[發明專利]一種使用保偏光纖和雙微透鏡測量納米線位移的裝置

有效

• 申請號: 201711268230.6
• 申請日: 2017-12-05
• 公開（公告）號: CN108036726B
• 公開（公告）日: 2020-12-22
• 發明（設計）人: 鄒呂寬;王寧;薛飛
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: G01B11/02
• 分類號: G01B11/02;G01B9/02;G01H9/00
• 代理公司: 安徽合肥華信知識產權代理有限公司 34112
• 代理人: 余成俊

本發明公開了一種使用保偏光纖和雙微透鏡測量納米線位移的裝置，由激光二極管產生的線偏振光從光纖耦合器的輸入端的一條臂進入光纖耦合器，輸出的10%的激光依次通過光纖耦合器的輸出端的一條臂和雙微透鏡結構后形成具有極小束腰半徑的高斯光束，將高斯光束中的納米線定位在束腰半徑處獲得最佳的探測效果，所述的光電探測器與光纖耦合器的輸入端的另一條臂連接，所述的光纖耦合器的輸出端的另一條臂與浸入在液浸裝置中。本發明利用保偏光纖和雙微透鏡結構，大幅提高了探測的信噪比和信號穩定性，同時得益于雙微透鏡的參數匹配，減小了出射高斯光束的束腰半徑，提高了探測的空間分辨率。

技術領域

本發明涉及量子光學技術領域，尤其涉及一種使用保偏光纖和雙微透鏡測量納米線位移的裝置。

背景技術

利用激光的干涉效應可以對納米線等微小樣品的位移和振動進行精密的測量，因此已經被廣泛的應用于微納機電系統中，在微小質量傳感、靈敏力探測以及生物醫藥等領域都發揮著重要作用。相比于自由空間，利用光纖全內反射傳輸激光可以獲得更好的出射高斯光束模式和更小的光斑直徑(約幾微米)，特別適合研究微納尺寸樣品。除此之外，光纖具有可彎曲、損耗小和抗電磁干擾等優點，有助于獲得穩定可靠，低維護成本的實驗條件。

已有的普通光纖主要分為單模光纖和多模光纖，其中單模光纖作為光的波導，只允許坡印廷矢量與光纖軸向平行的單一模式在其中傳輸，因此與多模光纖相比具有更小的色散，這意味著更高的帶寬和更遠的傳輸距離，因此不僅在通訊領域應用廣泛，目前的光纖干涉儀也都采用單模光纖進行測量。但隨著研究的不斷深入，已有單模光纖的性能已經越來越難以符合探測要求，更高靈敏度的光纖干涉儀的設計已成為一個迫切需要。

利用激光的偏振狀態可以顯著提高測量靈敏度。普通激光器產生的是非偏振光，單模光纖允許單一模式通過，但對偏振方向并不敏感，光纖中隨機的雙折射或者光纖的彎曲，都會改變光的偏振方向，因此出射光的偏振方向也是隨機的。光纖干涉儀收集的除了納米線表面反射的光還包括環境的光信號，即背景噪音。由于單模光纖的特點，這些不同偏振方向的信號都能夠通過光纖被接收，從而提高了噪音水平，測得的信號也會變得不穩定，這些都會影響光纖干涉儀的探測靈敏度。更重要的是，當納米線的直徑小于或與光斑大小可比時，偏振方向與納米線垂直的激光的散射效率會變得非常低，影響測量信號的強度，而偏振方向與納米線平行的激光則幾乎不受影響，因此使用線偏振激光探測納米線的位移將顯著提高靈敏度。

與探測靈敏度有關的另一個特征參數是出射高斯光束的束腰半徑，它直接關系到光纖干涉儀的空間分辨率，是探測微納尺度樣品的基本參數，只有當空間分辨率參數接近或小于納米線的尺寸時，探測其位移或振動才變得可行。直接從單模光纖出射的高斯光束束腰半徑較大，可以利用參數匹配的微透鏡進一步減小。除此之外，在光纖前端加裝微透鏡也能明顯增大系統的數值孔徑，是提高探測光強和信噪比的重要手段。

發明內容

本發明目的就是為了彌補已有技術的缺陷，提供一種使用保偏光纖和雙微透鏡測量納米線位移的裝置。

本發明是通過以下技術方案實現的：

一種使用保偏光纖和雙微透鏡測量納米線位移的裝置，包括有高斯光束中的納米線、雙微透鏡結構、液浸裝置、保偏光纖耦合器、帶保偏尾纖的法布里-珀羅激光二極管以及光電探測器，其中光纖耦合器的四個臂、激光二極管的出射尾纖和光電探測器的輸入端光纖均為保偏光纖，由激光二極管產生的線偏振光從光纖耦合器的輸入端的一條臂進入光纖耦合器，輸出的10％的激光依次通過光纖耦合器的輸出端的一條臂和雙微透鏡結構后形成具有極小束腰半徑的高斯光束，將高斯光束中的納米線定位在束腰半徑處獲得最佳的探測效果，所述的光電探測器與光纖耦合器的輸入端的另一條臂連接，所述的光纖耦合器的輸出端的另一條臂與浸入在液浸裝置中。通過控制包含在納米線固定部件中的納米精度位移臺，可以得到光電探測器測量光強與納米線位置的關系，從而可以確定納米線的相對位移。此外，對測量光強進行頻譜分析得到的功率譜密度函數可以給出納米線振動幅度和角度的信息。