面向角速度传感的高q值微谐振腔及其耦合结构关键技术分析-精密仪器及机械专业论文.docx

面向角速度传感的高 Q 值微谐振腔及其耦合结构关键技术研究摘要 氧化硅光学微谐振腔可获得目前为止最高的 Q 值，在开展高 Q 值微谐振腔角速度传感研究上具有较大潜力，有望应用其超高 Q 值特性实现小型化角速度传感测试系统。 结合 Sagnac 效应，本文分析了光学微谐振腔角速度传感原理，指出微谐振腔稳定的谐振模式是开展角速度传感研究的前提。然而，由于自身耦合结构的分立特点，传统 氧化硅高 Q 值微谐振腔及其耦合结构在应用于角速度传感研究中面临多方面挑战，包 括：光学微谐振腔耦合结构稳定性差，传感选择性难以保证，谐振腔 Q 值难以保持等。 这些挑战集中体现为如何抑制影响谐振模式稳定性的相关噪声，即机械噪声，环境折射 率噪声，热噪声以及激光器频率噪声。本文面向高 Q 值光学微谐振腔角速度传感应用， 开展高 Q 值微谐振腔及其耦合结构关键技术研究。相关研究内容可归纳为以下几个方 面：1、搭建了氧化硅光学微谐振腔与锥形光纤制造平台，构建了微谐振腔耦合结构及 其测试系统。设计并搭建氧化硅光学微谐振腔（球形微谐振腔、盘形微谐振腔及环形微谐振腔） 的制造和后处理平台，实现了谐振腔基础结构优化制造。搭建锥形光纤耦合器制备系统， 实现了腰锥直径为 1 ~ 3μm 的低损耗（-0.15 ~ -0.29dB）锥形光纤制备。构建了光学微谐 振腔及锥形光纤的耦合结构并搭建了其谐振特性测试系统，测试得到光学微谐振腔 Q 值 高达 108。2、设计、制备并测试了光学微谐振腔耦合封装结构。 针对光学微谐振腔制约角速度传感研究的因素，首次提出了应用低折射率可固化光学材料对光学微谐振腔的分立耦合结构进行封装处理使之成为一体结构的方法。分析了 封装结构对封装材料的要求，讨论了封装体系光损耗机制以及与封装材料特性的关系。 设计、加工、测试了两种封装结构：点封装结构和全封装结构。测试结果表明，两 种封装结构的 Q 值可高达 107，指出全封装结构更适用于光学微谐振腔角速度传感研究。通过改进制造方法首次实现了便携式微谐振腔功能模块，打破了传统光学微谐振腔耦合结构需用庞大位置控制伺服平台的常规。3、设计并搭建了全封装结构性能测试平台，测试了该结构的抗机械震动性能、隔i离性能，测试结果表明：1）全封装结构健壮性良好。在低转速测试中保持了良好的谐振特性，且能承受高 于 1g 的过载冲击，克服了传统光学微谐振腔耦合结构不具备抗震动能力的缺点。2）全封装结构实现了光学微谐振腔与外界环境的隔离。解决了角速度传感应用中 “非倏逝场传感”与“倏逝场传感”间的解耦问题，有利于实现角速度传感的高选择性。4、理论和实验分析了光学微谐振腔所处外界环境中灰尘和水分子对光学微谐振腔 谐振特性的影响，建立了带有实际应用环境因素的光学微谐振腔 Q 值构成模型，打破了 理想条件 Q 值建模的常规。全封装结构消除了外界环境 Q 值破坏因素，首次实现了复 杂、恶劣环境下 Q 值长时间保持（保存时间决定于固化后封装材料的保质期），克服了 传统光学微谐振腔在复杂应用环境下不具备 Q 值保持能力的缺点。5、提出了基于全封装结构的频率参考单元，并构建了带有参考单元的测试系统。 分析了热噪声对光学微谐振腔谐振谱特性的影响。提出了应用冰水混合物作为测试 环境来有效抑制热噪声的方法。首次应用谐振腔全封装结构，构建了可用于光学微谐振 腔传感测试的频率标准平台，进而提出了带有频率参考单元的光学微谐振腔测试系统。 实验验证了参考单元及带参考单元测试系统对抑制热噪声以及激光频率噪声的有效性。 通过上述研究，获得了较为稳定的光学微谐振腔谐振单元，满足了光学微谐振腔角 速度传感总体设计对光学微谐振腔单元的要求。此外，相关工作还可推进其它类型光学微谐振腔传感器件（压力传感、微位移传感、生化传感等）的研究和实用化进程。 关键字：光学微谐振腔耦合结构封装品质因子角速度传感The Key Technology of the High-Q microresonator and its Coupling Structure for Angular Rate Sensing ResearchesAbstractSilica optical microresonantors can obtain the highest Q-factor as yet, and are of great potential in the high-Q resonator angular rate sensing researches.The optical microresonator angular rate sensing principles are analyzed theoretically according to the Sagnac Effect,