高灵敏度微球激光传感器基本原理（下） 灵敏度, 加速度, 开发

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三、在极高灵敏度加速度传感器上的应用[7]

不同于前面的例子，Laine等研究开发的是一种极高灵敏度加速度传感器，该器件是通过微球谐振腔与耦合器件之间的相对距离改变来进行检测的，并且耦合方法不再是锥形光纤，而是一种带状基底抗谐振反射光波导(SPARROW：stripline pedestal anti-resonant reflecting optical waveguide)。它通过交替的高低折射率层组成的介质堆将微球腔、波导与底层隔离开来，使在第一个分界面上的反射率超过99%[5]。该加速度传感器的原理如图4。

球微球球重W，半径为r，与一长为l的光纤杆相连，光纤像一般的弹性材料那样一端固定在基板上，杨氏常数为E，另一端通过化学烧制做成微球(一般通过高温熔融冷却法制成)，在微球下面，SPARROW与它相耦合。近似的，将微球视为质点，光纤杆视为理想杆，因二者振动产生相对于平衡位置的位移为：

(4)

其中，I —细杆的转动惯量;E—杨氏系数;
w—球回复力， ;

w—细杆的回复力，
;

a—系统的加速度。
如果测出了y，我们就可以推出加速度a。但是，由于y的变化很小(nm量级)，所以一般的测量方法已经相形见绌。此时，微球谐振腔就有了用武之地。光波导与微球的相对距离变化可以通过测量微球的品质因子可以得到：

(5)


(6)

其中，Qc(d)—和耦合方式有关的品质因子;Q0—微球腔的本征品质因子，与材料以及半径有关;Q(d)—微球腔的总品质因子;r—微球半径;λ—入射光波波长;n —微球材料的折射率;Q—光波的模式数，一般小于10，指约束在赤道表面的光波模式数目。
通过实验测量品质因子，可推得Qc(d)，从而反解出d，通过d可以计算y值，最终实现测量加速度。
Laine等在实验中采用了多项先进技术，如SPARROW的选用能使光波的渗漏达到最小，微球腔品质因子保持在108以上的较高水平等。通过检测谐振振幅和线宽的改变，从100μg的背景噪音中实现了1mg的极高灵敏度的加速度探测。四、在温度传感器中的应用
通过改变微球的折射率可以影响谐振腔的本征模式。Rosenberger等在实验上观察了激光微球腔与周围空气以热传导方式(对流很弱)进行的热交换[11]，发现周围空气温度的微小改变，使得微球激光的频率发生明显变化(虽然温度对折射率的影响很微弱)。通过这个实验，他们发展了一套新的测量微球材料比热及光吸收系数的方法，其结果的不确定度为1%。
相反的，如果知道了标准物质的热学系数，根据激光频率的变化，就可以推知温度的改变。由于微球能对很小的温度变化产生反应，而且体积很小，所以可以改进为一种新型的温控计，它在自动控制方面有应用空间。
Z.Cai最近提出了一种新的利用微球谐振腔制作温度传感器的方法[12]。他基于激发态4S3/2和2H11/2引发的绿光发射，设计了以掺铒的ZBLALiP为材料的微球温度传感器。低温的发射光谱用以标定强度比率与微球的温度，然后根据强度比率和温度的关系可以计算出高温区。这种温度传感器测温范围在150K到850K之间，精度为1K，只有10μm大小，非常适合集成在光纤内。
五、总结
由于微球激光谐振腔具有特有的回音壁模式，即使内部或外界很微小的改变，都能反映为输出光波(如频率等)的显著变化，因而非常适用于制作极高灵敏度的各类传感器，如用它制作的极高灵敏度加速度传感器的精度就达到1mg。而且微球腔体积很小，适合应用于小尺度的探测传感，适合集成，特别是与光纤的集成。
在现在的应用中，微球腔的品质因子一般只处于108左右，离1010还有很大差距。随着耦合技术的进一步提高，以及微球制作工艺、实验探测手段的进一步完善，用激光微球腔制作的传感器的精度将会有很大的提高。