[发明专利]一种使用保偏光纤和双微透镜测量纳米线位移的装置

说明书

本发明公开了一种使用保偏光纤和双微透镜测量纳米线位移的装置，由激光二极管产生的线偏振光从光纤耦合器的输入端的一条臂进入光纤耦合器，输出的10%的激光依次通过光纤耦合器的输出端的一条臂和双微透镜结构后形成具有极小束腰半径的高斯光束，将高斯光束中的纳米线定位在束腰半径处获得最佳的探测效果，所述的光电探测器与光纤耦合器的输入端的另一条臂连接，所述的光纤耦合器的输出端的另一条臂与浸入在液浸装置中。本发明利用保偏光纤和双微透镜结构，大幅提高了探测的信噪比和信号稳定性，同时得益于双微透镜的参数匹配，减小了出射高斯光束的束腰半径，提高了探测的空间分辨率。

技术领域

本发明涉及量子光学技术领域，尤其涉及一种使用保偏光纤和双微透镜测量纳米线位移的装置。

背景技术

利用激光的干涉效应可以对纳米线等微小样品的位移和振动进行精密的测量，因此已经被广泛的应用于微纳机电系统中，在微小质量传感、灵敏力探测以及生物医药等领域都发挥着重要作用。相比于自由空间，利用光纤全内反射传输激光可以获得更好的出射高斯光束模式和更小的光斑直径(约几微米)，特别适合研究微纳尺寸样品。除此之外，光纤具有可弯曲、损耗小和抗电磁干扰等优点，有助于获得稳定可靠，低维护成本的实验条件。

已有的普通光纤主要分为单模光纤和多模光纤，其中单模光纤作为光的波导，只允许坡印廷矢量与光纤轴向平行的单一模式在其中传输，因此与多模光纤相比具有更小的色散，这意味着更高的带宽和更远的传输距离，因此不仅在通讯领域应用广泛，目前的光纤干涉仪也都采用单模光纤进行测量。但随着研究的不断深入，已有单模光纤的性能已经越来越难以符合探测要求，更高灵敏度的光纤干涉仪的设计已成为一个迫切需要。

利用激光的偏振状态可以显著提高测量灵敏度。普通激光器产生的是非偏振光，单模光纤允许单一模式通过，但对偏振方向并不敏感，光纤中随机的双折射或者光纤的弯曲，都会改变光的偏振方向，因此出射光的偏振方向也是随机的。光纤干涉仪收集的除了纳米线表面反射的光还包括环境的光信号，即背景噪音。由于单模光纤的特点，这些不同偏振方向的信号都能够通过光纤被接收，从而提高了噪音水平，测得的信号也会变得不稳定，这些都会影响光纤干涉仪的探测灵敏度。更重要的是，当纳米线的直径小于或与光斑大小可比时，偏振方向与纳米线垂直的激光的散射效率会变得非常低，影响测量信号的强度，而偏振方向与纳米线平行的激光则几乎不受影响，因此使用线偏振激光探测纳米线的位移将显著提高灵敏度。

与探测灵敏度有关的另一个特征参数是出射高斯光束的束腰半径，它直接关系到光纤干涉仪的空间分辨率，是探测微纳尺度样品的基本参数，只有当空间分辨率参数接近或小于纳米线的尺寸时，探测其位移或振动才变得可行。直接从单模光纤出射的高斯光束束腰半径较大，可以利用参数匹配的微透镜进一步减小。除此之外，在光纤前端加装微透镜也能明显增大系统的数值孔径，是提高探测光强和信噪比的重要手段。

发明内容

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种使用保偏光纤和双微透镜测量纳米线位移的装置。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种使用保偏光纤和双微透镜测量纳米线位移的装置，包括有高斯光束中的纳米线、双微透镜结构、液浸装置、保偏光纤耦合器、带保偏尾纤的法布里-珀罗激光二极管以及光电探测器，其中光纤耦合器的四个臂、激光二极管的出射尾纤和光电探测器的输入端光纤均为保偏光纤，由激光二极管产生的线偏振光从光纤耦合器的输入端的一条臂进入光纤耦合器，输出的10％的激光依次通过光纤耦合器的输出端的一条臂和双微透镜结构后形成具有极小束腰半径的高斯光束，将高斯光束中的纳米线定位在束腰半径处获得最佳的探测效果，所述的光电探测器与光纤耦合器的输入端的另一条臂连接，所述的光纤耦合器的输出端的另一条臂与浸入在液浸装置中。通过控制包含在纳米线固定部件中的纳米精度位移台，可以得到光电探测器测量光强与纳米线位置的关系，从而可以确定纳米线的相对位移。此外，对测量光强进行频谱分析得到的功率谱密度函数可以给出纳米线振动幅度和角度的信息。