高靈敏度微球激光傳感器基本原理
加入技術交流群
不同于前面的例子，Laine等研究開發的是一種極高靈敏度加速度傳感器，該器件是通過微球諧振腔與耦合器件之間的相對距離改變來進行檢測的，并且耦合方法不再是錐形光纖，而是一種帶狀基底抗諧振反射光波導(SPARROW：stripline pedestal anti-resonant reflecting optical waveguide)。它通過交替的高低折射率層組成的介質堆將微球腔、波導與底層隔離開來，使在第一個分界面上的反射率超過99%[5]。該加速度傳感器的原理如圖4。
球微球球重W，半徑為r，與一長為l的光纖桿相連，光纖像一般的彈性材料那樣一端固定在基板上，楊氏常數為E，另一端通過化學燒制做成微球(一般通過高溫熔融冷卻法制成)，在微球下面，SPARROW與它相耦合。近似的，將微球視為質點，光纖桿視為理想桿，因二者振動產生相對于平衡位置的位移為：
(4)
其中，I —細桿的轉動慣量;E—楊氏系數;
w—球回復力， ;
w—細桿的回復力，
;
a—系統的加速度。
如果測出了y，我們就可以推出加速度a。但是，由于y的變化很小(nm量級)，所以一般的測量方法已經相形見絀。此時，微球諧振腔就有了用武之地。光波導與微球的相對距離變化可以通過測量微球的品質因子可以得到：
(5)
(6)
其中，Qc(d)—和耦合方式有關的品質因子;Q0—微球腔的本征品質因子，與材料以及半徑有關;Q(d)—微球腔的總品質因子;r—微球半徑;λ—入射光波波長;n —微球材料的折射率;Q—光波的模式數，一般小于10，指約束在赤道表面的光波模式數目。
通過實驗測量品質因子，可推得Qc(d)，從而反解出d，通過d可以計算y值，最終實現測量加速度。
Laine等在實驗中采用了多項先進技術，如SPARROW的選用能使光波的滲漏達到最小，微球腔品質因子保持在108以上的較高水平等。通過檢測諧振振幅和線寬的改變，從100μg的背景噪音中實現了1mg的極高靈敏度的加速度探測。
評論