在纖型光學(xué)回音壁微腔結(jié)構(gòu)及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光纖傳感技術(shù)，尤其涉及一種在纖型光學(xué)回音壁微腔結(jié)構(gòu)及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光學(xué)回音壁微腔通過介質(zhì)腔邊界的連續(xù)全反射將光限制在諧振腔內(nèi)，具備超高品質(zhì)因子和超小模式體積的特性，在非線性光學(xué)、腔量子電動(dòng)力學(xué)、超高分辨率檢測(cè)以及超低閾值激光器等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。
[0003]目前，可形成光學(xué)回音壁模式的微腔包括微球、微盤和微環(huán)等結(jié)構(gòu)，這些諧振腔結(jié)構(gòu)一般采用機(jī)械研磨和表面張力等方式制作；其中，采用機(jī)械研磨方式制作出的諧振腔，由于受限于機(jī)械研磨工藝的工藝條件，諧振腔尺寸較大，難以實(shí)現(xiàn)小型化、集成化；另外，無源微腔的回音壁模式一般通過三種方式激發(fā):棱鏡、研磨光纖和拉錐光纖，棱鏡和研磨光纖激發(fā)回音壁模式的效率低于拉錐光纖，但拉錐光纖的直徑要求小于2微米而且拉錐光纖易受污染和空氣擾動(dòng)影響，且以上三種激發(fā)光學(xué)回音壁模式的系統(tǒng)均是分離的，因此整個(gè)系統(tǒng)的緊湊性和穩(wěn)定性較低。
[0004]光學(xué)回音壁微腔集成化的研宄是其實(shí)用化的必然要求，通過在微光纖、腐蝕過的光子晶體光纖以及經(jīng)過腐蝕的極薄壁毛細(xì)管等結(jié)構(gòu)中填充各種材料的微球可實(shí)現(xiàn)光學(xué)回音壁微腔，但微球填充的工藝十分復(fù)雜且對(duì)球的尺寸有選擇性，尋找一種高度集成化而且制作過程簡(jiǎn)單的方法是目前光學(xué)回音壁微腔領(lǐng)域中面臨的重要問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)【背景技術(shù)】中的問題，本發(fā)明提出了一種在纖型光學(xué)回音壁微腔結(jié)構(gòu)，包括光纖，其創(chuàng)新在于:所述光纖上纖芯的外側(cè)設(shè)置有環(huán)形槽，環(huán)形槽的軸向與光纖徑向平行，環(huán)形槽的外壁與光纖的纖芯外壁之間留有間隔，環(huán)形槽的深度將光纖的纖芯覆蓋在內(nèi)，所述環(huán)形槽即形成光學(xué)回音壁微腔。
[0006]前述在纖型光學(xué)回音壁微腔結(jié)構(gòu)的原理與現(xiàn)有技術(shù)相同，即纖芯的光進(jìn)入光學(xué)回音壁微腔后，在光學(xué)回音壁微腔與空氣的交界面上發(fā)生全反射形成回音壁模式，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)的不同之處在于，用于形成光學(xué)回音壁微腔的環(huán)形槽是嵌入在光纖上的實(shí)心部分的，也即光學(xué)回音壁微腔與激發(fā)回音壁模式的纖芯為整體結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)不僅穩(wěn)定性較好，而且操作難度較小，易于加工。
[0007]根據(jù)現(xiàn)有理論可知，激發(fā)回音壁模式的效率由錐形纖芯和光學(xué)回音壁微腔之間的間距決定(對(duì)應(yīng)到本發(fā)明中，即為環(huán)形槽外壁與光纖的纖芯外壁之間的間隔距離)，根據(jù)間距不同，激發(fā)回音壁模式的效率一般有欠耦合、臨界耦合和過耦合三種，其中，臨界耦合時(shí)取得的品質(zhì)因子最高，但這不是本發(fā)明所要探討的重點(diǎn)，具體實(shí)施時(shí)，本領(lǐng)域技術(shù)人員可根據(jù)現(xiàn)有理論具體確定環(huán)形槽外壁與光纖的纖芯外壁之間的間隔距離；本發(fā)明的重點(diǎn)在于將光學(xué)回音壁微腔集成在光纖中，相比于現(xiàn)有技術(shù)中回音壁微腔與激發(fā)光波導(dǎo)相互分離的結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更好，集成度更高，適合于各種光纖和光波導(dǎo)；
為了便于本領(lǐng)域技術(shù)人員實(shí)施，本發(fā)明還提出了一種在纖型光學(xué)回音壁微腔結(jié)構(gòu)制作方法，其步驟為:
1)采用飛秒激光器對(duì)光纖表面進(jìn)行切削，在光纖上的纖芯外側(cè)切削出加工面，所述加工面為平面，加工面與光纖的軸向平行，加工面與纖芯之間存在間隔；這里設(shè)置加工面是從工藝角度考慮:普通光纖的截面為圓形，光纖的外周面為弧面，若直接在弧面上進(jìn)行回音壁微腔加工，在光纖表面定位回音壁微腔位置的難度較大，從降低加工難度、提高加工效率的角度考慮，本發(fā)明方法中，在加工回音壁微腔之前，在光纖上預(yù)制了一加工面，相比于在弧面上進(jìn)行定位，在平面上進(jìn)行定位的難度相對(duì)較低，這就可以有效降低回音壁微腔位置的定位難度，提高加工效率；
2)調(diào)節(jié)光纖位置，使飛秒激光器的激光脈沖聚焦在加工面上，且使激光脈沖的軸向與加工面垂直；傳動(dòng)光纖在加工面內(nèi)作整體式的圓周運(yùn)動(dòng)(具體實(shí)施時(shí)，光纖可用三維位移平臺(tái)夾持，由三維位移平臺(tái)來作精確的圓周運(yùn)動(dòng))；
3)進(jìn)行了多次圓周運(yùn)動(dòng)后，控制光纖駐停，然后傳動(dòng)飛秒激光器沿自身軸向向靠近光纖的方向移動(dòng)，移動(dòng)一定距離后，再傳動(dòng)光纖在加工面內(nèi)作整體式的圓周運(yùn)動(dòng)，圓周運(yùn)動(dòng)的圓心與步驟2)中相同；
4)按步驟3)中方式操作多次后，激光脈沖就在所述光纖上切割出了環(huán)形槽，環(huán)形槽的軸向與光纖徑向平行，環(huán)形槽的外壁與光纖的纖芯外壁之間留有間隔，環(huán)形槽的深度將光纖的纖芯覆蓋在內(nèi)，所述環(huán)形槽即形成光學(xué)回音壁微腔。
[0008]基于本領(lǐng)域的基本常識(shí)，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該清楚，環(huán)形槽加工成形后，還需用超聲波清洗裝置清洗掉加工過程中殘留在光學(xué)回音壁微腔表面的碎肩，然后采用高溫退火等方式將光學(xué)回音壁微腔表面再次整形光滑。
[0009]采用本發(fā)明方法制作出的光學(xué)回音壁微腔，其內(nèi)徑為圓周運(yùn)動(dòng)的半徑R，其外徑為R+S，S為激光脈沖的焦斑直徑，具體實(shí)施時(shí)，本領(lǐng)域技術(shù)人員可根據(jù)需要對(duì)R和S的尺寸進(jìn)行調(diào)節(jié)。本發(fā)明方法操作簡(jiǎn)單，器件尺寸精確可控，應(yīng)用本發(fā)明方法可在同一根光纖上制作出多個(gè)級(jí)聯(lián)的光學(xué)回音壁微腔，各個(gè)光學(xué)回音壁微腔的半徑等參數(shù)可自由選擇調(diào)諧級(jí)聯(lián)微腔的諧振特性。
[0010]本發(fā)明的有益技術(shù)效果是:回音壁微腔嵌入在光纖中，回音壁微腔的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好，回音壁微腔與激發(fā)部為整體結(jié)構(gòu)，集成度較高，且回音壁微腔的加工方法簡(jiǎn)單，尺寸參數(shù)精確可調(diào)。
【附圖說明】
[0011]圖1、本發(fā)明的制作方法原理示意圖；
圖中各個(gè)標(biāo)記所對(duì)應(yīng)的名稱分別為:光纖1、光學(xué)回音壁微腔2、飛秒激光器的切割部3。
【具體實(shí)施方式】
[0012]一種在纖型光學(xué)回音壁微腔結(jié)構(gòu)，包括光纖，其創(chuàng)新在于:所述光纖上纖芯的外側(cè)設(shè)置有環(huán)形槽，環(huán)形槽的軸向與光纖徑向平行，環(huán)形槽的外壁與光纖的纖芯外壁之間留有間隔，環(huán)形槽的深度將光纖的纖芯覆蓋在內(nèi)，所述環(huán)形槽即形成光學(xué)回音壁微腔。
[0013]一種在纖型光學(xué)回音壁微腔結(jié)構(gòu)制作方法，其創(chuàng)新在于:按如下方法制作在纖型光學(xué)回音壁微腔結(jié)構(gòu):
1)采用飛秒激光器對(duì)光纖表面進(jìn)行切削，在光纖上的纖芯外側(cè)切削出加工面，所述加工面為平面，加工面與光纖的軸向平行，加工面與纖芯之間存在間隔；
2)調(diào)節(jié)光纖位置，使飛秒激光器的激光脈沖聚焦在加工面上，且使激光脈沖的軸向與加工面垂直；傳動(dòng)光纖在加工面內(nèi)作整體式的圓周運(yùn)動(dòng)；
3)進(jìn)行了多次圓周運(yùn)動(dòng)后，控制光纖駐停，然后傳動(dòng)飛秒激光器沿自身軸向向靠近光纖的方向移動(dòng)，移動(dòng)一定距離后，再傳動(dòng)光纖在加工面內(nèi)作整體式的圓周運(yùn)動(dòng)，圓周運(yùn)動(dòng)的圓心與步驟2)中相同；
4)按步驟3)中方式操作多次后，激光脈沖就在所述光纖上切割出了環(huán)形槽，環(huán)形槽的軸向與光纖徑向平行，環(huán)形槽的外壁與光纖的纖芯外壁之間留有間隔，環(huán)形槽的深度將光纖的纖芯覆蓋在內(nèi)，所述環(huán)形槽即形成光學(xué)回音壁微腔。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種在纖型光學(xué)回音壁微腔結(jié)構(gòu)，包括光纖，其特征在于:所述光纖上纖芯的外側(cè)設(shè)置有環(huán)形槽，環(huán)形槽的軸向與光纖徑向平行，環(huán)形槽的外壁與光纖的纖芯外壁之間留有間隔，環(huán)形槽的深度將光纖的纖芯覆蓋在內(nèi)，所述環(huán)形槽即形成光學(xué)回音壁微腔。2.—種在纖型光學(xué)回音壁微腔結(jié)構(gòu)制作方法，其特征在于:按如下方法制作在纖型光學(xué)回音壁微腔結(jié)構(gòu): 1)采用飛秒激光器對(duì)光纖表面進(jìn)行切削，在光纖上的纖芯外側(cè)切削出加工面，所述加工面為平面，加工面與光纖的軸向平行，加工面與纖芯之間存在間隔； 2)調(diào)節(jié)光纖位置，使飛秒激光器的激光脈沖聚焦在加工面上，且使激光脈沖的軸向與加工面垂直；傳動(dòng)光纖在加工面內(nèi)作整體式的圓周運(yùn)動(dòng)； 3)進(jìn)行了多次圓周運(yùn)動(dòng)后，控制光纖駐停，然后傳動(dòng)飛秒激光器沿自身軸向向靠近光纖的方向移動(dòng)，移動(dòng)一定距離后，再傳動(dòng)光纖在加工面內(nèi)作整體式的圓周運(yùn)動(dòng)，圓周運(yùn)動(dòng)的圓心與步驟2)中相同； 4)按步驟3)中方式操作多次后，激光脈沖就在所述光纖上切割出了環(huán)形槽，環(huán)形槽的軸向與光纖徑向平行，環(huán)形槽的外壁與光纖的纖芯外壁之間留有間隔，環(huán)形槽的深度將光纖的纖芯覆蓋在內(nèi)，所述環(huán)形槽即形成光學(xué)回音壁微腔。
【專利摘要】一種在纖型光學(xué)回音壁微腔結(jié)構(gòu)，包括光纖，其創(chuàng)新在于：所述光纖上纖芯的外側(cè)設(shè)置有環(huán)形槽，環(huán)形槽的軸向與光纖徑向平行，環(huán)形槽的外壁與光纖的纖芯外壁之間留有間隔，環(huán)形槽的深度將光纖的纖芯覆蓋在內(nèi)，所述環(huán)形槽即形成光學(xué)回音壁微腔。本發(fā)明的有益技術(shù)效果是：回音壁微腔嵌入在光纖中，回音壁微腔的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好，回音壁微腔與激發(fā)部為整體結(jié)構(gòu)，集成度較高，且回音壁微腔的加工方法簡(jiǎn)單，尺寸參數(shù)精確可調(diào)。
【IPC分類】B23K26/38, G02B6/24
【公開號(hào)】CN104932057
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510230444
【發(fā)明人】朱濤, 史磊磊
【申請(qǐng)人】重慶大學(xué)
【公開日】2015年9月23日
【申請(qǐng)日】2015年5月8日