共轴。
3.根据权利要求1或者2所述的微位移的平面光波导测量装置，其特征是，光学旋转平台(1)在激光器(4)位置固定的情况下，匀速改变入射光相对与光波导微位移传感器(2)的入射角，同时光电探测器(7)以两倍角速度同向旋转，使反射光落在光电探测器(7)上。
4.根据权利要求1所述的微位移的平面光波导测量装置，其特征是，光波导微位移传感器(2)包括棱镜(8)、沉积在棱镜上的金属膜(9)、光学玻璃片(12)、沉积在光学玻璃板上的金属膜(11)、支撑架(13)、回复弹簧(14)、连接杆(15)、螺旋测微计(16)、固定孔(17)和底板(18)，光学玻璃片(12)固定在支撑架(13)上，棱镜(8)粘在底板(18)上，支撑架(13)固定在底板(18)上，支撑架(13)上的螺旋测微计(16)和棱镜(8)抵紧，光学玻璃片(12)通过连接杆(15)穿过固定孔(17)和回复弹簧(14)固定在支撑架(13)上，光学玻璃片(12)上的金属膜(11)面朝向棱镜(8)，并且中间留有空气隙(10)，其中沉积在棱镜(8)底面上的金属膜(9)、空气隙(10)、沉积在光学玻璃片(12)上的金属膜(11)构成一个双面金属包覆波导结构。
5.根据权利要求1或者4所述的微位移的平面光波导测量装置，其特征是，光波导微位移传感器(2)位于光学旋转平台(1)上的中心位置。
全文摘要
一种微位移的平面光波导测量装置，属于精密仪器领域。本发明光波导微位移传感器固定在光学旋转平台上，光电探测部分包括激光器、偏振器、光学小孔、光电探测器，激光器、偏振器，光学小孔固定在光学旋转平台外，它们保持等高共轴，光轴指向光波导微位移传感器的中心，光电探测器、激光器关于光波导微位移传感器的中心轴对称，同时光电探测部分的光电探测器固定在光学旋转平台上。本发明可以广泛应用于大坝、建筑物、地壳的微位移测量，可以实现高灵敏度、快速实时的测量，同时保证仪器具有制造工艺简单、易于实现、小型化等特点。
文档编号G01D5/26GK1645040SQ20051002345
公开日2005年7月27日 申请日期2005年1月20日 优先权日2005年1月20日
发明者陈凡, 曹庄琪, 沈启舜, 邓晓旭, 冯耀军 申请人:上海交通大学