[发明专利]一种基于近场光学谐振腔的面外位移传感单元及方法

说明书

本发明公开了一种基于近场光学谐振腔的面外位移传感单元及方法，属于位移传感领域。所述面外位移传感单元包括一个激光器、一个分光棱镜、一个光电探测器、一个由可动亚波长硅光栅、硅基底和覆盖在两者上的错位亚波长银膜构成的近场光学谐振腔；本发明结合严格耦合波分析法和遗传算法优化得到了近场光学谐振腔的最优参数，使得从谐振腔出射的反射光强对可动亚波长硅光栅的面外位移非常敏感，并且对其面内位移相对不敏感。本发明设计的面外位移传感单元不仅拥有超越已报道位移传感单元的超高灵敏度，并且将多层可动光栅简化为了双层金属，使得结构相对简单，加工难度大大降低，因此可实现超高精度、高度集成的面外位移测量。

技术领域

本发明属于位移传感单元领域，具体涉及一种基于近场光学谐振腔的面外位移传感单元及方法。

背景技术

目前的光学位移测量通常是基于标量衍射理论的，包括光学干涉测量、光学衍射测量及衍生出的各种测量方式。但是基于标量衍射理论的位移检测，因为存在光的衍射极限，测量精度受光波长的限制。虽然通过外差干涉、调制解调等方式可以将位移测量分辨率提升至亚纳米甚至皮米量级，但是各种细分方式的引入不仅会增加位移测量系统的复杂度和成本，并且对理论灵敏度和精度极限的提升并无帮助。

利用表面等离激元和近场光学谐振等手段实现的位移测量，由于微结构尺寸一般小于光波长，并且电磁场作用发生在近场范围内，因此标量衍射理论已不适用。拓展至矢量衍射范畴的这些位移测量方式，测量精度不受光波长的限制，往往可达皮米甚至是飞米量级[Chan H B,Marcet Z,Woo K,et al.Optical transmission through double-layermetallic subwavelength slit arrays[J].Optics letters,2006,31(4):516-518.]。但是，现有的近场光学谐振腔通常是由多层金属和多层介质材料组成的多层膜结构，不仅包含多种材料，而且结构相对复杂。例如美国Sandia国家实验室设计的纳光机电系统位移传感器[KEELER B E N,BOGART G R,CARR D W.Laterally deformable optical NEMSgrating transducers for inertial sensing applications；proceedings of theNanofabrication:Technologies,Devices,and Applications,F,2005[C].]，由两组可动纳米光栅、空气间隙和介质吸收层组成，其中可动纳米光栅的材料为无定形金刚石，介质吸收层的材料为二氧化硅和氮化硅；王晨等人提出的光栅组位移传感器拥有类似的结构，不过其可动光栅的材料为单晶硅，尽管简化了部分设计，但是其对部分工艺参数敏感，加工难度很高，并且光学位移灵敏度最高仅为2％/mg左右[WANG C,LU Q,BAI J,et al.Highlysensitive lateral deformable optical MEMS displacement sensor:anomalousdiffraction studied by rigorous coupled-wave analysis[J].Appl Optics,2015,54(30):8935-43.]；又比如美国南佛罗里达大学的Rogers等人设计的亚波长光栅组式位移传感器，由一个硅光栅和一个玻璃光栅组成，结构相对简单，但是该传感器将两个亚波长光栅等效为一个周期大于光波长的衍射光栅，因此未跳出标量衍射理论的范畴，光学位移灵敏度仅为0.5％/mg，未达到超灵敏的位移测量的要求[ROGERS A A A,KEDIA S,SAMSON S,etal.Verification of evanescent coupling from subwavelength grating pairs[J].Applied Physics B-Lasers and Optics,2011,105(4):833-7.]；发明人先前设计的面内位移传感单元，结构简单、加工便利，但是光学位移灵敏度在2％/mg左右，相较于其他的近场光学谐振腔方案提升不大[LU Q,BAI J,WANG K,et al.Single chip-based nano-optomechanical accelerometer based on subwavelength grating pair and rotatedserpentine springs[J].Sensors,2018,18(7):2036.]。从原理上看，现有近场光学谐振腔方案尽管已经突破了标量衍射的限制，但最高光学位移灵敏度基本处在2％/mg的量级，仍存在巨大提升空间。