一種基于微納光纖與襯底之間光干涉的弱力測量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種基于微納光纖與襯底之間光干涉的弱力測量系統(tǒng)，包括相機、顯微鏡、激光器、襯底、壓電陶瓷、光源、U形架、微納光纖、光電探測器和控制系統(tǒng)，所述壓電陶瓷與控制系統(tǒng)連接；所述U形架用于封裝微納光纖；所述微納光纖放置于光源的下方，一端與激光器連接，另一端與光電探測器連接，在激光器的作用下，微納光纖上出現微弱光力，微弱光力會導致微納光纖產生變形，進而產生橫向位移，從而導致微納光纖表面的彩色干涉條紋產生移動，通過相機以及顯微鏡可以觀察到微納光纖表面的彩色干涉條紋；所述光電探測器用于檢測激光器發(fā)出的光功率；所述襯底放置于微納光纖下方壓電陶瓷上方，所述光源從上方垂直照射微納光纖和襯底。
【專利說明】
一種基于微納光纖與襯底之間光干涉的弱力測量系統(tǒng)
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及微弱力測量領域，具體涉及一種基于微納光纖與襯底之間光干涉的弱力測量系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]隨著現代科學技術的發(fā)展，微機電系統(tǒng)(MEMS)中微尺度下構件的力學特性研究、微觀摩擦現象觀測、微傳感微機器人微裝配中微弱力監(jiān)測、液體表面張力分析、薄膜與纖維力學性能研究、生物芯片以及生物體微組織力測量等，都需要對微小力值進行測量。高精度、高線性度與非破壞性的弱力測量技術有著越來越重要的應用。
[0003]現有的力值測量技術有多種:第一種是基于懸臂梁結構制作的微弱力測量傳感器，如申請?zhí)枮?00510023641的中國發(fā)明專利所述;第二種是用測量電壓方法測量微弱力，如申請?zhí)枮?00910023227的中國發(fā)明專利所述;第三種是利用杠桿原理多級放大的方法測量微弱力，如申請?zhí)枮?01110212459的中國發(fā)明專利所述;上面所述的三種方法所測量的微弱力量級大都在微牛(1-6N)量級。如今納米技術和微機電技術發(fā)展迅速，對微弱力的測量提出了更高的要求，現有技術已不能滿足。
【發(fā)明內容】
[0004]本發(fā)明的目的是解決現有技術的瓶頸，提供一種可以將微弱力測量的靈敏度提高至IJ到飛牛(10—15N)的量級的弱力測量系統(tǒng)，采用的技術方案如下:
[0005]—種基于微納光纖與襯底之間光干涉的弱力測量系統(tǒng)，包括相機、顯微鏡、激光器、襯底、壓電陶瓷、光源、U形架、微納光纖、光電探測器和控制系統(tǒng)，所述壓電陶瓷與控制系統(tǒng)連接，在控制系統(tǒng)的控制下實現精細地移動;所述U形架用于封裝微納光纖;所述微納光纖放置于光源的下方，一端與激光器連接，另一端與光電探測器連接，在激光器的作用下，微納光纖上出現微弱光力，微弱光力會導致微納光纖產生變形，進而產生橫向位移，從而導致微納光纖表面的彩色干涉條紋產生移動，通過相機以及顯微鏡可以觀察到微納光纖表面的彩色干涉條紋;所述光電探測器用于檢測激光器發(fā)出的光功率;所述襯底放置于微納光纖下方壓電陶瓷上方，所述光源從上方垂直照射微納光纖和襯底。
[0006]作為優(yōu)選，微納光纖與襯底之間的初始間距為Ομπι?3μηι。
[0007]本發(fā)明中，微納光纖與玻璃襯底均放置于帶有同軸光源的下方，并調節(jié)光源的亮度和壓電陶瓷電壓，調節(jié)襯底與微納光纖的距離為Ομπι?3μπι，以便可以從CCD相機觀察到彩色干涉條紋。將微納光纖一端接入激光器，另外一端接入光電探測器以便實時檢測光功率。
[0008]作為優(yōu)選，所述微納光纖和襯底的上表面之間存在一個夾角θ，θ的范圍是0°?10。。
[0009 ]作為優(yōu)選，所述微納光纖與襯底之間產生干涉的有效區(qū)域長度為I Ομπι?I ΟΟΟμπι。
[0010]本發(fā)明中，作用長度是指微納光纖與襯底可以有效產生干涉條紋的長度。
[0011]作為優(yōu)選，所述微納光纖包括五個區(qū)域，依次為第一普通標準單模光纖區(qū)域、第一錐形過渡區(qū)域、微納光纖區(qū)域、第二錐形過渡區(qū)域、第二普通標準單模光纖區(qū)域，其中，微納光纖區(qū)域的光纖直徑為0.2μπ??3μ??。
[0012]作為優(yōu)選，所述微納光纖由圓形普通光纖拉制而成，長度為Imm?6cm。拉制時可采用明火或其它熱源加熱。
[0013]作為優(yōu)選，所述襯底為楔形玻璃襯底，其頂角為銳角。
[0014]作為優(yōu)選，所述壓電陶瓷通過壓電陶瓷驅動器與控制系統(tǒng)連接。
[00?5] 作為優(yōu)選，所述光源為白光光源，所述白光光源的波長范圍在300nm-l OOOnm。
[0016]作為優(yōu)選，所述U型架中間懸空，懸空長度為1mm?35mm，以達到封裝微納光纖的目的。
[0017]作為優(yōu)選，所述U型架包括一塊普通玻片和兩塊由普通玻片從中點切割而成的半玻片，所述兩塊半玻片固定在所述普通玻片的兩端，所述兩塊半玻片的長邊與所述普通玻片的長邊成90度直角，并使用紫外膠浸潤固化法將微納光纖固定在U型架上。
[0018]本發(fā)明中，在制作好的U型架兩臂上滴兩滴半球狀紫外膠，將微納光纖浸潤后使用紫外燈照射紫外膠使其固化。
[0019]本發(fā)明的基本原理是:微納光纖在微弱的外力作用下會產生形變，產生橫向位移，從而導致微納光纖表面的彩色干涉條紋產生移動，而彩色干涉條紋的移動量跟微納光纖的橫向位移之間存在線性關系。本發(fā)明先測量出微納光纖橫向位移與彩色干涉條紋移動量之間的線性關系，然后可以通過測量彩色條紋的移動量來間接測量微納光纖的橫向納米位移，最后測出微弱力的大小。
[0020]與現有技術相比，本發(fā)明的有益效果:
[0021]1、測量的靈敏度大大提高，將微弱力測量的靈敏度提高到到飛牛(10—15N)的量級。
[0022]2、使用光干涉法，使本發(fā)明具有非接觸，高靈敏度的特點。
[0023]3、與測量微弱力常用的原子力顯微鏡相比，本發(fā)明的成本更低。
【附圖說明】
[0024]圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結構示意圖；
[0025]圖2是本發(fā)明的微納光纖的五個區(qū)域的示意圖；
[0026]圖3是本發(fā)明的楔形玻璃襯底示意圖；
[0027]圖4是實施例1的微弱光力測量結果示意圖；
[0028]圖5是實施例2的微弱光力測量結果示意圖；
[0029]圖6是實施例3的微弱光力測量結果示意圖。
【具體實施方式】
[0030]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明。
[0031]實施例1:
[0032]如圖1所示，一種基于微納光纖與襯底之間光干涉的弱力測量系統(tǒng)，包括相機1、顯微鏡2、激光器3、襯底4、壓電陶瓷5、光源6、U形架7、微納光纖8、光電探測器9和控制系統(tǒng)1，所述壓電陶瓷5與控制系統(tǒng)10連接，在控制系統(tǒng)10的控制下實現精細地移動;所述U形架7用于封裝微納光纖8;所述微納光纖8放置于光源6的下方，一端與激光器3連接，另一端與光電探測器9連接，在激光器3的作用下，微納光纖8上出現微弱光力，微弱光力會導致微納光纖8產生變形，進而產生橫向位移，從而導致微納光纖表面的彩色干涉條紋產生移動，通過相機I以及顯微鏡2可以觀察到微納光纖表面的彩色干涉條紋;所述光電探測器9檢測激光器3發(fā)出的光功率;所述襯底4放置于微納光纖8下方壓電陶瓷5上方，所述光源6從上方垂直照射微納光纖8和襯底4。
[0033]微納光纖8與襯底4之間的初始間距為Ομπι?3μπι。
[0034]本發(fā)明中，微納光纖與玻璃襯底均放置于帶有同軸光源的下方，并調節(jié)光源的亮度和壓電陶瓷電壓，調節(jié)襯底與微納光纖的距離為Ομπι?3μπι，以便可以從CCD相機觀察到彩色干涉條紋。將微納光纖一端接入激光器，另外一端接入光電探測器以便時時檢測光功率。
[0035]所述微納光纖8和襯底4的上表面之間存在一個夾角θ，θ的范圍是0°?10°。
[0036]所述微納光纖8與襯底4之間的白光干涉有效區(qū)域長度為ΙΟμπι?ΙΟΟΟμπι。
[0037]如圖2所示，所述微納光纖8包括五個區(qū)域，依次為第一普通標準單模光纖區(qū)域51、第一錐形過渡區(qū)域52、微納光纖區(qū)域53、第二錐形過渡區(qū)域54、第二普通標準單模光纖區(qū)域55，其中，微納光纖區(qū)域53的光纖直徑為0.2μπι?3μπι。
[0038]所述微納光纖8由圓形普通光纖拉制而成，長度為Imm?6cm。
[0039]如圖3所示，所述襯底4為楔形玻璃襯底，其頂角α為銳角。
[0040]所述壓電陶瓷5通過壓電陶瓷驅動器與控制系統(tǒng)10連接。
[0041 ] 所述光源6為白光光源，所述白光光源的波長范圍在300nm-1000nmo
[0042]所述U型架7中間懸空，懸空長度為Imm?35mm，以達到封裝微納光纖8的目的。
[0043]所述U型架7包括一塊普通玻片和兩塊由普通玻片從中點切割而成的半玻片，所述兩塊半玻片固定在所述普通玻片的兩端，所述兩塊半玻片的長邊與所述普通玻片的長邊成90度直角，并使用紫外膠浸潤固化法將微納光纖固定在U型架上。
[0044]本實施例中，在制作好的U型架兩臂上滴兩滴半球狀紫外膠，將微納光纖浸潤后使用紫外燈照射紫外膠使其固化。
[0045]本實施例中，微納光纖區(qū)域53的直徑為0.86ym，U型架7中間懸空長度為25_，微納光纖與玻璃襯底之間的夾角為0.65°，微納光纖與楔形玻璃襯底之間的作用長度為60μηι，通過測量，可以測量出在不同栗浦光功率下的在微納光纖上出現的光力，其結果如附圖4所示。由圖4可見，利用本系統(tǒng)可以測量出不同光功率下微納光纖上飛牛量級的力。
[0046]實施例2:
[0047]與實施例1不同的是，微納光纖區(qū)域53的直徑為1.8ym，U型架7中間懸空長度為25mm，微納光纖與玻璃襯底的夾角為0.84°，微納光纖與玻璃襯底之間的作用長度為60μπι。通過實驗測量出波長為1458nm的栗浦激光在不同光功率下在微納光纖上產生的光力，其結果如附圖5所示。
[0048]實施例3:
[0049]與實施例1不同的是，微納光纖區(qū)域53的直徑為2.3ym，U型架中間懸空長度為25mm，微納光纖與玻璃襯底的夾角為2.2°，微納光纖與玻璃襯底之間的作用長度為60μπι。通過實驗測量出波長為1458nm的栗浦激光在不同光功率下在微納光纖上產生的光力，其結果如附圖6所示。
【主權項】
1.一種基于微納光纖與襯底之間光干涉的弱力測量系統(tǒng)，其特征在于，包括相機、顯微鏡、激光器、襯底、壓電陶瓷、光源、U形架、微納光纖、光電探測器和控制系統(tǒng)，所述壓電陶瓷與控制系統(tǒng)連接，在控制系統(tǒng)的控制下實現精細地移動;所述U形架用于封裝微納光纖;所述微納光纖放置于光源的下方，一端與激光器連接，另一端與光電探測器連接，所述相機以及顯微鏡用于觀察到微納光纖表面的彩色干涉條紋;所述光電探測器用于檢測激光器發(fā)出的光功率;所述襯底放置于微納光纖下方壓電陶瓷上方，所述光源從上方垂直照射微納光纖和襯底。2.根據權利要求1所述的一種基于微納光纖與襯底之間光干涉的弱力測量系統(tǒng)，其特征在于，微納光纖與襯底之間的初始間距為Ομπι?1.71 μπι。3.根據權利要求1所述的一種基于微納光纖與襯底之間光干涉的弱力測量系統(tǒng)，其特征在于，所述微納光纖和襯底的上表面之間存在一個夾角θ，θ的范圍是0°?10°。4.根據權利要求1所述的一種基于微納光纖與襯底之間光干涉的弱力測量系統(tǒng)，其特征在于，所述微納光纖與襯底之間的作用長度為I Ομπι?I OOOym。5.根據權利要求1所述的一種基于微納光纖與襯底之間光干涉的弱力測量系統(tǒng)，其特征在于，所述微納光纖包括五個區(qū)域，依次為第一普通標準單模光纖區(qū)域、第一錐形過渡區(qū)域、微納光纖區(qū)域、第二錐形過渡區(qū)域、第二普通標準單模光纖區(qū)域，其中，微納光纖區(qū)域的光纖直徑為0.4μπι?3μπι。6.根據權利要求1所述的一種基于微納光纖與襯底之間光干涉的弱力測量系統(tǒng)，其特征在于，所述微納光纖由圓形普通光纖拉制而成，長度為3cm?6cm。7.根據權利要求1所述的一種基于微納光纖與襯底之間光干涉的弱力測量系統(tǒng)，其特征在于，所述襯底為楔形玻璃襯底，其頂角為銳角。8.根據權利要求1所述的一種基于微納光纖與襯底之間光干涉的弱力測量系統(tǒng)，其特征在于，所述光源為白光光源，所述白光光源的波長范圍在300nm-1000nmo9.根據權利要求1所述的一種基于微納光纖與襯底之間光干涉的弱力測量系統(tǒng)，其特征在于，所述U型架中間懸空，懸空長度為Imm?35mm，以達到封裝微納光纖的目的。10.根據權利要求1所述的一種基于微納光纖與襯底之間光干涉的弱力測量系統(tǒng)，其特征在于，所述U型架包括一塊普通玻片和兩塊由普通玻片從中點切割而成的半玻片，所述兩塊半玻片固定在所述普通玻片的兩端，所述兩塊半玻片的長邊與所述普通玻片的長邊成90度直角，并使用紫外膠浸潤固化法將微納光纖固定在U型架上。
【文檔編號】G01L1/24GK106052910SQ201610248473
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年4月20日
【發(fā)明人】余健輝, 陳哲, 邱偉洽, 黃漢凱, 關賀元, 盧惠輝
【申請人】暨南大學