[发明专利]一种基于四区域等线宽相位调制光栅的面外位移传感单元

说明书

本发明一种基于四区域等线宽相位调制光栅的面外位移传感单元，属于位移传感技术领域；包括覆盖在被测物体上的铬膜、二氧化硅基底及覆盖于二氧化硅基底上的铬膜；将被测物体固定于固定外框的内顶面，在被测物体下表面覆盖一层铬膜；二氧化硅基底上表面均分为多个等宽的区域，每四个连续区域为一个单元；通过连接结构将二氧化硅基底水平固定于所述固定外框内的中部，并在二氧化硅基底每个单元的第一区域和第三区域表面覆盖一层铬膜，得到四区域等线宽相位调制光栅，由四区域等线宽相位调制光栅、覆盖在被测物体上的铬膜以及空气间隙构成了新型相位调制光学谐振腔；当空气间隙在每周期的10μm范围内时，该传感单元的面外位移测量灵敏度最高，可达0.25％/nm。

技术领域

本发明属于位移传感技术领域，具体涉及一种基于四区域等线宽相位调制光栅的面外位移传感单元。

背景技术

目前具备高可行性的光学测量单元通常是基于光栅干涉腔的，常见做法是通过电子细分、调制解调或者减小入射激光波长来提升光学位移测量单元的位移-光强灵敏度，但是细分手段会增加传感器的系统复杂度，减小波长则会导致线性范围的下降。

实际上，现有光栅干涉腔因为0级反射光束的存在，超过50％的能量都集中在不可探测的0级中，这造成了能量利用率以及衍射效率和灵敏度的大大降低；同时，0 级光束通常会反射回激光器，影响激光器的工作稳定性；并且，发生干涉的两束衍射光束光强通常不同，导致干涉衍射光束的光强信号无法达到理想对比度。

Degertekin等人从复振幅叠加的标量衍射理论出发，通过制作两个紧挨着的相位相反的光栅实现了正负一级干涉衍射光束光强信号的反相，进而调控了不同干涉衍射级次之间的光强关系[Van Gorp,B.,A.G.Onaran,and F.L.Degertekin,Integrated dualgrating method for extended range interferometric displacement detection inprobe microscopy.Applied Physics Letters,2007.91(8):p.083101.]，但是该方法中的两个光栅相对独立，0级反射光束依然存在，能量利用率并未提高，对干涉衍射光束的对比度更是未有涉及；Hall等人在Degertekin工作的基础上将其中一个相位正交的光栅穿插到另一个光栅中，构建了一整块的二元光栅，光栅的一个周期内拥有四个区域，其中两两相位正交，因此相干光经过光腔后返回的0级光的四种复振幅相干抵消，这样就从原理上消除了0级反射光束[Williams,R.P.,S.K.Hord, and N.A.Hall,Optically read displacementdetection using phase-modulated diffraction gratings with reduced zeroth-order reflections.Applied Physics Letters,2017.110(15):p.151104.]，不过由于高级次干涉衍射光束的存在，正负一级的衍射效率未达到100％，并且由于未对光栅基底和金属的选择做研究，实验得到的干涉衍射光束的光强信号对比度也不理想。美国Sandia国家实验室通过引入静电力反馈的方式动态调控了加速度敏感单元的机械性能，并且使微光学加速度计工作在加速度-光强曲线的斜率最大处，提升了加速度计的测量灵敏度[Hall,N.A.,et al., Micromachined Accelerometers With Optical Interferometric Read-Out and Integrated Electrostatic Actuation.J Microelectromech Syst,2008.17(1):p. 37-44.]，但这种设计相当于仅改进了加速度敏感单元，未消除0级反射光，也未能提升光栅干涉腔的输出信号对比度。冯丽爽等人通过对入射激光引入一个夹角，保证0 级反射光束能够不回到激光器中，一定程度上增加了微光学加速度计的稳定性[Wang, X.,etal.,Sensitivity improvement of micro-grating accelerometer based ondifferential detection method.Applied Optics,2013.52(18):p.4091-4096.]，但是该方法既无法提高有用信号的能量利用率和对比度，还会使得微光学加速度计内部空间局促、装调困难。本团队研究了由于光栅干涉腔的光栅和反射镜不平行导致的灵敏度下降问题，理论和实验表明轻微的不平行会导致干涉衍射光强信号对比度的急剧下降，一种高度对称的结构可以保证光栅干涉腔的平行度[中国发明专利号： 201610331559.1]，但是该结构只能保证对比度和灵敏度不下降，既无法消除0级反射光的负面影响，也无法提升能量利用率。本团队还提出了一种基于近场光学谐振腔的面外位移传感单元及方法[中国发明专利号：201911130641.8]，此类面外位移传感单元尽管拥有很高的灵敏度，但可测量位移范围远小于光栅干涉腔方案，且因其基于表面等离激元耦合原理，传感单元参数设置要求苛刻，光强均集中在0级，测量装置复杂，适用范围不广。