專(zhuān)利名稱(chēng)：微位移的平面光波導(dǎo)測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種測(cè)量方法，特別是一種微位移的光波導(dǎo)測(cè)量方法。屬于精密測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
測(cè)量微位移在建筑物、橋梁長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)以及地震的檢測(cè)中有著廣泛的應(yīng)用。微位移測(cè)量的傳統(tǒng)方法為激光干涉技術(shù)。該方法的原理是通常激光干涉儀有兩臂，一個(gè)是參考臂，另一個(gè)是探測(cè)臂。當(dāng)激光入射干涉儀，通過(guò)參考臂和探測(cè)臂后兩束激光發(fā)生干涉，形成穩(wěn)定干涉條紋。當(dāng)外界發(fā)生微小位移時(shí)，探測(cè)臂的臂長(zhǎng)將發(fā)生變化，此時(shí)探測(cè)臂端面的平面鏡反射激光的相位將發(fā)生改變，從而干涉條紋發(fā)生移動(dòng)。這種技術(shù)很好的將位移變化轉(zhuǎn)換為條紋的移動(dòng)，使得實(shí)時(shí)觀測(cè)成為可能。由于微位移干涉測(cè)量技術(shù)主要通過(guò)CCD記錄和測(cè)量干涉條紋移動(dòng)量，因此干涉條紋的區(qū)分度以及干涉圖樣的混亂區(qū)(optical dislocation)等都對(duì)該方法的精度和有效性有很大影響。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，Yasuhiko Aral等人在《Optical Engineering》Vol.43(9)pp2168-2174上發(fā)表“In-plane displacement measurement usingelectronic-speckle-pattern-interferometry-based on spatial fringeanalysis method”(使用基于空間條紋分析的電子條紋圖樣干涉儀的位置測(cè)量，光學(xué)工程，43(9)2168-2174)一文，該文中介紹通過(guò)在頻域中討論影響干涉條紋圖樣質(zhì)量的一些因素，研究了光學(xué)混亂區(qū)和測(cè)量精度等問(wèn)題，并給出改善這些問(wèn)題的措施，即利用濾波技術(shù)消除光學(xué)混亂區(qū)。該方法能確實(shí)有效改善條紋的區(qū)分度，使激光干涉方法測(cè)量位移的精度得到提高。但是總體上，采用干涉技術(shù)測(cè)量微位移存在缺陷(1)通常要用兩路光(一路參考光，一路為探測(cè)光)，由于兩路光所走過(guò)的空間區(qū)域不一樣，因此外界擾動(dòng)(如空氣氣流的擾動(dòng)、地面震動(dòng)等)影響都會(huì)耦合進(jìn)入光路中，表現(xiàn)為光程差的外界擾動(dòng)上，并最終體現(xiàn)在干涉圖樣質(zhì)量和條紋的移動(dòng)上；(2)用激光干涉法測(cè)微位移時(shí)，干涉條紋及其移動(dòng)通常由CCD記錄，根據(jù)瑞利判據(jù)當(dāng)兩個(gè)干涉條紋靠得太近(小于瑞利極限時(shí))，它們就無(wú)法區(qū)分；(3)激光干涉所形成條紋的寬度和記錄干涉條紋所用的CCD上每個(gè)點(diǎn)陣單元的尺寸，對(duì)干涉條紋及其移動(dòng)測(cè)量都有影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有測(cè)量方法中的不足，提供一種微位移的平面光波導(dǎo)測(cè)量方法，即基于雙面金屬包覆波導(dǎo)的微位移測(cè)量方法，使其利用反射光對(duì)導(dǎo)波層間距變化敏感的特性，來(lái)檢測(cè)外界物體運(yùn)動(dòng)而引起的導(dǎo)波層厚度變化，精確地確定待測(cè)物體的位移量。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明方法為將激光器發(fā)射的激光入射到棱鏡上，當(dāng)滿(mǎn)足耦合條件后，光進(jìn)入由沉積在棱鏡上的金屬膜、空氣隙、沉積光學(xué)玻璃片上的金屬膜構(gòu)成的雙面金屬包覆波導(dǎo)中，利用反射光隨空氣隙即空氣導(dǎo)波層厚度的改變而變化極為敏感的特性，從棱鏡底面反射的光強(qiáng)隨著光學(xué)玻璃片與棱鏡的間距改變而變化，通過(guò)檢測(cè)反射光強(qiáng)度的變化量，來(lái)測(cè)量光學(xué)玻璃片相對(duì)與棱鏡位置的改變，從而得到待測(cè)物體位移大小。
以下對(duì)本發(fā)明方法作進(jìn)一步的限制，方法步驟如下第一步選用材料及參數(shù)，形成沉積在棱鏡上的金屬膜—空氣層—沉積在光學(xué)玻璃片上的金屬膜的雙層金屬包覆波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。在拋光后的棱鏡底面和光學(xué)玻璃片上鍍上金屬膜，金屬膜通常可選用金或銀，膜的厚度要求嚴(yán)格控制，棱鏡底面金屬膜的厚度為30～50nm，光學(xué)玻璃片上的金屬膜厚度在100～300nm。將鍍上金屬膜后的棱鏡和光學(xué)玻璃片通過(guò)支撐架組裝起來(lái)，其中光學(xué)玻璃片和棱鏡之間留有一個(gè)厚度為0.01mm～1mm空氣隙，這樣就形成沉積在棱鏡上的金屬膜—空氣層—沉積在光學(xué)玻璃片上的金屬膜的雙面金屬包覆波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其中導(dǎo)波層為空氣。
第二步將雙面金屬包覆波導(dǎo)結(jié)構(gòu)固定在光學(xué)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的上轉(zhuǎn)盤(pán)，并使得光學(xué)玻璃片的底面經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的中心，將光電探測(cè)器固定在光學(xué)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的下轉(zhuǎn)盤(pán)上，使得激光器與光電探測(cè)器與光波導(dǎo)等高，并且它們關(guān)于雙面金屬包覆波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中心軸對(duì)稱(chēng)。
第三步選擇激光波長(zhǎng)、入射角度以及偏振方法，激光光源的工作波長(zhǎng)在560nm～832nm范圍內(nèi)選擇，激光器輸出的激光束以一定的入射角度入射到棱鏡底面上，入射角的選擇要求在能激發(fā)共振吸收峰的范圍內(nèi)，并處于吸收峰的下降沿，偏振方式可以根據(jù)實(shí)際需要旋轉(zhuǎn)偏振片選擇橫電波(TE模)模或橫磁波(TM模)，通常入射激光選擇橫電波(TM模)，同時(shí)調(diào)節(jié)光學(xué)小孔使得入射光束的光斑較小。
第四步當(dāng)光學(xué)玻璃片通過(guò)連接桿受到外力時(shí)(待測(cè)物體位移引起的)，測(cè)量從棱鏡底面反射激光的光強(qiáng)，根據(jù)反射光強(qiáng)的變化實(shí)時(shí)計(jì)算得到待測(cè)物體引起的位移。
本發(fā)明中，利用光波導(dǎo)衰減全反射曲線的導(dǎo)模吸收峰，隨導(dǎo)波層厚度變化非常敏感的特點(diǎn)，將激光器入射角選在導(dǎo)模吸收峰的線性區(qū)域，利用光探測(cè)器對(duì)光強(qiáng)的連續(xù)測(cè)量，就可以實(shí)時(shí)得到外界待測(cè)物體的位移。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于大壩、建筑物、地殼的微位移測(cè)量。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)高靈敏度、快速的實(shí)時(shí)測(cè)量，并且測(cè)量方法非常簡(jiǎn)單。
具體實(shí)施例方式
以下提供以下具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步的理解。
實(shí)施例1第一步制作雙面金屬包覆波導(dǎo)。棱鏡折射率為1.5、沉積在棱鏡上的銀膜厚度為41.0nm、光學(xué)玻璃片折射率為1.5、沉積在光學(xué)玻璃片上的銀膜厚度為200nm的銀膜，空氣隙d＝0.01mm。
第二步將雙面金屬包覆波導(dǎo)結(jié)構(gòu)安裝在光學(xué)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的上轉(zhuǎn)盤(pán)，將光電倍增管固定在光學(xué)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的下轉(zhuǎn)盤(pán)，使得激光器和光電倍增管與光波導(dǎo)等高，并且它們關(guān)于雙面金屬包覆波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的中心軸對(duì)稱(chēng)。
第三步入射激光的波長(zhǎng)為560.0nm，測(cè)得銀膜的折射率為ε＝-11.89+i0.828。計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)光學(xué)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，使激光光束入射棱鏡的入射角約為8.53°。此時(shí)，能按要求激發(fā)共振吸收峰，并處于導(dǎo)模線性區(qū)的下降沿。入射光為橫電波。
第四步當(dāng)光學(xué)玻璃片受到外力時(shí)，測(cè)量從棱鏡和金屬膜界面反射激光的光強(qiáng)，數(shù)據(jù)處理得到光學(xué)玻璃片相對(duì)與棱鏡的位移。
根據(jù)計(jì)算表明當(dāng)棱鏡與玻璃片的間距為1.0×10-5米時(shí)，對(duì)間距的測(cè)量可達(dá)到1.0×10-11m(反射光強(qiáng)度變化約為0.2％)，當(dāng)光學(xué)玻璃片與棱鏡之間的間距發(fā)生改變時(shí)，反射光強(qiáng)的變化如下表所示

實(shí)施例2第一步制作雙面金屬包覆波導(dǎo)。棱鏡折射率為1.5、沉積在棱鏡上的金膜厚度為44.4nm、光學(xué)玻璃片折射率為1.5、沉積在光學(xué)玻璃片上的金膜厚度為100nm的金膜，空氣隙d＝0.5mm。
第二步將雙面金屬包覆波導(dǎo)結(jié)構(gòu)安裝在光學(xué)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的上轉(zhuǎn)盤(pán)，將光電倍增管固定在光學(xué)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的下轉(zhuǎn)盤(pán)，使得激光器和光電倍增管與光波導(dǎo)等高，并且它們關(guān)于雙面金屬包覆波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的中心軸對(duì)稱(chēng)。
第三步入射激光的波長(zhǎng)為690.0nm，測(cè)得金膜的折射率為ε＝-14.4+i1.22。計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)光學(xué)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，使激光光束入射棱鏡的入射角約為9.43°。此時(shí)，能按要求激發(fā)共振吸收峰，并處于導(dǎo)模線性區(qū)的下降沿。入射光為橫電波。
第四步當(dāng)光學(xué)玻璃片受到外力時(shí)，測(cè)量從棱鏡和金屬膜界面反射激光的光強(qiáng)，數(shù)據(jù)處理得到光學(xué)玻璃片相對(duì)棱鏡的位移。
根據(jù)計(jì)算表明當(dāng)棱鏡與玻璃片的間距為5.0×10-4米時(shí)，對(duì)位移的測(cè)量可達(dá)到2.0×10-11m(反射光強(qiáng)度變化約為0.26％)，當(dāng)光學(xué)玻璃片與棱鏡之間的間距發(fā)生改變時(shí)，反射光強(qiáng)的變化如下表所示


實(shí)施例3第一步制作雙面金屬包覆波導(dǎo)。棱鏡折射率為1.5、沉積在棱鏡上的金膜厚度為33.0nm、光學(xué)玻璃片折射率為1.5、沉積在光學(xué)玻璃片上的金膜厚度為300nm的金膜，空氣隙d＝1mm。
第二步將雙面金屬包覆波導(dǎo)結(jié)構(gòu)安裝在光學(xué)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的上轉(zhuǎn)盤(pán)，將光電倍增管固定在光學(xué)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的下轉(zhuǎn)盤(pán)，使得激光器和光電倍增管與光波導(dǎo)等高，并且它們關(guān)于雙面金屬包覆波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的中心軸對(duì)稱(chēng)。
第三步入射激光的波長(zhǎng)為832.0nm，測(cè)得金膜的折射率為ε＝-31.32+i2.016。計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)光學(xué)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，使激光光束入射棱鏡的入射角約為9.38°。此時(shí)，能按要求激發(fā)共振吸收峰，并處于導(dǎo)模線性區(qū)的下降沿。入射光為橫電波。
第四步當(dāng)光學(xué)玻璃片受到外力時(shí)，測(cè)量從棱鏡和金屬膜界面反射激光的光強(qiáng)，數(shù)據(jù)處理得到光學(xué)玻璃片相對(duì)棱鏡的位移。
根據(jù)計(jì)算表明當(dāng)棱鏡與玻璃片的間距為1.0×10-3米時(shí)，對(duì)位移的測(cè)量可達(dá)到1.0×10-11m(反射光強(qiáng)度變化約為0.2％)，當(dāng)光學(xué)玻璃片與棱鏡之間的間距發(fā)生改變時(shí)，反射光強(qiáng)的變化如下表所示

權(quán)利要求
1.一種微位移的平面光波導(dǎo)測(cè)量方法，其特征在于，將激光器發(fā)射的激光入射到棱鏡上，當(dāng)滿(mǎn)足耦合條件后，光進(jìn)入由沉積在棱鏡上的金屬膜、空氣隙、沉積在光學(xué)玻璃片上的金屬膜構(gòu)成的雙面金屬包覆波導(dǎo)中，利用反射光隨空氣隙即空氣導(dǎo)波層厚度的改變而變化極為敏感的特性，從棱鏡底面反射的光強(qiáng)隨著光學(xué)玻璃片與棱鏡的間距改變而變化，通過(guò)檢測(cè)反射光強(qiáng)度的變化量，來(lái)測(cè)量光學(xué)玻璃片相對(duì)與棱鏡位置的改變，從而得到待測(cè)物體位移大小。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微位移的平面光波導(dǎo)測(cè)量方法，其特征是，通過(guò)以下步驟對(duì)其進(jìn)一步限定第一步選用材料及參數(shù)，形成沉積在棱鏡上的金屬膜、空氣隙、沉積在光學(xué)玻璃片上的金屬膜構(gòu)成的雙面金屬包覆波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，在拋光后的棱鏡和光學(xué)玻璃片上濺射鍍金屬膜，光波導(dǎo)微位移傳感器由鍍上金屬膜后的光學(xué)玻璃片和棱鏡通過(guò)支撐架組裝而成，其中光學(xué)玻璃片和棱鏡之間有一個(gè)空氣隙即空氣導(dǎo)波層；第二步將雙面金屬包覆波導(dǎo)結(jié)構(gòu)固定在光學(xué)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的上轉(zhuǎn)盤(pán)，并使得光學(xué)玻璃片的底面經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的中心，將光電探測(cè)器固定在光學(xué)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的下轉(zhuǎn)盤(pán)上，使得激光器與光電探測(cè)器與光波導(dǎo)等高，并且它們關(guān)于雙面金屬包覆波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中心軸對(duì)稱(chēng)；第三步選擇激光波長(zhǎng)、入射角度以及偏振方法，激光光源的工作波長(zhǎng)在560nm～832nm范圍內(nèi)選擇，激光器輸出的激光束以一定的入射角度入射到棱鏡上，入射角的選擇要求在能激發(fā)共振吸收峰的范圍內(nèi)，并處于吸收峰的下降沿，偏振方式選擇TE?；騎M模，通常選擇TM模，同時(shí)調(diào)節(jié)小孔使得入射光束的光斑較?。坏谒牟疆?dāng)光學(xué)玻璃片受到外力時(shí)，測(cè)量從棱鏡和金屬膜界面反射激光的光強(qiáng)，根據(jù)反射光強(qiáng)的變化實(shí)時(shí)計(jì)算得到待測(cè)物體的位移。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微位移的平面光波導(dǎo)測(cè)量方法，其特征是，金屬膜選用金或銀膜，棱鏡上的金屬膜的厚度為30～44nm，光學(xué)玻璃片上的金屬膜厚度100~300nm，空氣導(dǎo)波層厚度為0.01mm～1mm。
全文摘要
一種微位移的平面光波導(dǎo)測(cè)量方法，將激光器發(fā)射的激光入射到棱鏡，當(dāng)滿(mǎn)足耦合條件后，光進(jìn)入由沉積在棱鏡上的金屬膜、空氣隙、沉積在光學(xué)玻璃片上的金屬膜構(gòu)成的雙面金屬包覆波導(dǎo)中，利用反射光隨空氣隙即空氣導(dǎo)波層厚度的改變而變化極為敏感的特性，從棱鏡底面反射的光強(qiáng)隨著光學(xué)玻璃片與棱鏡的間距改變而變化，通過(guò)檢測(cè)反射光強(qiáng)度的變化量，來(lái)測(cè)量光學(xué)玻璃片相對(duì)與棱鏡位置的改變，從而得到待測(cè)物體位移大小。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于大壩、建筑物、地殼的微位移測(cè)量。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)高靈敏度、快速的實(shí)時(shí)測(cè)量，并且測(cè)量方法非常簡(jiǎn)單。
文檔編號(hào)G01D5/26GK1645039SQ20051002345
公開(kāi)日2005年7月27日 申請(qǐng)日期2005年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月20日
發(fā)明者陳凡, 曹莊琪, 沈啟舜, 鄧曉旭, 馮耀軍 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)