CN104932057B - 在纤型光学回音壁微腔结构及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种在纤型光学回音壁微腔结构，包括光纤，其创新在于：所述光纤上纤芯的外侧设置有环形槽，环形槽的轴向与光纤径向平行，环形槽的外壁与光纤的纤芯外壁之间留有间隔，环形槽的深度将光纤的纤芯覆盖在内，所述环形槽即形成光学回音壁微腔。本发明的有益技术效果是：回音壁微腔嵌入在光纤中，回音壁微腔的结构稳定性较好，回音壁微腔与激发部为整体结构，集成度较高，且回音壁微腔的加工方法简单，尺寸参数精确可调。

Description

在纤型光学回音壁微腔结构及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种光纤传感技术，尤其涉及一种在纤型光学回音壁微腔结构及其制作方法。

背景技术

光学回音壁微腔通过介质腔边界的连续全反射将光限制在谐振腔内，具备超高品质因子和超小模式体积的特性，在非线性光学、腔量子电动力学、超高分辨率检测以及超低阈值激光器等领域具有重要的应用前景。

目前，可形成光学回音壁模式的微腔包括微球、微盘和微环等结构，这些谐振腔结构一般采用机械研磨和表面张力等方式制作；其中，采用机械研磨方式制作出的谐振腔，由于受限于机械研磨工艺的工艺条件，谐振腔尺寸较大，难以实现小型化、集成化；另外，无源微腔的回音壁模式一般通过三种方式激发：棱镜、研磨光纤和拉锥光纤，棱镜和研磨光纤激发回音壁模式的效率低于拉锥光纤，但拉锥光纤的直径要求小于2微米而且拉锥光纤易受污染和空气扰动影响，且以上三种激发光学回音壁模式的系统均是分离的，因此整个系统的紧凑性和稳定性较低。

光学回音壁微腔集成化的研究是其实用化的必然要求，通过在微光纤、腐蚀过的光子晶体光纤以及经过腐蚀的极薄壁毛细管等结构中填充各种材料的微球可实现光学回音壁微腔，但微球填充的工艺十分复杂且对球的尺寸有选择性，寻找一种高度集成化而且制作过程简单的方法是目前光学回音壁微腔领域中面临的重要问题。

发明内容

针对背景技术中的问题，本发明提出了一种在纤型光学回音壁微腔结构，包括光纤，其创新在于：所述光纤上纤芯的外侧设置有环形槽，环形槽的轴向与光纤径向平行，环形槽的外壁与光纤的纤芯外壁之间留有间隔，环形槽的深度将光纤的纤芯覆盖在内，所述环形槽即形成光学回音壁微腔。

前述在纤型光学回音壁微腔结构的原理与现有技术相同，即纤芯的光进入光学回音壁微腔后，在光学回音壁微腔与空气的交界面上发生全反射形成回音壁模式，本发明与现有技术的不同之处在于，用于形成光学回音壁微腔的环形槽是嵌入在光纤上的实心部分的，也即光学回音壁微腔与激发回音壁模式的纤芯为整体结构，这种结构不仅稳定性较好，而且操作难度较小，易于加工。

根据现有理论可知，激发回音壁模式的效率由锥形纤芯和光学回音壁微腔之间的间距决定（对应到本发明中，即为环形槽外壁与光纤的纤芯外壁之间的间隔距离），根据间距不同，激发回音壁模式的效率一般有欠耦合、临界耦合和过耦合三种，其中，临界耦合时取得的品质因子最高，但这不是本发明所要探讨的重点，具体实施时，本领域技术人员可根据现有理论具体确定环形槽外壁与光纤的纤芯外壁之间的间隔距离；本发明的重点在于将光学回音壁微腔集成在光纤中，相比于现有技术中回音壁微腔与激发光波导相互分离的结构，本发明的结构稳定性更好，集成度更高，适合于各种光纤和光波导；

为了便于本领域技术人员实施，本发明还提出了一种在纤型光学回音壁微腔结构制作方法，其步骤为：

1）采用飞秒激光器对光纤表面进行切削，在光纤上的纤芯外侧切削出加工面，所述加工面为平面，加工面与光纤的轴向平行，加工面与纤芯之间存在间隔；这里设置加工面是从工艺角度考虑：普通光纤的截面为圆形，光纤的外周面为弧面，若直接在弧面上进行回音壁微腔加工，在光纤表面定位回音壁微腔位置的难度较大，从降低加工难度、提高加工效率的角度考虑，本发明方法中，在加工回音壁微腔之前，在光纤上预制了一加工面，相比于在弧面上进行定位，在平面上进行定位的难度相对较低，这就可以有效降低回音壁微腔位置的定位难度，提高加工效率；

2）调节光纤位置，使飞秒激光器的激光脉冲聚焦在加工面上，且使激光脉冲的轴向与加工面垂直；传动光纤在加工面内作整体式的圆周运动（具体实施时，光纤可用三维位移平台夹持，由三维位移平台来作精确的圆周运动）；

3）进行了多次圆周运动后，控制光纤驻停，然后传动飞秒激光器沿自身轴向向靠近光纤的方向移动，移动一定距离后，再传动光纤在加工面内作整体式的圆周运动，圆周运动的圆心与步骤2）中相同；

4）按步骤3）中方式操作多次后，激光脉冲就在所述光纤上切割出了环形槽，环形槽的轴向与光纤径向平行，环形槽的外壁与光纤的纤芯外壁之间留有间隔，环形槽的深度将光纤的纤芯覆盖在内，所述环形槽即形成光学回音壁微腔。

基于本领域的基本常识，本领域技术人员应该清楚，环形槽加工成形后，还需用超声波清洗装置清洗掉加工过程中残留在光学回音壁微腔表面的碎屑，然后采用高温退火等方式将光学回音壁微腔表面再次整形光滑。

采用本发明方法制作出的光学回音壁微腔，其内径为圆周运动的半径R，其外径为R+S，S为激光脉冲的焦斑直径，具体实施时，本领域技术人员可根据需要对R和S的尺寸进行调节。本发明方法操作简单，器件尺寸精确可控，应用本发明方法可在同一根光纤上制作出多个级联的光学回音壁微腔，各个光学回音壁微腔的半径等参数可自由选择调谐级联微腔的谐振特性。

本发明的有益技术效果是：回音壁微腔嵌入在光纤中，回音壁微腔的结构稳定性较好，回音壁微腔与激发部为整体结构，集成度较高，且回音壁微腔的加工方法简单，尺寸参数精确可调。

附图说明

图1、本发明的制作方法原理示意图；

图中各个标记所对应的名称分别为：光纤1、光学回音壁微腔2、飞秒激光器的切割部3。

具体实施方式

一种在纤型光学回音壁微腔结构，包括光纤，其创新在于：所述光纤上纤芯的外侧设置有环形槽，环形槽的轴向与光纤径向平行，环形槽的外壁与光纤的纤芯外壁之间留有间隔，环形槽的深度将光纤的纤芯覆盖在内，所述环形槽即形成光学回音壁微腔。

一种在纤型光学回音壁微腔结构制作方法，其创新在于：按如下方法制作在纤型光学回音壁微腔结构：

1）采用飞秒激光器对光纤表面进行切削，在光纤上的纤芯外侧切削出加工面，所述加工面为平面，加工面与光纤的轴向平行，加工面与纤芯之间存在间隔；

2）调节光纤位置，使飞秒激光器的激光脉冲聚焦在加工面上，且使激光脉冲的轴向与加工面垂直；传动光纤在加工面内作整体式的圆周运动；

3）进行了多次圆周运动后，控制光纤驻停，然后传动飞秒激光器沿自身轴向向靠近光纤的方向移动，移动一定距离后，再传动光纤在加工面内作整体式的圆周运动，圆周运动的圆心与步骤2）中相同；

4）按步骤3）中方式操作多次后，激光脉冲就在所述光纤上切割出了环形槽，环形槽的轴向与光纤径向平行，环形槽的外壁与光纤的纤芯外壁之间留有间隔，环形槽的深度将光纤的纤芯覆盖在内，所述环形槽即形成光学回音壁微腔。

Claims (2)

1.一种在纤型光学回音壁微腔结构，包括光纤，其特征在于：所述光纤上纤芯的外侧设置有环形槽，环形槽的轴向与光纤径向平行，环形槽的外壁与光纤的纤芯外壁之间留有间隔，环形槽的深度将光纤的纤芯覆盖在内，所述环形槽即形成光学回音壁微腔。

2.一种在纤型光学回音壁微腔结构制作方法，其特征在于：按如下方法制作在纤型光学回音壁微腔结构：

1）采用飞秒激光器对光纤表面进行切削，在光纤上的纤芯外侧切削出加工面，所述加工面为平面，加工面与光纤的轴向平行，加工面与纤芯之间存在间隔；

2）调节光纤位置，使飞秒激光器的激光脉冲聚焦在加工面上，且使激光脉冲的轴向与加工面垂直；传动光纤在加工面内作整体式的圆周运动；

3）进行了多次圆周运动后，控制光纤驻停，然后传动飞秒激光器沿自身轴向向靠近光纤的方向移动，移动一定距离后，再传动光纤在加工面内作整体式的圆周运动，圆周运动的圆心与步骤2）中相同；

4）按步骤3）中方式操作多次后，激光脉冲就在所述光纤上切割出了环形槽，环形槽的轴向与光纤径向平行，环形槽的外壁与光纤的纤芯外壁之间留有间隔，环形槽的深度将光纤的纤芯覆盖在内，所述环形槽即形成光学回音壁微腔。