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Abstract

一种光纤微球制备装置，涉及一种微球制备装置。设有CO2激光器、激光二极管LD指示器、保护金反射镜、分束镜、保护银反射镜、聚焦透镜和直流电机；所述CO2激光器、LD指示器、保护金反射镜、分束镜、保护银反射镜和聚焦透镜依次相连接并与直流电机构成两束CO2激光加热旋转光纤的微球制备装置，所述CO2激光器输出的激光与LD指示器发出的指示光对准后，经保护金反射镜传输至分束镜，分束镜将入射激光束按50∶50的功率比分成功率相等的两束激光，并分别经保护银反射镜和聚焦透镜聚焦后，汇聚于两聚焦透镜焦点重叠的区域，直流电机驱动旋转的光纤末端在两束CO2激光的作用下加热熔融并在表面张力作用下形成微球。

Description

一种光纤微球制备装置
技术领域
本发明涉及一种微球制备装置，特别是涉及一种光纤微球制备装置。
背景技术
光学球微腔因具有极高的品质因子和极小的模式体积，在量子电动力学、低阈值激光器、非线性光学、光纤通信、量子光学和传感器等领域拥有巨大的应用前景。而光学球微腔的品质因子，主要由球微腔的衍射损耗、吸收损耗和表面扩散损耗构成。若被捕获进球微腔的光能量，损耗越小，其在腔内存储的时间就越长，品质因子也就越高。因此由介电材料，特别是无源介电材料制成的球微腔，其表面平整度和球形度越好，球微腔的品质因子也就越高。
通常介电材料经高温加热熔融后，自然的表面张力作用，使形成的微球具有非常好的表面平整度和球形度。目前，高温加热熔融介电材料的方法主要有火焰加热法(V.B.Braginsky，M.L.Gorodetsky，and V.S.Ilchenko,“Quality-factor and non-linear properties of opticalwhispering-gallery modes,”Phys.Lett.A 137,393-397,1989)、电弧加热法(J.Laine,B.Little,andH.Haus,“Etch-eroded fiber coupler for whispering-gallery-mode excitation in high-Q silicamicrospheres,”IEEE Photon.Technol.Lett.11(11),1429-1430,1999)、CO2激光加热法(L.Collot,V.Lefèvre-Seguin,M.Brune,J.M.Raimond,and S.Haroche,“Very High-Q Whispering-GalleryMode Resonances Obserbed on Fused Silica Microspheres,”Europhys.Lett.23(5),327-334,1993)和微波等离子体焰炬加热法(W.von Klitzing,E.Jahier,R.Long,F.Lissillour,V.Lefèvre-Seguin,J.Hare,J.-M.Raimond,and S.Haroche,“Very Low Threshold Lasing in Er3+Doped ZBLANMicrosphere,”Electron.Lett.35(20),1745-1746,1999)。其中CO2激光加热法，是指由高功率CO2激光器发射的激光束，经过一些光学元件的作用后将激光能量传输到介电材料，使介电材料受到高温加热而熔融，并在表面张力的作用下形成微球。因CO2激光器的激光工作波长(约10.6μm)在易被玻璃等介电材料吸收和转换的中红外区域，并且具有激光功率可精确控制、加热范围小、制作过程简便以及所制成的微球尺寸可控并携带有易于操控的光纤柄等特点，而被广泛的采用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光纤微球制备装置。
本发明设有CO2激光器、激光二极管LD指示器、保护金反射镜、分束镜、保护银反射镜、聚焦透镜和直流电机；
所述CO2激光器、LD指示器、保护金反射镜、分束镜、保护银反射镜和聚焦透镜依次相连接并与直流电机构成两束CO2激光加热旋转光纤的微球制备装置，所述CO2激光器输出的激光与LD指示器发出的指示光对准后，经保护金反射镜传输至分束镜，分束镜将入射激光束按50∶50的功率比分成功率相等的两束激光，并分别经保护银反射镜和聚焦透镜聚焦后，汇聚于两聚焦透镜焦点重叠的区域，直流电机驱动旋转的光纤末端在两束CO2激光的作用下加热熔融并在表面张力作用下形成微球。
所述LD指示器可采用可见光波长的光路指示器。
所述保护金反射镜可为反射率R>96%的反射镜。
所述分束镜可为7~14μm、45°入射、50∶50功率比进行分光的硒化锌平板分束镜。
所述保护银反射镜可为金属反射镜中在可见光波长范围内反射率最高的反射镜。
所述聚焦透镜可为对CO2激光的吸收率小于0.25%的硒化锌聚焦透镜。
所述直流电机可为低转速和中心出轴的直流电机。
本发明通过功率比为50∶50的分束镜将CO2激光器输出的激光，分成透射和反射两个方向的激光束，其中沿透射方向传输的激光束经保护银反射镜反射后到达其中一个聚焦透镜，而沿反射方向传输的激光束经保护银反射镜反射后到达与前一个聚焦透镜相对平行放置的另一个聚焦透镜，两束激光束分别经两个聚焦透镜聚焦后，汇聚于两聚焦透镜焦点重叠的区域。由于直流电机驱动下的光纤匀速旋转，同时两束激光束在任意初始加载激光功率和任意时刻下的功率都是相等的，使得光纤末端在各个方向上受到两束等功率激光束相同的加热熔融作用，熔融的光纤末端在表面张力作用下形成微球。相对于普通的基于CO2激光器的单光束微球制备装置，本发明所具备的直流电机驱动光纤旋转，并在等功率的两束激光作用下，可使熔融的光纤末端在各个方向上受到稳定、均匀的热力作用，从而使制成的微球具有不偏离光纤柄，表面平整度和球形度非常好的特点。在实施实例中选用了标准通信用的SiO2单模光纤，并通过加载不同的激光功率、控制不同的加热时间和受热的单模光纤末端的长度，可以制成各种不同尺寸的微球。
附图说明
图1为本发明实施例的结构组成示意图。在图1中，标记A为被直流电机驱动旋转、被两束CO2激光加热的光纤材料放置处，标记B为直流电机工作时的旋转方向。
图2为图1所示出的实施例直流电机驱动光纤旋转和两束CO2激光加热熔融光纤末端并在表面张力作用下形成微球的示意图。在图2中，标记C为经分束镜分光后的透射部分激光束，标记D为经分束镜分光后的反射部分激光束。
图3为图1和图2所示出的实施例制成的带有光纤柄的微球的示意图。
图4为本发明实施例利用两束CO2激光加热旋转光纤的微球制备装置制成的微球与锥形光纤耦合的示意图。
图5为图4所示出的实施例的谐振光谱图。在图4中，横坐标为波长(nm)，纵坐标为透过率(%)。
具体实施方式
参见图1，本发明实施例设有CO2激光器1、LD指示器2、保护金反射镜3、保护金反射镜4、分束镜5、保护银反射镜6、保护银反射镜7、保护银反射镜8、聚焦透镜9、聚焦透镜10和直流电机11。所述CO2激光器1、LD指示器2、保护金反射镜3、保护金反射镜4、分束镜5、保护银反射镜6、保护银反射镜7、保护银反射镜8、聚焦透镜9和聚焦透镜10依次相连接并与直流电机11构成一种光纤微球制备装置，CO2激光器1输出的激光与LD指示器2发出的指示光精确对准后，经保护金反射镜3和保护金反射镜4后传输至分束镜5，分束镜5将入射激光束按50∶50的功率比分成功率相等的两束激光，并分别经保护银反射镜6、保护银反射镜7、聚焦透镜9和保护金反射镜8、聚焦透镜10反射、聚焦后，汇聚于两聚焦透镜焦点重叠的区域，直流电机11驱动旋转的光纤A末端在两束CO2激光的作用下加热熔融并在表面张力作用下形成微球。在图1中，标记B为旋转方向。
所述LD指示器为可见光波长的光路指示器。所述保护金反射镜3和保护金反射镜4为反射率R>96%、耐损伤且易于清洁的高质量反射镜。所述分束镜5为7~14μm、45°入射、50∶50功率比进行分光的硒化锌平板分束镜。所述保护银反射镜6、保护银反射镜7和保护银反射镜8为金属反射镜中在可见光波长范围内反射率最高的反射镜。所述聚焦透镜9和聚焦透镜10为对CO2激光的吸收率小于0.25%的硒化锌聚焦透镜。所述直流电机为低转速和中心出轴的直流电机。
本发明通过利用功率比为50∶50的分束镜5将CO2激光器1输出的激光，分成透射和反射两个方向的激光束，沿透射方向传输的激光束经保护银反射镜6和保护银反射镜7反射后到达聚焦透镜9，沿反射方向传输的激光束经保护银反射镜8反射后到达与聚焦透镜9相对平行放置的聚焦透镜10，两束激光束分别经聚焦透镜9和聚焦透镜10聚焦后，汇聚于两聚焦透镜焦点重叠的区域，直流电机11驱动光纤旋转并在两束对称方向的激光作用下加热熔融。由于直流电机驱动下的光纤匀速旋转，同时两束激光束在任意初始加载激光功率和任意时刻下的功率都是相等的，使得光纤末端在各个方向上受到两束等功率激光束相同的加热熔融作用，熔融的光纤末端在表面张力作用下形成微球。
参见图2，取一段标准通信用的SiO2单模光纤，用剥线钳剥去光纤的涂覆层，放到火焰拉锥机上将其拉细，并从略偏离锥腰处截断，得到带有锥形光纤末端的SiO2单模光纤做验证实验，将带锥形光纤末端的单模光纤固定于直流电机11的中心出轴处，直流电机11安装在三维调整架12上，调节三维调整架12，使单模光纤的末端位于聚焦透镜9和聚焦透镜10焦点重叠的区域，打开直流电机11使固定于中心出轴处的单模光纤匀速旋转，启动CO2激光器1，使单模光纤末端在匀速旋转的过程中受两束对称的激光束C和D作用而熔融，并在自然的表面张力作用下形成微球。利用两束CO2激光加热旋转光纤的微球制备装置制成的微球，由于直流电机11驱动被加热的光纤末端匀速旋转且提供热量的两束对称激光束具有相等的功率，因此制得的微球不会偏离光纤柄且有非产好的表面平整度和球形度。在图2中，标记11a为直流电机11的中心出轴，标记11b和标记11c为直流电机11的两个安装固定孔，标记B为旋转方向。
图3示出了利用两束CO2激光加热旋转光纤的微球制备装置制得的微球示意图，标记13为光纤柄，标记14为微球。通过控制激光器不同的输出功率和单模光纤末端进入两聚焦透镜焦点重叠区域的光纤长度，并施以不同的加热熔融时间，就可以得到各种不同尺寸的微球。其中光纤柄的直径主要由拉制的锥形光纤的尺寸所决定。
图4给出了利用制备好的带有光纤柄的微球与锥形光纤的耦合谐振实验，宽带光源16提供微球与锥形光纤耦合测试的加载激光信号，经过一段标准通信用的单模光纤17传输到锥腰直径为2.1μm的锥形光纤18，调节三维调整架12，使固定在光纤夹15上的微球14与锥形光纤18之间达到最佳耦合区域，在球微腔内产生回音壁模谐振，同时锥形光纤18还可把通过微球14耦合后的信号提取出来，并传输到单模光纤19，在连接单模光纤19的光谱仪20上显示出锥形光纤与微球之间的耦合谐振情况。在图4中，标记13为光纤柄。
图5为图4所示出的实施例的谐振光谱图。光谱仪的扫描间隔设在1525~1575nm波长范围，图中标记的3.88nm为实验测得的谐振模式波长间隔，而通过理论公式Δλ＝λ2/(2πna)计算出的谐振模式波长间隔为3.87nm，两者非常吻合，这里λ为锥形光纤与球微腔耦合时在微球内存在的谐振模式波长，可近似取为1.55μm，n是康宁公司SM-28TM单模光纤制成的微球的折射率，为1.4682，a是微球的半径，为67.3μm。

Claims (7)

1.一种光纤微球制备装置，其特征在于设有CO2激光器、激光二极管LD指示器、保护金反射镜、分束镜、保护银反射镜、聚焦透镜和直流电机；
所述CO2激光器、LD指示器、保护金反射镜、分束镜、保护银反射镜和聚焦透镜依次相连接并与直流电机构成两束CO2激光加热旋转光纤的微球制备装置，所述CO2激光器输出的激光与LD指示器发出的指示光对准后，经保护金反射镜传输至分束镜，分束镜将入射激光束按50∶50的功率比分成功率相等的两束激光，并分别经保护银反射镜和聚焦透镜聚焦后，汇聚于两聚焦透镜焦点重叠的区域，直流电机驱动旋转的光纤末端在两束CO2激光的作用下加热熔融并在表面张力作用下形成微球。
2.如权利要求1所述的一种光纤微球制备装置，其特征在于所述LD指示器采用可见光波长的光路指示器。
3.如权利要求1所述的一种光纤微球制备装置，其特征在于所述保护金反射镜为反射率R>96%的反射镜。
4.如权利要求1所述的一种光纤微球制备装置，其特征在于分束镜为7~14μm、45°入射、50∶50功率比进行分光的硒化锌平板分束镜。
5.如权利要求1所述的一种光纤微球制备装置，其特征在于所述保护银反射镜为金属反射镜中在可见光波长范围内反射率最高的反射镜。
6.如权利要求1所述的一种光纤微球制备装置，其特征在于所述聚焦透镜为对CO2激光的吸收率小于0.25%的硒化锌聚焦透镜。
7.如权利要求1所述的一种光纤微球制备装置，其特征在于所述直流电机为低转速和中心出轴的直流电机。
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