[发明专利]一种基于外置耦合光栅谐振腔的高精度测量装置

说明书

本发明涉及微观粒子几何尺寸的精密测量装置，具体是一种基于外置耦合光栅谐振腔的高精度测量装置。本发明解决了现有微观粒子几何尺寸的精密测量装置成本高、耦合效率低、加工难度大的问题。一种基于外置耦合光栅谐振腔的高精度测量装置，包括光源、第一光纤、光学光谱分析仪、第二光纤、纳米锥形光学光纤、外置耦合光栅；其中，纳米锥形光学光纤的一端通过第一光纤与光源的输出端连接，另一端通过第二光纤与光学光谱分析仪的输入端连接；外置耦合光栅水平镶嵌于纳米锥形光学光纤的下侧，且外置耦合光栅的中心光腔对应于纳米锥形光学光纤的腰部中央。本发明适用于微观粒子几何尺寸的精密测量。

技术领域

本发明涉及微观粒子几何尺寸的精密测量装置，具体是一种基于外置耦合光栅谐振腔的高精度测量装置。

背景技术

对于微观粒子（纳米量级粒子）几何尺寸的精密测量，当前主要是通过光学显微镜或电子显微镜实现的。由于受到衍射极限的限制，每一种显微装置都有其最大精度。光学显微镜的精度当前可以达到200nm，电子显微镜在2KV加速电压下可以达到1.2nm。但是，这两种显微装置都有其固有缺陷，对电子显微镜来说，虽然增加加速电压其精度可以达到很高，但是电子束可能通过碰撞和加热破坏样本，染料的保护则破坏了其本来的形态，另一方面，电子显微镜对样品的要求很苛刻，超薄样品（100纳米以下）制样过程复杂、困难，制样有损伤，由于透射电子显微镜只能观察非常薄的样本，而有可能物质表面的结构与物质内部的结构不同，而且在电子显微镜中样本必须在真空中观察，因此无法观察活样本。对光学显微镜来说，观测时不仅要经过繁复的聚焦过程，而且其精度受到光波长的影响，比如说，当光的波长为400nm时，其精度只能达到200nm，即精度只能达到波长的一半，而且这种观测行为难以避免探针光场对微观粒子状态的扰动，进一步加大了不确定性。在成本方面，具有纳米级分辨率的电子显微镜价格昂贵，例如日本电子株式会社型号为JEM-2100F的电子显微镜市场价格是1500000(美元)，这也限制了其广泛使用。鉴于这两种精密测量装置的缺点，人们需要研究出另一种精密测量手段。答案就是一带有锥形结构的光子晶体纳米光纤，这种装置的精度可以达到1nm。但显现出的问题同样不可小觑，如果在其纳米光纤区域没有加工光学腔，则这种装置的光耦合效率很低，一般仅为22%，这样被观测物的微小变化信息可能就会因其低耦合效率而被忽略。而由于这种光纤材料质地脆弱，如果在其纳米光纤区域制作光腔，极易折断或损伤光纤，这样加工极其困难，增加了制造成本。为使低耦合效率和难加工问题一举解决，本发明提出了一种带光腔的精密测量装置。

发明内容

本发明为了解决现有微观粒子几何尺寸的精密测量装置成本高、耦合效率低、加工难度大的问题，提供了一种基于外置耦合光栅谐振腔的高精度测量装置。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种基于外置耦合光栅谐振腔的高精度测量装置，包括光源、第一光纤、光学光谱分析仪、第二光纤、纳米锥形光学光纤、外置耦合光栅；

其中，纳米锥形光学光纤的一端通过第一光纤与光源的输出端连接，另一端通过第二光纤与光学光谱分析仪的输入端连接；外置耦合光栅水平镶嵌于纳米锥形光学光纤的下侧，且外置耦合光栅的中心光腔对应于纳米锥形光学光纤的腰部中央。

工作时，光源发出的信号光经第一光纤传输至纳米锥形光学光纤。在纳米锥形光学光纤与外置耦合光栅接触的区域内，此装置具有布拉格光栅（短周期光栅）的性质，因此纳米锥形光学光纤导模所经历的有效折射率被外置耦合光栅强烈调制，信号光经过此调制后由第二光纤传输至光学光谱分析仪。由于反射或透射中心波长与介质折射率有关，当微观粒子用一种特殊的镊子固定在纳米锥形光学光纤的表面时，移动外置耦合光栅，反射或透射光的中心波长也会随之变化。通过光学光谱分析仪检测反射或透射中心波长的变化，就可以间接观测被测物几何参数的变化。在此发明中，申请人设计了五种光栅参数，可以达到不同的测量精度，观测者可以根据自身的实验精度，选取需要的光栅参数。