[发明专利]一种光学回音壁式微型谐振腔的振动测量方法及系统

权利要求书

1.一种光学回音壁式微型谐振腔的振动测量方法，其特征在于，所述方法包括：

建立光学回音壁式微型谐振腔系统调至奇异点时的奇异点微腔传感模型；所述光学回音壁式微型谐振腔系统，简称微腔系统，包括光学回音壁式微型谐振腔，简称微腔、第一纳米探针、第二纳米探针、光纤锥、激光器、光电探测器、示波器和偏振片；

所述微腔为微环腔或微盘腔；通过微环腔及光纤锥组成的耦合系统来进行出入光的耦合，使用两个二氧化硅纳米探针，包括第一纳米探针和第二纳米探针作为瑞利散射粒子，调整两个纳米探针的相对位置及有效尺寸来将微腔系统调至奇异点；用纳米探针作为散射粒子来调制微腔状态到奇异点时，是通过改变纳米尖端与微腔边缘之间的距离，从而改变纳米尖端与微腔模式体积的重叠面积，这个重叠面积的大小为有效尺寸；调节过程具体为：

首先在没有放置纳米探针的情况下从透射谱上找到一个没有明显模式劈裂的共振模式，然后引入两个纳米探针，固定两个纳米探针与微腔边缘的间距值，通过移动其中一个探针的位置来改变二者间的相对位置，直到看到的透射谱上同一共振模式的劈裂现象再次消失，认为微腔系统已到达奇异点状态，将到达奇异点状态的微腔系统称为奇异点微腔系统；

奇异点处本征值与本征向量皆出现简并；向回音壁式微腔引入散射体将其调制至奇异点；腔体受振动影响发生模式劈裂；通过测量奇异点微腔的劈裂值来推算出振动值大小；

所述建立光学回音壁式微型谐振腔系统调至奇异点时的奇异点微腔传感模型，具体包括：

根据公式ω⁽²⁾＝ω⁽⁰⁾+ε₁+ε₂计算所述光学回音壁式微型谐振腔系统中引入散射粒子后奇异点微腔的谐振频率ω⁽²⁾；其中ω⁽⁰⁾是所述光学回音壁式微型谐振腔未引入奇异点时的谐振频率；ε₁是由第一散射粒子引起的扰动量；ε₂是由第二散射粒子引起的扰动量；

根据所述引入散射粒子后奇异点微腔的谐振频率ω⁽²⁾建立所述奇异点微腔传感模型：

其中，H₀为奇异点微腔系统的哈密顿算符；a_cw-ccw表示奇异点微腔固有的从顺时针传播模式到逆时针传播模式的反射光强度，a_ccw-cw表示从逆时针传播模式到顺时针传播模式的反射光强度；

根据所述奇异点微腔传感模型建立奇异点微腔响应振动后的传感模型；所述根据所述奇异点微腔传感模型建立奇异点微腔响应振动后的传感模型，具体包括：

根据公式获得奇异点微腔在受到振动扰动后的第一哈密顿算符H₁；其中s表示奇异点微腔受到的由振动引起的扰动量；β表示扰动量s的方位角度；m是模式方位角的数目；

根据所述第一哈密顿算符H₁和所述奇异点微腔传感模型建立奇异点微腔响应振动后的传感模型为：

H＝H₀+H₁

其中H表示奇异点微腔在受到振动扰动后的第二哈密顿算符；

根据所述奇异点微腔响应振动后的传感模型建立由振动引起的劈裂值与振动扰动量之间的对应关系表达式；所述根据所述奇异点微腔响应振动后的传感模型建立由振动引起的劈裂值与振动扰动量之间的对应关系表达式，具体包括：

获取所述第二哈密顿算符H的第一矩阵本征值对应的实部ω⁺；

获取所述第二哈密顿算符H的第二矩阵本征值对应的实部ω^-；

根据所述第一矩阵本征值对应的实部ω⁺和所述第二矩阵本征值对应的实部ω^-建立由振动引起的劈裂值与振动扰动量之间的对应关系表达式：

其中Δω为奇异点微腔的劈裂值的复数形式；

根据所述对应关系表达式确定所述光学回音壁式微型谐振腔的振动测量方程；所述根据所述对应关系表达式确定所述光学回音壁式微型谐振腔的振动测量方程，具体包括：

当待测振动极微弱时，|a_cw-ccw|＞＞|s|，根据所述对应关系表达式确定所述光学回音壁式微型谐振腔的振动测量方程为：

其中y表示待测振动值，k表示标度因数；标度因数只与所采用微腔本身的结构特性有关，在测量中保持不变；

根据所述振动测量方程计算待测振动值。

2.一种光学回音壁式微型谐振腔的振动测量系统，其特征在于，所述系统包括：

奇异点微腔传感模型建立模块，用于建立光学回音壁式微型谐振腔系统调至奇异点时的奇异点微腔传感模型；所述光学回音壁式微型谐振腔系统，简称微腔系统，包括光学回音壁式微型谐振腔，简称微腔、第一纳米探针、第二纳米探针、光纤锥、激光器、光电探测器、示波器和偏振片；

所述微腔为微环腔或微盘腔；通过微环腔及光纤锥组成的耦合系统来进行出入光的耦合，使用两个二氧化硅纳米探针，包括第一纳米探针和第二纳米探针作为瑞利散射粒子，调整两个纳米探针的相对位置及有效尺寸来将微腔系统调至奇异点；用纳米探针作为散射粒子来调制微腔状态到奇异点时，是通过改变纳米尖端与微腔边缘之间的距离，从而改变纳米尖端与微腔模式体积的重叠面积，这个重叠面积的大小为有效尺寸；调节过程具体为：

首先在没有放置纳米探针的情况下从透射谱上找到一个没有明显模式劈裂的共振模式，然后引入两个纳米探针，固定两个纳米探针与微腔边缘的间距值，通过移动其中一个探针的位置来改变二者间的相对位置，直到看到的透射谱上同一共振模式的劈裂现象再次消失，认为微腔系统已到达奇异点状态，将到达奇异点状态的微腔系统称为奇异点微腔系统；

奇异点处本征值与本征向量皆出现简并；向回音壁式微腔引入散射体将其调制至奇异点；腔体受振动影响发生模式劈裂；通过测量奇异点微腔的劈裂值来推算出振动值大小；

所述奇异点微腔传感模型建立模块具体包括：

谐振频率计算单元，用于根据公式ω⁽²⁾＝ω⁽⁰⁾+ε₁+ε₂计算所述光学回音壁式微型谐振腔系统中引入散射粒子后奇异点微腔的谐振频率ω⁽²⁾；其中ω⁽⁰⁾是所述光学回音壁式微型谐振腔未引入奇异点时的谐振频率；ε₁是由第一散射粒子引起的扰动量；ε₂是由第二散射粒子引起的扰动量；

奇异点微腔传感模型建立单元，用于根据所述引入散射粒子后奇异点微腔的谐振频率ω⁽²⁾建立所述奇异点微腔传感模型：

其中，H₀为奇异点微腔系统的哈密顿算符；a_cw-ccw表示奇异点微腔固有的从顺时针传播模式到逆时针传播模式的反射光强度，a_ccw-cw表示从逆时针传播模式到顺时针传播模式的反射光强度；

响应振动传感模型建立模块，用于根据所述奇异点微腔传感模型建立奇异点微腔响应振动后的传感模型；所述响应振动传感模型建立模块具体包括：

第一哈密顿算符获取单元，用于根据公式获得奇异点微腔在受到振动扰动后的第一哈密顿算符H₁；其中s表示奇异点微腔受到的由振动引起的扰动量；β表示扰动量s的方位角度；m是模式方位角的数目；

响应振动传感模型建立单元，用于根据所述第一哈密顿算符H₁和所述奇异点微腔传感模型建立奇异点微腔响应振动后的传感模型为：

H＝H₀+H₁

其中H表示奇异点微腔在受到振动扰动后的第二哈密顿算符；

对应关系表达式建立模块，用于根据所述奇异点微腔响应振动后的传感模型建立由振动引起的劈裂值与振动扰动量之间的对应关系表达式；所述对应关系表达式建立模块具体包括：

第一实部获取单元，用于获取所述第二哈密顿算符H的第一矩阵本征值对应的实部ω⁺；

第二实部获取单元，用于获取所述第二哈密顿算符H的第二矩阵本征值对应的实部ω^-；

对应关系表达式建立单元，用于根据所述第一矩阵本征值对应的实部ω⁺和所述第二矩阵本征值对应的实部ω^-建立由振动引起的劈裂值与振动扰动量之间的对应关系表达式：

其中Δω为奇异点微腔的劈裂值的复数形式；

振动测量方程确定模块，用于根据所述对应关系表达式确定所述光学回音壁式微型谐振腔的振动测量方程；所述振动测量方程确定模块具体包括：

振动测量方程确定单元，用于当待测振动极微弱时，|a_cw-ccw|＞＞|s|，根据所述对应关系表达式确定所述光学回音壁式微型谐振腔的振动测量方程：

其中y表示待测振动值，k表示标度因数；标度因数只与所采用微腔本身的结构特性有关，在测量中保持不变；

待测振动值计算模块，用于根据所述振动测量方程计算待测振动值。