[發明專利]一種古斯漢欣位移傳感測量方法及系統

有效

• 申請號: 201310069817.X
• 申請日: 2013-03-05
• 公開（公告）號: CN103148787A
• 公開（公告）日: 2013-06-12
• 發明（設計）人: 鄭錚;何林芳;萬育航;劉建勝
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01B11/02
• 分類號: G01B11/02
• 代理公司: 北京聿宏知識產權代理有限公司 11372
• 代理人: 吳大建;劉華聯

技術領域

本發明涉及傳感檢測領域。本發明具體涉及古斯漢欣位移測量方法，以及實現該方法的測量系統。

背景技術

古斯漢欣效應（Goos-?effect，簡稱GH效應）是一種特殊的光學現象。當有限寬光束在界面發生全反射時，將可能發生一系列的非鏡面反射現象，古斯漢欣效應就是其中一種，表現為線性極化光在全反射的過程中經歷一小段位移：即反射點相對于入射點在相位上有一個突變，而反射光相對于入射光在空間上有一段側向距離,這一距離被稱為古斯漢欣位移。該現象由Fritz?Goos和Hilda?Lindberg-1947年首先在實驗中驗證，因故得名。

在理論研究方面，20世紀60年代以前，在實驗上觀察到古斯漢欣位移后，K.Artmann和Fragstein就分別用不同的方法推導出了古斯漢欣位移的計算式，其中Artmann的計算公式沿用至今。1961年和1977年，R.H.Renard等人又提出了能流法和角譜法。此后，古斯漢欣位移發生的對象也由單界面擴展到多層膜結構或周期性結構、薄膜結構、甚至光子晶體等。2002年PR.Berman報導了負折射率介質中的古斯漢欣位移。

而更有效的方式是通過激發表面波來增強GH效應。能產生GH效應的反射，必先激發產生倏逝波，而所謂的GH位移也可被想象成由于入射光在反射表面，以表面波的形式傳播、并在入射介質中穿透一定距離后反射造成的，而系統中表面波的激發和增強則會增強GH效應。Schreier等人在1998年理論計算了在兩種不同衍射結構發生振蕩條件時的GH位移。2004年，斯坦福大學的Yin等人采用位置敏感探測器及鎖相放大器，在一個典型表面等離子體共振（Surface?Plasmon?Resonance,SPR）檢測系統中測出了50倍波長量級的GH位移。

布洛赫表面波（BSW）是一種在光子晶體結構表面積法，沿界面方向傳輸的表面波。作為表面電磁波（Surface?Electromagnetic?Wave，SEW）的一種，布洛赫表面波與表面等離子體波有許多相似之處，具有較大的傳感應用潛力。近年來，在包括傳感和集成光子波導等領域引起了越來越多的關注，并有望成為一種SPP的替代技術。

光子晶體是由不同介電常數的介質材料在空間呈周期性排布的結構。當電磁波在其中傳播時，遵循折射、反射、透射原理，電子周期性的布拉格散射使電磁波受到調制而形成類似電子的能帶結構。這種能帶結構被稱為光子能帶。在適合的晶格常數和介電常數比的條件下，在光子晶體的光子能帶間可出現某些特定頻率的電磁波無法透過的頻率區域，類似電子能帶隙，此頻率區被稱為光子帶隙（photonic?band?gap,PBG）或者光子禁帶。因此光子晶體材料也被稱為光子帶隙材料。

根據周期性排布的方向和維度不同，光子晶體可以分為一維、二維和三維。光子晶體中存在光子禁帶的物理機理是基于固體物理的布洛赫理論。當電磁波在一個具有分立、平移對稱性的節點空間中傳播時，由電磁場理論可知，在沿折射率周期變化方向的電磁場分布為被周期性函數所調制的平面波的形式，成為布洛赫態（Bloch?State），顯著特征是其波矢在該方向具有周期性，且其在光子晶體中傳播時無需再考慮散射效應。

根據布洛赫原理，和電子帶隙出現的原理類似，光子晶體中周期性變化的折射率分布可以看做平局折射率和周期性微擾的作用，此微擾作用即造成布洛赫邊緣出現頻率帶隙。在此頻率帶隙中，光波的波矢沒有實部，這意味著在此帶隙中，光波不得以波動形式傳播，而是以電磁場指數衰減的光波形式存在。為了激發這一模式，可以通過在完美的光子晶體結構中間引入一個缺陷層，從而在光子晶體內部激發局部模式；也可以通過在光子晶體結構表面末端引入一層介電材料，從而在光子晶體表面激發表面波。

通過構建一維光子晶體結構，可在一維截斷的PBG結構表面激發布洛赫表面波，產生顯著增強的古斯漢欣位移，另一方面由于該結構均由無損材料組成，光學損耗遠小于由金屬材料組成的SPR結構或金屬光柵等結構，從而可同時獲得較大的古斯漢欣位移和較小的光學損耗。利用這種超大的由表面波增強的古斯漢欣位移進行傳感檢測是一種新的高靈敏度傳感檢測方案：采用類似SPR檢測系統的耦合方式，通過檢測反射光點的位置及其變化，獲得與布洛赫表面波結構相鄰的外部介質的物理特性變化（如折射率等）。而現有的古斯漢欣位移檢測方法，由于存在機械振動和長時間的溫度變化等造成的信號漂移，檢測到的光點位置結果存在較大噪聲和漂移，系統較為脆弱且系統誤差較大。

發明內容