[發(fā)明專利]一種基于外置耦合光柵諧振腔的高精度測量裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201611183700.4
• 申請日: 2016-12-20
• 公開（公告）號: CN106595484B
• 公開（公告）日: 2018-11-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 郭龑強;姬玉林;彭春生;郭曉敏;李璞
• 申請（專利權(quán)）人: 太原理工大學(xué)
• 主分類號: G01B11/00
• 分類號: G01B11/00
• 代理公司: 太原科衛(wèi)專利事務(wù)所(普通合伙) 14100
• 代理人: 朱源;王勇

本發(fā)明涉及微觀粒子幾何尺寸的精密測量裝置，具體是一種基于外置耦合光柵諧振腔的高精度測量裝置。本發(fā)明解決了現(xiàn)有微觀粒子幾何尺寸的精密測量裝置成本高、耦合效率低、加工難度大的問題。一種基于外置耦合光柵諧振腔的高精度測量裝置，包括光源、第一光纖、光學(xué)光譜分析儀、第二光纖、納米錐形光學(xué)光纖、外置耦合光柵；其中，納米錐形光學(xué)光纖的一端通過第一光纖與光源的輸出端連接，另一端通過第二光纖與光學(xué)光譜分析儀的輸入端連接；外置耦合光柵水平鑲嵌于納米錐形光學(xué)光纖的下側(cè)，且外置耦合光柵的中心光腔對應(yīng)于納米錐形光學(xué)光纖的腰部中央。本發(fā)明適用于微觀粒子幾何尺寸的精密測量。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及微觀粒子幾何尺寸的精密測量裝置，具體是一種基于外置耦合光柵諧振腔的高精度測量裝置。

背景技術(shù)

對于微觀粒子（納米量級粒子）幾何尺寸的精密測量，當(dāng)前主要是通過光學(xué)顯微鏡或電子顯微鏡實現(xiàn)的。由于受到衍射極限的限制，每一種顯微裝置都有其最大精度。光學(xué)顯微鏡的精度當(dāng)前可以達到200nm，電子顯微鏡在2KV加速電壓下可以達到1.2nm。但是，這兩種顯微裝置都有其固有缺陷，對電子顯微鏡來說，雖然增加加速電壓其精度可以達到很高，但是電子束可能通過碰撞和加熱破壞樣本，染料的保護則破壞了其本來的形態(tài)，另一方面，電子顯微鏡對樣品的要求很苛刻，超薄樣品（100納米以下）制樣過程復(fù)雜、困難，制樣有損傷，由于透射電子顯微鏡只能觀察非常薄的樣本，而有可能物質(zhì)表面的結(jié)構(gòu)與物質(zhì)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)不同，而且在電子顯微鏡中樣本必須在真空中觀察，因此無法觀察活樣本。對光學(xué)顯微鏡來說，觀測時不僅要經(jīng)過繁復(fù)的聚焦過程，而且其精度受到光波長的影響，比如說，當(dāng)光的波長為400nm時，其精度只能達到200nm，即精度只能達到波長的一半，而且這種觀測行為難以避免探針光場對微觀粒子狀態(tài)的擾動，進一步加大了不確定性。在成本方面，具有納米級分辨率的電子顯微鏡價格昂貴，例如日本電子株式會社型號為JEM-2100F的電子顯微鏡市場價格是1500000(美元)，這也限制了其廣泛使用。鑒于這兩種精密測量裝置的缺點，人們需要研究出另一種精密測量手段。答案就是一帶有錐形結(jié)構(gòu)的光子晶體納米光纖，這種裝置的精度可以達到1nm。但顯現(xiàn)出的問題同樣不可小覷，如果在其納米光纖區(qū)域沒有加工光學(xué)腔，則這種裝置的光耦合效率很低，一般僅為22%，這樣被觀測物的微小變化信息可能就會因其低耦合效率而被忽略。而由于這種光纖材料質(zhì)地脆弱，如果在其納米光纖區(qū)域制作光腔，極易折斷或損傷光纖，這樣加工極其困難，增加了制造成本。為使低耦合效率和難加工問題一舉解決，本發(fā)明提出了一種帶光腔的精密測量裝置。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為了解決現(xiàn)有微觀粒子幾何尺寸的精密測量裝置成本高、耦合效率低、加工難度大的問題，提供了一種基于外置耦合光柵諧振腔的高精度測量裝置。

本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種基于外置耦合光柵諧振腔的高精度測量裝置，包括光源、第一光纖、光學(xué)光譜分析儀、第二光纖、納米錐形光學(xué)光纖、外置耦合光柵；

其中，納米錐形光學(xué)光纖的一端通過第一光纖與光源的輸出端連接，另一端通過第二光纖與光學(xué)光譜分析儀的輸入端連接；外置耦合光柵水平鑲嵌于納米錐形光學(xué)光纖的下側(cè)，且外置耦合光柵的中心光腔對應(yīng)于納米錐形光學(xué)光纖的腰部中央。

工作時，光源發(fā)出的信號光經(jīng)第一光纖傳輸至納米錐形光學(xué)光纖。在納米錐形光學(xué)光纖與外置耦合光柵接觸的區(qū)域內(nèi)，此裝置具有布拉格光柵（短周期光柵）的性質(zhì)，因此納米錐形光學(xué)光纖導(dǎo)模所經(jīng)歷的有效折射率被外置耦合光柵強烈調(diào)制，信號光經(jīng)過此調(diào)制后由第二光纖傳輸至光學(xué)光譜分析儀。由于反射或透射中心波長與介質(zhì)折射率有關(guān)，當(dāng)微觀粒子用一種特殊的鑷子固定在納米錐形光學(xué)光纖的表面時，移動外置耦合光柵，反射或透射光的中心波長也會隨之變化。通過光學(xué)光譜分析儀檢測反射或透射中心波長的變化，就可以間接觀測被測物幾何參數(shù)的變化。在此發(fā)明中，申請人設(shè)計了五種光柵參數(shù)，可以達到不同的測量精度，觀測者可以根據(jù)自身的實驗精度，選取需要的光柵參數(shù)。