專利名稱：基于嵌入式雙芯pcf的mems多普勒測(cè)速裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于微流體速度測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于雙芯光子晶體光纖的多普勒測(cè)速裝置。
背景技術(shù)：
目前，激光測(cè)速系統(tǒng)中有三種常見的檢測(cè)模式，分別為參考光模式、單光束-雙散射模式和雙光束-雙散射模式。雙光束-雙散射模式的測(cè)量結(jié)果不受接收方向的影響，因?yàn)楸粡V泛使用。通常，大多數(shù)雙光束-雙散射模式的測(cè)量裝置均為利用分光鏡分束和平面鏡反射而形成兩束光，滿足干涉條件的兩束光產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。但干涉場(chǎng)形成的難度較大，并且所測(cè)量物體很難剛好通過(guò)干涉場(chǎng)，測(cè)量控制體的體積較小，測(cè)量區(qū)域受到一定的限制。根
據(jù)多普勒測(cè)速原理可知,其中是待測(cè)速度在垂直于干涉條紋方向的分量，
A為激光器入射光波長(zhǎng)，Sb為多普勒頻移量，5為兩束干涉光夾角的半角。因此通過(guò)測(cè)量
兩束干涉光束的夾角和分析采集并處理后的頻譜信號(hào)Zo便能確定速度I由于采用分光鏡分束和全反鏡反射方式獲得兩束相干光，而且接收單元包括接收透鏡、孔徑光闌、針對(duì)光闌等調(diào)光器件，其光路調(diào)整相當(dāng)復(fù)雜和繁瑣。而且需要保證兩束光在光電探測(cè)器上實(shí)現(xiàn)外差檢測(cè)，因此，整個(gè)系統(tǒng)復(fù)雜、裝置龐大、調(diào)試?yán)щy、難以獲得良好的相干條件和外差條件，從而難以滿足測(cè)量精度。為了簡(jiǎn)化裝置，后來(lái)提出了光纖多普勒測(cè)速系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用光纖來(lái)傳輸激光束，還可以使用多束光纖形成多路光，可以獲得更多的速度信息。但該系統(tǒng)仍然僅能用于宏觀流動(dòng)流速的測(cè)試，難以滿足MEMS系統(tǒng)的測(cè)量要求。
發(fā)明內(nèi)容為了克服現(xiàn)在激光多普勒測(cè)速裝置不易微型化、控制體較小及測(cè)量精度不高等缺點(diǎn)。本實(shí)用新型提出采用嵌入式雙芯光子晶體光纖實(shí)現(xiàn)MEMS微通道內(nèi)微粒速度的測(cè)量。利用雙芯光子晶體光纖的兩個(gè)導(dǎo)光纖芯實(shí)現(xiàn)傳輸光路，可以獲得兩路相干光，完全可以取代傳統(tǒng)的兩路分離光束方式，使得測(cè)量探頭和裝置實(shí)現(xiàn)微型化。并且把雙芯光子晶體光纖嵌入到MEMS芯片中，去掉裝置不穩(wěn)定和背景光的干擾。由于光纖出射端面光束的發(fā)散角較大，因此可以獲得較大的干涉控制體的體積，使測(cè)量區(qū)域獲得放大，提高測(cè)量空間范圍。本實(shí)用新型采用測(cè)量干涉條紋間距的方法，同時(shí)采集和分析頻譜信號(hào)來(lái)獲得多普勒頻移量，再通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算，便能獲得微粒運(yùn)動(dòng)速度。本實(shí)用新型包括激光光源、激光驅(qū)動(dòng)器、精密光纖耦合器、第一傳輸光纖、第一光纖適配器、雙芯光子晶體光纖、MEMS芯片、多模光纖、第二光纖適配器、第二傳輸光纖、光纖耦合器、透鏡、CCD檢測(cè)元件、光電探測(cè)器、圖像采集卡、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)。激光光源在激光驅(qū)動(dòng)器的作用下發(fā)出的光依次經(jīng)過(guò)精密光纖耦合器、第一傳輸光纖、第一光纖適配器進(jìn)入雙芯光子晶體光纖。雙芯光子晶體光纖嵌入在MEMS芯片中，雙芯光子晶體光纖的出射端面與MEMS芯片中微通道壁面平齊；多模光纖布置在雙芯光子晶體光纖的微通道同側(cè)，用于接收微粒后向散射光；多模光纖與雙芯光子晶體光纖固定在一起，多模光纖入射端面與雙芯光子晶體光纖出射端面保持平齊。從多模光纖接收到的光經(jīng)過(guò)第二光纖適配器、第二傳輸光纖和光纖耦合器分為兩路等強(qiáng)度的光；一路通過(guò)透鏡后進(jìn)入CXD檢測(cè)元件和圖像采集卡，圖像采集卡連接至計(jì)算機(jī)；另一路通過(guò)光電探測(cè)器和數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡連接至計(jì)算機(jī)。本實(shí)用新型可以實(shí)現(xiàn)MEMS微通道內(nèi)微粒速度測(cè)量，為微流量分析研究提供了必要手段。該裝置可應(yīng)用于微觀的測(cè)量，包括機(jī)械、能源、化工、生物和醫(yī)藥等領(lǐng)域。而且，稍加改變可應(yīng)用于宏觀的流場(chǎng)測(cè)試分析領(lǐng)域。與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本實(shí)用新型提出的嵌入式雙芯光子晶體光纖的MEMS微通道多普勒測(cè)速裝置，采用雙芯光子晶體光纖和后向散射測(cè)量方式，使得測(cè)量探頭微型化，易于嵌入至MEMS芯片中。不僅簡(jiǎn)化了入射單元，而且也大大簡(jiǎn)化了接收單元，大大提高了測(cè)量系統(tǒng)的簡(jiǎn)易性，降低了系統(tǒng)成本，而且同時(shí)實(shí)現(xiàn)高精度的流速測(cè)量，應(yīng)用于微米量級(jí)的系統(tǒng)測(cè)試。

圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意框圖；圖2雙芯光子晶體光纖干涉原理及多模光纖接收?qǐng)D；圖3基于雙芯光子晶體光纖形成的干涉條紋圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖及最佳實(shí)施對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳盡的描述。利用本實(shí)用新型進(jìn)行測(cè)速的步驟如下:(I)把雙芯光子晶體光纖嵌入到MEMS中，使光子晶體光纖出射端面與MEMS中微通道的壁面平齊；(2)調(diào)節(jié)雙芯光子晶體光纖獲得相干光，使得雙芯光子晶體光纖的雙芯出射光相干，形成清晰的等間距的干涉條紋；(3)調(diào)節(jié)雙芯光子晶體光纖使得形成的干涉條紋方向垂直于微通道軸線方向；(4)通過(guò)對(duì)干涉條紋成像，分析干涉條紋圖像獲得隨條紋間距變化的光強(qiáng)分布圖；(5)利用標(biāo)尺對(duì)條紋間距進(jìn)行標(biāo)定，獲得在接收位置處干涉條紋的間距；(6)當(dāng)運(yùn)動(dòng)微粒通過(guò)干涉條紋時(shí)而散射，使入射光發(fā)生多普勒頻移，利用光電探測(cè)器接收散射光信號(hào)，并進(jìn)行信號(hào)處理和傅里葉變換獲得多普勒頻移量。(7)通過(guò)獲得的在接收位置處干涉條紋間距和多普勒頻移量計(jì)算出垂直于干涉條紋方向的速度，即微粒在微通道軸線方向的運(yùn)動(dòng)速度。如圖1所示，基于嵌入式雙芯光子晶體光纖的MEMS微通道多普勒測(cè)速裝置，包括激光光源1、激光驅(qū)動(dòng)器20、精密光纖稱合器3 (內(nèi)含有透鏡2)、第一傳輸光纖4、第一光纖適配器5、雙芯光子晶體光纖6、MEMS芯片7、多模光纖10、第二光纖適配器11、第二傳輸光纖12、光纖耦合器13、透鏡14、CXD檢測(cè)元件15、光電探測(cè)器16、圖像采集卡17、數(shù)據(jù)采集卡18和計(jì)算機(jī)19。激光光源I在驅(qū)動(dòng)器20的作用下發(fā)出的光依次經(jīng)過(guò)精密光纖耦合器、第一傳輸光纖4、第一光纖適配器5進(jìn)入雙芯光子晶體光纖6 ;雙芯光子晶體光纖6嵌入到MEMS芯片7中，其光子晶體光纖6的出射端面保持與MEMS芯片7中的微通道9的壁面平齊；由于雙芯光子晶體光纖6的雙芯均具有導(dǎo)光作用，所以可以獲得相干的兩束光,在雙芯光子晶體光纖6出射端的一段空間范圍內(nèi)，這兩束相干光發(fā)生干涉，形成干涉場(chǎng)而呈現(xiàn)明暗相間的干涉條紋。當(dāng)微粒8進(jìn)入干涉場(chǎng)的明暗條紋時(shí)，微粒8會(huì)散射入射光，該散射光呈現(xiàn)一定的亮暗頻率。多模光纖10布置在雙芯光子晶體光纖7的微通道9同側(cè)，并且緊貼著雙芯光子晶體光纖7，接收微粒8的后向散射光。從多模光纖10接收到的光經(jīng)過(guò)第二光纖適配器11、第二傳輸光纖12和光纖耦合器13分為兩路等強(qiáng)度的光，一路通過(guò)透鏡14后進(jìn)入CXD檢測(cè)元件15和圖像采集卡17，并把干涉條紋圖像信號(hào)送入計(jì)算機(jī)19進(jìn)行圖像處理、顯示和存儲(chǔ)。另一路通過(guò)光電探測(cè)器16和數(shù)據(jù)采集卡18，也把信號(hào)送入計(jì)算機(jī)19進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲得頻譜信號(hào)，并顯示和存儲(chǔ)。通過(guò)檢測(cè)標(biāo)定干涉條紋的間距和采集多普勒頻譜信號(hào)，便能計(jì)算出微粒垂直于干涉條紋方向的運(yùn)動(dòng)速度。本實(shí)用新型測(cè)速原理如下本實(shí)用新型的設(shè)計(jì)方法也為多普勒雙光束-雙散射模式，其原理示意圖如圖2所/Jn。從同一激光器發(fā)出的兩束光經(jīng)分束后同時(shí)照射到運(yùn)動(dòng)的物體上，在某一方向上的散射光被光電探測(cè)器所接收。由于微粒很小，后向散射的光較強(qiáng)，因此多模光纖與光子晶體光纖固定在一起，接收接近180°方向上的后向散射光。由于光源與探測(cè)器固定，其入射光方向和接收光方向保持不變，當(dāng)微粒發(fā)生運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)使入射光頻率發(fā)生多普勒頻移，其頻移量
Sb為
其中；i為激光波長(zhǎng)， 為微通道內(nèi)流體介質(zhì)折射率I力微粒的運(yùn)動(dòng)速度，5為兩束相干光夾角的半角。因?yàn)槲⒘５乃矔r(shí)運(yùn)動(dòng)速度為
&雙芯光子晶體光纖的干涉原理可借助于楊氏雙縫干涉原理來(lái)解釋，即為雙芯光子晶體光纖的干涉原理圖。因此干涉條紋間距為At=--(3)將式(3)代入式(2)得V = JiyAT(4)因此，通過(guò)測(cè)量干涉條紋間距和多普勒頻移量便獲得微粒運(yùn)動(dòng)速度v。干涉條紋間距u「可根據(jù)CXD拍攝并處理后的干涉條紋圖像和CXD拍攝并處理后的標(biāo)尺圖像進(jìn)行比對(duì)，從而完成干涉條紋間距的標(biāo)定。本實(shí)用新型中的實(shí)施方案中所采用的雙芯光子晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)為兩纖芯直徑為3.8um,硅包層直徑為125 u m,空氣孔直徑為i為2.05 y m，孔間距A為3.67 y m,纖芯中心距為 7.33 Um0當(dāng)入射光為632.8nm波長(zhǎng)的相干光時(shí)，基于雙芯光子晶體光纖形成的干涉條紋經(jīng)采集并處理后的條紋圖見圖3。通過(guò)標(biāo)定后，干涉條紋的間距約為0.49mm。而后，通過(guò)光電探測(cè)器和數(shù)據(jù)采集卡采集時(shí)域數(shù)據(jù)送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行傅里葉變換分析，可獲得頻譜信號(hào)，從而測(cè)出多普勒頻移漂移量。因此通過(guò)公式(4)計(jì)算出微粒運(yùn)動(dòng)速度，由于該速度方向垂直干涉條紋方向，而干涉條紋方向與微通道軸線方向垂直，因此計(jì)算出的速度即為微粒在微通道內(nèi)沿軸向方向的運(yùn)動(dòng)速度?？梢姡緦?shí)用新型提出的嵌入式雙芯光子晶體光纖的MEMS微通道多普勒測(cè)速裝置，采用雙芯光子晶體光纖和后向散射測(cè)量方式，使得測(cè)量探頭微型化，易于嵌入至MEMS芯片中。不僅簡(jiǎn)化了入射單元，而且也大大簡(jiǎn)化了接收單元，大大提高了測(cè)量系統(tǒng)的簡(jiǎn)易性，降低了系統(tǒng)成本，而且同時(shí)實(shí)現(xiàn)高精度的流速測(cè)量，應(yīng)用于微米量級(jí)的系統(tǒng)測(cè)試。
權(quán)利要求1.基于嵌入式雙芯PCF的MEMS多普勒測(cè)速裝置，包括激光光源、激光驅(qū)動(dòng)器、精密光纖率禹合器、第一傳輸光纖、第一光纖適配器、雙芯光子晶體光纖、MEMS芯片、多模光纖、第二光纖適配器、第二傳輸光纖、光纖耦合器、透鏡、CCD檢測(cè)元件、光電探測(cè)器、圖像采集卡、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)，其特征在于: 激光光源在激光驅(qū)動(dòng)器的作用下發(fā)出的光依次經(jīng)過(guò)精密光纖耦合器、第一傳輸光纖、第一光纖適配器進(jìn)入雙芯光子晶體光纖； 雙芯光子晶體光纖嵌入在MEMS芯片中，雙芯光子晶體光纖的出射端面與MEMS芯片中微通道壁面平齊；多模光纖布置在雙芯光子晶體光纖的微通道同側(cè)，用于接收微粒后向散射光；多模光纖與雙芯光子晶體光纖固定在一起，多模光纖入射端面與雙芯光子晶體光纖出射端面保持平齊； 從多模光纖接收到的光經(jīng)過(guò)第二光纖適配器、第二傳輸光纖和光纖耦合器分為兩路等強(qiáng)度的光；一路通過(guò)透鏡后進(jìn)入CXD檢測(cè)元件和圖像采集卡，圖像采集卡連接至計(jì)算機(jī) ’另一路通過(guò)光電探測(cè)器和數(shù)據(jù)采集卡， 數(shù)據(jù)采集卡連接至計(jì)算機(jī)。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種基于嵌入式雙芯PCF的MEMS多普勒測(cè)速裝置。包括激光光源、激光驅(qū)動(dòng)器、精密光纖耦合器、第一傳輸光纖、第一光纖適配器、雙芯光子晶體光纖、MEMS芯片、多模光纖、第二光纖適配器、第二傳輸光纖、光纖耦合器、透鏡、CCD檢測(cè)元件、光電探測(cè)器、圖像采集卡、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)；本實(shí)用新型提出采用嵌入式雙芯光子晶體光纖實(shí)現(xiàn)MEMS微通道內(nèi)微粒速度的測(cè)量，并且把雙芯光子晶體光纖嵌入到MEMS芯片中，去掉裝置不穩(wěn)定和背景光的干擾。由于光纖出射端面光束的發(fā)散角較大，因此可以獲得較大的干涉控制體的體積，使測(cè)量區(qū)域獲得放大，提高測(cè)量空間范圍。
文檔編號(hào)G01P5/26GK203025207SQ20132003650
公開日2013年6月26日 申請(qǐng)日期2013年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月23日
發(fā)明者黃雪峰, 李盛姬, 王關(guān)晴, 劉彥, 羅丹, 溫正城, 丁寧, 徐江榮 申請(qǐng)人:杭州電子科技大學(xué)