基于腔光力系统的高灵敏度加速度传感机制及器件制备研究

Acceleration sensors play key roles in inertial navigation and weapon guidance etc, and the sensitivity of acceleration sensors is crucial in these systems. Acceleration sensors based on fiber-optic interferometers have many advantages, such as anti-electromagnetic interference, multiplexing, and remote measurement. The maximal sensitivity resulted from the linewidth in the interference sensors becomes the bottleneck problem in improving further the sensitivity of the sensor. Optomechanics demonstrates a promising method for the problem. This project aims to develop an optomechanical high-sensitivity integrative accelerometer. The research contents are: mechanisms of optomechanical high-sensitivity accelerometer by analyzing optomechanically induced transparency, asymmetric spectrum, and four-wave mixing; fabricating optomechanical accelerometer by designing in-fiber micro Fabry-Perot cavity and resonators based on microstructure fibers. We propose a promising method to surpass the classical maximal sensitivity resulted from the linewidth of the interferometer, and this project will promote the progress of the cavity optomechanics in ultrasensitive fiber-optic sensing application.

加速度传感器是惯性导航和武器制导等领域的核心器件，其灵敏度是决定系统精度最重要的因素之一。基于光纤干涉仪的加速度传感器具有分辨率高、传输与测量一体、抗电磁干扰、可遥测和易组网等优点，成为高灵敏度传感器中重要一员。光纤干涉仪的线宽决定了光谱的最大斜率，为传感器的灵敏度设置了上限，如何突破该限制成为制备战略级加速度传感器面临的关键难题。腔光力体系可以实现斜率远大于干涉仪光谱自身斜率的光谱，为突破该上限提供了可能。基于申请人在光纤加速度传感和腔光力学领域的前期研究基础，本项目拟通过研究光力耦合形成的非对称光谱、诱导透明和四波混频等机制来探索突破该限制的新型加速度传感机理；并结合光纤微Fabry-Perot腔和光纤微结构机械振子，制备出一种高灵敏度、微型化、一体化的加速度传感器。本项目的实施对于突破传统光纤加速度传感器的灵敏度瓶颈具有重要的意义，也将推进腔光力学在光纤传感领域的应用研究。

加速度传感器是惯性导航和武器制导等领域的核心器件，其灵敏度是决定系统精度最重要的因素之一。光纤干涉仪式加速度传感器具有分辨率高、传输与测量一体、抗电磁干扰、可遥测和易组网等优点，是高灵敏度传感器中重要一员。干涉仪的线宽决定了干涉光谱的最大斜率，为传感器的灵敏度设置了上限，如何突破该限制成为制备战略级加速度传感器面临的关键难题。本项目通过研究光力耦合形成的非对称干涉光谱来突破干涉仪线宽决定的最高灵敏度限制，同时制备了高精细度的光纤Fabry-Perot腔和高机械品质因子的微结构光纤机械振子，对突破线宽导致灵敏度上限的机制进行验证。经过三年的努力，项目取得了一系列创新性研究成果，发表受该基金资助的学术论文6篇，其中ACS Photonics、Phys. Rev. Appl.、Appl. Opt.和光学学报各1篇，Phys. Rev. A 2篇，授权国家发明专利2项。共9名研究生参与了本项目的研究工作，其中1人获得博士学位，3人获得硕士学位。取得的主要研究成果如下：.(1)从腔内光场与机械振子相互作用的模型出发，提出了产生斜率远大于腔自身干涉谱斜率光谱的方案，系统分析了Pump光场和机械振子的性能参数对斜率的影响，进而构建了突破腔线宽导致的极限灵敏度的加速度传感理论模型。.(2)搭建了利用CO2脉冲激光加工平台，通过控制脉冲激光参数可以制备几何参数可控的凹面，利用该平台制备了精细度达1700的光纤FP腔，制备了腔长小于1um的光纤FP腔。.(3)实验制备了共振频率与品质因子之积大于10^10的微结构光纤机械振子，超过现已报道的同类光纤机械振子2个数量级，同时其质量也比同类光纤机械振子小1个数量级以上，可以获得更高的光力耦合系数。.(4)利用FP腔和光纤机械振子对上述加速度传感理论模型进行实验验证，提出了一种调控机械振子共振频率的方法，将机械振子共振频率漂移率降低了200倍，进而实现了机械振子热噪声的单模和双模压缩态。