[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

说明书

本发明公开了一种光学回音壁式微型谐振腔的振动测量方法及系统。所述方法及系统通过将光学回音壁式微型谐振腔调至奇异点，获得奇异点微腔系统的振动测量方程，所述振动测量方程中，待测振动与奇异点微腔的劈裂值的平方成正比，即奇异点微腔受到振动扰动产生的劈裂值与振动扰动量的平方根成正比。不同于目前基于传统微腔的传感机制获得的振动值与劈裂值呈一次线性关系的情况，本发明中奇异点微腔受到振动扰动产生的劈裂值与待测振动值的平方根成正比，因此本发明提供的方法和系统在受到较小振动时可以得到较大的劈裂值，大大提高了测量较小振动时的灵敏度，从而能够实现对微弱振动的准确测量，拓宽了待测振动值的测量范围。

技术领域

本发明涉及光学微纳传感技术领域，特别是涉及一种光学回音壁式微型谐振腔的振动测量方法及系统。

背景技术

光学回音壁式(Whispering Gallery Mode，WGM)微型谐振腔是一种特殊的光学谐振腔，其尺寸在微米量级或者亚微米量级，通过光在微腔界面内连续发生全反射形成满足一定条件的稳定传播模式，从而将谐振光场局限在腔内。光学回音壁式微腔具有品质因子高、模式体积小、集成方便的显著特点，在微纳传感领域有着广阔的应用前景。

光学回音壁式微腔的透射谱理论上呈单谐振峰的洛伦兹曲线，但在实际情况中，当腔体表面或周围存在散射粒子就会引起背向散射，背向散射导致顺逆时针光发生模式耦合，解除简并，产生频率不同的两个新的谐振模式，即透射谱中的单谐振峰分裂为两个独立的谐振峰，这种现象称为模式劈裂，两种新模式之间的频率差称为劈裂值。模式劈裂的本质为散射引起腔内光场进行二次分布，当外界给予微腔一个振动扰动时，根据劈裂值与扰动量间的线性变化关系可以推算出振动值。但由于这种方式中劈裂值与振动值呈正比关系，因此在振动极微弱的情况下，对应的劈裂值较小，灵敏度过低从而产生测量死区，限制了测量范围。

发明内容

本发明的目的是提供一种光学回音壁式微型谐振腔的振动测量方法及系统，能够实现对微弱振动的测量，提高了振动测量的灵敏度，扩大了测量范围。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种光学回音壁式微型谐振腔的振动测量方法，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；

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；

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；

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；

根据所述振动测量方程计算待测振动值。

可选的，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。