一种基于脊形光波导的激光多普勒测速仪的制作方法

本发明涉及激光多普勒测速仪，特别是一种基于脊形光波导的激光多普勒测速仪。

背景技术：

1842年，奥地利物理学家发现了多普勒效应，即波源与接收器之间存在相对运动时，接收器接收到的信号频率与波源发出的信号频率不同，即两者之间的相对运动产生了频移现象。1905年，爱因斯坦证明光波中同样存在多普勒效应，为激光多普勒测速仪的发明提供了理论依据。1960年，激光器的作为新型光源的出现为多普勒测速仪的出现做出了巨大推动。1964年叶和柯明斯使用激光流速计成功测得层流管流分布，从此开创了激光多普勒测速技术。

激光多普勒测速仪利用激光多普勒效应来测量固体或流体移动速度，具有测量范围大、空间分辨率高、动态响应快、可多维测速以及非接触测量等优点。激光在经运动的物体散射后发生多普勒频移，该频移大小与物体的运动速度存在一定的数学关系，通过检测散射光的频率可以计算物体的运动速度。但由于光波信号的频率远远超出了普通光电探测器的响应频率，因此检测精度也受频谱分析仪发展的限制。此外，当时的光学系统大多采用单一元件搭建而成，因此早先的激光多普勒测速仪效率和性能都比较低，体积和成本也比较高。此后随着激光器光源的进一步发展，以及集成光学单元的出现，使得测试系统的光路结构更为紧凑，且更容易调准。此外，电子技术的发展，也使得在多普勒信号检测方面有了更进一步的突破，且使得可检测的精度更加高。

20世纪80年代末到90年代，光纤传输也被普遍运用到激光多普勒测速仪，再加上半导体激光器以及光电二极管的出现，使得系统进一步轻便，应用范围也更加广阔。但系统中分束系统以及合束系统的光路仍然比较复杂，且体积十分庞大。

目前，大多采用外差干涉技术来实现激光多普勒信号的检测，即通过参考光束和频移光束的拍频干涉来计算多普勒频移，进而计算被检测物体移动速度。常见的参考光模式的外差干涉模型，除了应用到激光光源和光电探测器以外，还包括了分束器，探头，合束器等光路。目前无论是透镜系统或光纤系统，都存在着以下不足：

(1)分束器，探头，合束器无法集成，系统尺寸较大；

(2)系统在使用时需要手动调节各系统的相对位置；

(3)系统的各组件若要达到较高精度，成本比较高。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于脊形光波导的激光多普勒测速仪，能够集成分束器和探头端和合束器，易于加工、灵敏度高、抗电磁辐射、环境耐受力强、易于微型化集成化、成本低廉。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于脊形光波导的激光多普勒测速仪，包括分束器、探头和合束器，所述分束器和所述合束器基于脊形光波导形成，所述分束器用于将激光光源分为参考光束和检测光束，所述检测光束从所述探头的输出端输出后到达被检测物发生多普勒频移，频移后的散射光从所述探头的接收端进入，经所述合束器与所述参考光束耦合发生干涉后输出供光电探测器探测的信号。

进一步地：

所述分束器和所述合束器为一体结构，所述一体结构包括介质槽光波导分束器、介质槽光波导合束器和介质槽光波导弯折结构，所述介质槽光波导分束器包括光源输入光波导、第一窄介质槽、检测光束输出光波导和参考光束输出光波导，所述介质槽光波导合束器包括散射光束输入光波导、参考光束输入光波导、楔形介质槽和合束输出光波导，所述介质槽光波导弯折结构包括弯折波导和第一至第三宽介质槽；

其中所述光源输入光波导、所述检测光束输出光波导、所述参考光束输出光波导、所述散射光束输入光波导、所述参考光束输入光波导、所述合束输出光波导和所述弯折波导均为同一基底材料上形成的脊形光波导，所述脊形光波导的波导部分突出于所述同一基底材料的表面而呈脊形，所述第一窄介质槽、所述楔形介质槽和所述第一至第三宽介质槽为形成在所述同一基底材料上的凹陷槽体，且内设有填充介质；

其中所述光源输入光波导通过所述第一窄介质槽耦合到所述检测光束输出光波导和所述参考光束输出光波导，所述检测光束输出光波导向被测物体输出检测光束，所述参考光束输出光波导通过所述弯折波导的第一部分和第一宽介质槽耦合到所述参考光束输入光波导，来自被测物体的散射光束通过所述弯折波导的第二部分和第二至第三宽介质槽进入所述散射光束输入光波导，所述参考光束输入光波导和所述散射光束输入光波导通过所述楔形介质槽耦合到所述合束输出光波导；

其中所述介质槽光波导分束器利用所述第一窄介质槽引起的部分全内反射和部分波导耦合将所述光源输入光波导输入的光分成两束，分别由所述检测光束输出光波导和所述参考光束输出光波导输出；所述介质槽光波导弯折结构利用所述弯折波导和所述第一至第三宽介质槽引起的全内反射将所述散射光束和所述参考光束分别输送到所述散射光束输入光波导和参考光束输入光波导；所述介质槽光波导合束器利用所述楔形介质槽引起的部分全内反射和部分波导耦合将所述散射光束输入光波导和参考光束输入光波导输入的光合成一束后输出。

所述一体结构由绝缘衬底上硅(SOI)制作形成。

所述脊形光波导的横截面满足单模条件。

所述第一至第三宽介质槽经配置使得所述参考光束进行一次直角全反射、所述散射光束进行两次直角全反射后在所述楔形介质槽处以相对的方向汇合。

所述第一窄介质槽的宽度和填充介质折射率经配置以确定所述检测光束和所述参考光束的比例。

所述楔形介质槽的角度、宽度和填充介质折射率经配置以确定输出光的光强。

一种激光多普勒测速系统，包括所述的基于脊形光波导的激光多普勒测速仪以及与所述激光多普勒测速仪相配合的激光器和光电探测器。

为测量血管内血液流速的血液流速检测系统。

本发明的有益效果：

本发明提出了以一种基于脊形光波导的激光多普勒测速仪，光源发出的激光可直接经端面耦合进入测速仪，经窄介质槽分束器后光束可按一定比例被分为两束，一束参考光继续在脊形波导内传输，另一束通过探头输出波导进入待测物，经运动的待测物散射后发生多普勒频移，部分被散射的光束通过探头输入端经弯折结构改变光路后在楔形介质槽合束器处与参考光束耦合后输出。受限于复杂的光学单元，常见的参考光模式外差干涉系统体积较大，不易集成，且需要手动调准。本发明利用脊形光波导、介质槽光波导分束器，合束器和介质槽光波导弯折结构实现了参考光模式中分束器，探头，以及合束器的集成，且由于以上结构的运行原理及特性，以及微纳加工技术的特点，该测速仪加工完毕后无需再手动进行调准即可使用，且可以大批量生产。该测速仪能将速度信息转化为光信号输出，从而感知速度变化可以与单模光纤高效耦合，具有灵敏度高，抗电磁辐射，易于加工，可大批量生产，易于微型化，成本低等优点。

附图说明

图1为本发明一种实施例的基于脊形光波导的激光多普勒测速仪的立体示意图；

图2为本发明一种实施例的基于脊形光波导的激光多普勒测速仪的结构示意图；

图3为本发明一种实施例中的大截面脊形光波导截面示意图；

图4为实例1的激光多普勒测速系统示意图。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

参阅图1至图2，在一种实施例中，一种基于脊形光波导的激光多普勒测速仪，包括分束器、探头和合束器，至少所述分束器和所述合束器基于脊形光波导形成，所述分束器用于将激光光源分为参考光束和检测光束，所述检测光束从所述探头的输出端输出后到达被检测物发生多普勒频移，频移后的散射光从所述探头的接收端进入，经所述合束器与所述参考光束耦合发生干涉后输出供光电探测器探测的信号。

所述分束器和所述合束器为一体结构，所述一体结构包括介质槽光波导分束器、介质槽光波导合束器和介质槽光波导弯折结构，所述介质槽光波导分束器包括光源输入光波导1、第一窄介质槽2、检测光束输出光波导3和参考光束输出光波导4，所述介质槽光波导合束器包括散射光束输入光波导、参考光束输入光波导、楔形介质槽7和合束输出光波导8，所述介质槽光波导弯折结构包括弯折波导5和第一至第三宽介质槽6。

所述光源输入光波导1、所述检测光束输出光波导3、所述参考光束输出光波导4、所述散射光束输入光波导、所述参考光束输入光波导、所述合束输出光波导8和所述弯折波导5均为同一基底材料上形成的脊形光波导，所述脊形光波导的波导部分突出于所述同一基底材料的表面而呈脊形，所述第一窄介质槽2、所述楔形介质槽7和所述第一至第三宽介质槽6为形成在所述同一基底材料上的凹陷槽体，且内设有填充介质。

所述光源输入光波导1通过所述第一窄介质槽2耦合到所述检测光束输出光波导3和所述参考光束输出光波导4，所述检测光束输出光波导3向被测物体输出检测光束，所述参考光束输出光波导4通过所述弯折波导5的第一部分和第一宽介质槽耦合到所述参考光束输入光波导，来自被测物体的散射光束通过所述弯折波导5的第二部分和第二至第三宽介质槽进入所述散射光束输入光波导，所述参考光束输入光波导和所述散射光束输入光波导通过所述楔形介质槽7耦合到所述合束输出光波导8。

其中所述介质槽光波导分束器利用所述第一窄介质槽2引起的部分全内反射和部分波导耦合将所述光源输入光波导1输入的光分成两束，分别由所述检测光束输出光波导3和所述参考光束输出光波导4输出；所述介质槽光波导弯折结构利用所述弯折波导5和所述第一至第三宽介质槽6引起的全内反射将所述散射光束和所述参考光束分别输送到所述散射光束输入光波导和参考光束输入光波导；所述介质槽光波导合束器利用所述楔形介质槽7引起的部分全内反射和部分波导耦合将所述散射光束输入光波导和参考光束输入光波导输入的光合成一束后输出。

本发明中的窄介质槽、宽介质槽，其窄、宽是相对而言的，本领域技术人员能够理解，其具体尺寸并无限制，是以达到前述的目的为准。

该测速仪能将速度信息转化为光信号输出，从而感知速度变化可以与单模光纤高效耦合，具有灵敏度高，抗电磁辐射，易于加工，易于微型化，成本低等优点。

参阅图3，在优选的实施例中，所述一体结构由绝缘衬底上硅(SOI)制作形成。

参阅图3，在优选的实施例中，所述脊形光波导的横截面满足单模条件。可采用满足单模条件的大截面脊形波导结构。

参阅图1至图2，在优选的实施例中，所述第一至第三宽介质槽经配置使得所述参考光束进行一次直角全反射、所述散射光束进行两次直角全反射后在所述楔形介质槽处以相对的方向汇合。

在优选的实施例中，所述第一窄介质槽的宽度和填充介质折射率经配置以确定所述检测光束和所述参考光束的比例。

在优选的实施例中，所述楔形介质槽的角度、宽度和填充介质折射率经配置以确定输出光的光强。

所述基于脊形光波导的激光多普勒测速仪可以配合激光器以及光电探测器用于激光多普勒测速系统。

参阅图4，在另一种实施例中，一种激光多普勒测速系统，包括前述任一实施例的基于脊形光波导的激光多普勒测速仪以及与所述激光多普勒测速仪相配合的激光器和光电探测器。

结合以下实例作进一步描述。

实例1

参阅图1至图4，选用顶层硅厚度为10μm，绝缘层氧化硅厚度为2μm的绝缘体上硅(SOI)作为制造材料。通过深紫外曝光和感应耦合等离子体干法刻蚀得到基于脊形光波导的激光多普勒测速仪。如图4所示，激光多普勒测速仪配合输入端激光器9、准直器10、单模光纤11、输出端光电探测器12以及信号处理电路13，可组成实时血液流速检测系统，测量血管14内的血液流速。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。