CN104465884A - 用于单光子探测系统中光纤和超导薄膜对光的装置及方法 - Google Patents

用于单光子探测系统中光纤和超导薄膜对光的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于单光子探测系统中光纤和超导薄膜对光的装置及方法，对光装置包括与位移平台机械手相连的对光机构，对光机构包括可纵向开合的套管，套管的内壁覆盖有石蜡，光纤穿设于套管内并被石蜡包裹；此外，该对光方法包括如下步骤：打开涂覆有石蜡的套管，并将光纤放入套管内；将光纤头部对准超导薄膜的感光处；加热套管，使石蜡融化并缓慢下降，填充光纤头部和超导薄膜感光处的空隙；停止加热，使石蜡自然冷却，使光纤头部和超导薄膜感光处固定；本发明的对光装置及方法，光纤和超导薄膜粘接效果好，并且光纤不易错位，对位精准，操作方便。

Description

用于单光子探测系统中光纤和超导薄膜对光的装置及方法
技术领域
本发明属于单光子探测技术领域，具体涉及一种用于单光子探测系统中将光纤和超导薄膜进行对光的装置及方法。
背景技术
单光子探测器是对光子等单量子物质极为敏感的一种装置，在高分辨率的光谱测量、非破坏性物质分析、高速现象检测、精密分析、大气测污、生物发光、放射探测、高能物理、天文测光、光时域反射(OTDR)、量子密钥分发系统(QKD)等领域有着广泛的应用。由于这类探测器都是工作在低于1K的温区内，对比普通的半导体光子探测器(如光电倍增管及雪崩光电二极管)而言，它们以其独有的高探测灵敏度，低背景噪声，低暗记数率以及较快的信号响应速度等特点成为了光子探测器中的佼佼者。
近年来，一种基于超导临界状态转换的超导边界转变传感器(Transition-Edge Sensors,TES)得到飞速发展，其原理是，当光子照射到通有一定电流的超导薄膜上时，光子被薄膜吸收所产生热量使局部温度升高到超导临界温度，从而形成局部非超导态，这一非超导区的存在会明显改变回路电阻，从而产生一个可探测的电流变化，通过这一变化电流的测量实现单光子探测的目的。
为了使光子准确的落入到超导薄膜的感光处，通常需要将用于传导光子的光纤对准超导薄膜的感光处，然后将二者粘接固定。传统的粘接方式主要是通过一根很细的探针将紫外固化胶等液体胶水滴落到对位好的光纤与超导薄膜的感光处之间，然后等待液体胶水自然固化或者用紫外灯照射使其加速固化。由于超导薄膜和光纤的尺寸都非常小，紫外固化胶等胶水液滴由于滴落过程中的分布不均匀等原因很容易在此对光过程中造成光纤移位，使粘接后的光纤与超导薄膜的感光处错位，从而造成对光失败。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题，提供一种粘接效果好，不易使光纤错位且操作方便的对光装置和对光方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种用于单光子探测系统中光纤和超导薄膜对光的装置，包括用于放置超导薄膜的载物台，靠近载物台设置的位移平台，位移平台设置有可开合的机械手，机械手用于夹紧光纤，还包括与位移平台机械手相连的对光机构，所述对光机构包括可纵向开合的套管，套管的内壁覆盖有石蜡，光纤穿设于套管内并被石蜡包裹；通过熔化的石蜡自然下降再凝固从而将光纤粘接在超导薄膜上。
优选地，所述对光机构还包括控制器以及设于套管外壁的加热单元，控制器与加热单元电连接，用于控制加热单元工作。
优选地，所述对光机构还包括设于套管外壁的温度传感器，温度传感器与控制器电连接，用于向控制器反馈套管温度。
优选地，还包括显微镜以及为显微镜提供照明的照明机构，所述显微镜和照明机构均通过可在XYZ轴方向自由移动的支架固定。
优选地，还包括与显微镜相连的显示单元，用于显示显微镜所观察的图像。
一种用于单光子探测系统中光纤和超导薄膜对光的方法，使用上述的对光装置，包括以下步骤：
步骤一、打开涂覆有石蜡的套管，并将光纤放入套管内；
步骤二、将光纤头部对准超导薄膜的感光处；
步骤三、加热套管，使石蜡融化并缓慢下降，填充光纤头部和超导薄膜感光处的空隙；
步骤四、停止加热，使石蜡自然冷却，使光纤头部和超导薄膜感光处固定。
优选地，在步骤二中，光纤头部与超导薄膜的感光处的距离为10微米至1毫米之间，或者为光纤直径的四分之一至两倍之间。
优选地，在步骤三中，套管被加热的温度为47摄氏度至64摄氏度。
本发明的有益效果是：本发明所提供的用于单光子探测系统中光纤和超导薄膜对光的装置及方法，在显微镜下对光纤和超导薄膜进行对位，然后通过加热单元将石蜡加热到熔点熔化，熔化了的石蜡顺着光纤滑落到超导薄膜上凝固从而将光纤粘接到超导薄膜上，由于石蜡是顺着光纤自然均匀的滑落，光纤受力均匀，在此过程中不会发生偏移错位，粘接好后打开套管可快速将光纤取出。
附图说明
图1是本发明对光装置的结构示意图；
图2是本发明对光机构的示意图。
附图标记说明：1、载物台；2、位移平台；21、机械手；3、对光机构；31、套管；32、石蜡；33、加热单元；4、显微镜。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：
第一部分：对光装置的实施例
如图1和图2所示，本发明的用于单光子探测系统中光纤和超导薄膜对光的装置，包括用于放置超导薄膜的载物台1，靠近载物台1设置的位移平台2，位移平台2设置有可开合的机械手21，机械手21用于夹紧光纤，还包括与位移平台2机械手21相连的对光机构3，对光机构3包括套管31，套管31为高导热性的导热材料制成，套管31的内壁均匀覆盖有一层石蜡32，形成环状的石蜡层；光纤穿设于套管31内并被石蜡32包裹；石蜡32可在加热到熔点时熔化并顺着光纤滑落到超导薄膜上凝固从而将光纤粘接到超导薄膜上。在该实施例中，图中套管31为圆筒状，但是，任何形状的套管31都可以用在本发明的对光装置中，例如外部呈立方体，内部具有圆形通孔的结构。
由于粘接过后的光纤一端与超导薄膜相连，另一端与光纤耦合器转接头相连，光纤不能从头尾直接取出，为了方便光纤的取放，套管31设为可纵向开合的结构，具体的可由两个半圆状的弧片铰接而成，机械手21的终端可优选为能够开合的夹子，通过打开机械手21可以将套管31取放，然后在打开套管31将光纤取放。
在本实施例中，所述机械手21与位移平台2的输出端相连，位移平台2可采用五轴装置平台，该五轴装置平台的五个自由度可以将机械手21上的对光机构3相对于载物台1精确定位，通过五个差动调节器可以实现方位对准。粗调是通过0.5毫米节距的丝杆实现的，微调是通过差动机制实现的，每转移动量为50微米，行程300微米。
对光机构3还包括控制器、加热单元33，加热单元33设于套管31的外壁，控制器与加热单元33电连接，用于控制加热单元33工作；更具体的，组成套管31的两个弧片上均与加热单元33的发热端相连，且加热单元33的发热端尽可能的覆盖住整个弧片，从而加热时使石蜡32受热均匀，从而均匀的熔化。
在本实施例中，对光机构3还包括温度传感器，温度传感器设于套管31的外壁，用于检测套管31的温度，温度传感器与控制器电连接，用于向控制器反馈套管31温度，从而使加热单元33的温度不会过高导致光纤的涂层被破坏。
为了方便对光机构3和超导薄膜的对位，对光装置还包括显微镜4以及为显微镜4提供照明的照明机构，所述显微镜4和照明机构均通过可在XYZ轴方向自由移动的支架固定，由于支架结构均属于现有技术，在此不再赘述。
在本实施例中，为了便于观察光纤和超导薄膜的对位情况，光纤的一端可以与连续红光光源相连，模拟单光子的入射位置，并设置与显微镜4相连的显示单元，用于显示显微镜4所观察的图像。
在实际的操作中也可以将石蜡32涂覆在光纤上，然后将光钎上涂覆了石蜡32的部分放入套管31中，其余部分不做变化。
第二部分：对光方法的实施例
对光方法的实施例1
本发明还提供一种用于单光子探测系统中光纤和超导薄膜对光的方法，使用上述的对光装置，包括以下步骤：
步骤一、打开涂覆有石蜡32的套管31，并将光纤放入套管31内，打开机械手21，将套管31放入机械手21并夹持固定；
步骤二、将显微镜4对准超导薄膜的感光处，打开照明机构，通过观察显示单元上的图像，将光纤头部对准超导薄膜的感光处，并且光纤头部与超导薄膜的感光处的距离为10微米；
步骤三、通过加热单元33加热套管31，使石蜡32融化并沿着光纤缓慢下降，填充光纤头部和超导薄膜感光处的空隙，温度传感器检测到套管31的温度并将数据信号发送至控制器，控制器通过控制加热单元33使套管31的温度始终维持在64摄氏度；由于石蜡是顺着光纤自然均匀的滑落，光纤受力均匀，在此过程中不会发生偏移错位。
步骤四、观察到滑落的石蜡已经将光纤头部和超导薄膜粘接后，关闭加热单元33停止加热，使石蜡自然冷却，当石蜡凝固后将光纤头部和超导薄膜感光处固定；
步骤五、打开机械手21将套管31取下，再打开套管31将光纤取出，即完成光纤和超导薄膜的对光。
对光方法的实施例2
一种用于单光子探测系统中光纤和超导薄膜对光的方法，使用上述的对光装置，包括以下步骤：
步骤一、打开涂覆有石蜡32的套管31，并将光纤放入套管31内，打开机械手21，将套管31放入机械手21并夹持固定；
步骤二、将显微镜4对准超导薄膜的感光处，打开照明机构，通过观察显示单元上的图像，将光纤头部对准超导薄膜的感光处，并且光纤头部与超导薄膜的感光处的距离为1毫米；
步骤三、通过加热单元33加热套管31，使石蜡32融化并沿着光纤缓慢下降，填充光纤头部和超导薄膜感光处的空隙，温度传感器检测到套管31的温度并将数据信号发送至控制器，控制器通过控制加热单元33使套管31的温度始终维持在47摄氏度；由于石蜡是顺着光纤自然均匀的滑落，光纤受力均匀，在此过程中不会发生偏移错位。
步骤四、观察到滑落的石蜡已经将光纤头部和超导薄膜粘接后，关闭加热单元33停止加热，使石蜡自然冷却，当石蜡凝固后将光纤头部和超导薄膜感光处固定；
步骤五、打开机械手21将套管31取下，再打开套管31将光纤取出，即完成光纤和超导薄膜的对光。
对光方法的实施例3
一种用于单光子探测系统中光纤和超导薄膜对光的方法，使用上述的对光装置，包括以下步骤：
步骤一、打开涂覆有石蜡32的套管31，并将光纤放入套管31内，打开机械手21，将套管31放入机械手21并夹持固定；
步骤二、将显微镜4对准超导薄膜的感光处，打开照明机构，通过观察显示单元上的图像，将光纤头部对准超导薄膜的感光处，并且光纤头部与超导薄膜的感光处的距离为500微米；
步骤三、通过加热单元33加热套管31，使石蜡32融化并沿着光纤缓慢下降，填充光纤头部和超导薄膜感光处的空隙，温度传感器检测到套管31的温度并将数据信号发送至控制器，控制器通过控制加热单元33使套管31的温度始终维持在50摄氏度；由于石蜡是顺着光纤自然均匀的滑落，光纤受力均匀，在此过程中不会发生偏移错位。
步骤四、观察到滑落的石蜡已经将光纤头部和超导薄膜粘接后，关闭加热单元33停止加热，使石蜡自然冷却，当石蜡凝固后将光纤头部和超导薄膜感光处固定；
步骤五、打开机械手21将套管31取下，再打开套管31将光纤取出，即完成光纤和超导薄膜的对光。
本发明的用于单光子探测系统中光纤和超导薄膜对光的装置及方法，光纤和超导薄膜粘接效果好，并且光纤不易错位，对位精准，操作方便。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于单光子探测系统中光纤和超导薄膜对光的装置，包括用于放置超导薄膜的载物台(1)，靠近载物台(1)设置的位移平台(2)，位移平台(2)设置有可开合的机械手(21)，机械手(21)用于夹紧光纤，其特征在于:还包括与位移平台(2)机械手(21)相连的对光机构(3)，所述对光机构(3)包括可纵向开合的套管(31)，套管(31)的内壁覆盖有石蜡(32)，光纤穿设于套管(31)内并被石蜡(32)包裹。
2.根据权利要求1所述的对光装置，其特征在于:所述对光机构(3)还包括控制器以及设于套管(31)外壁的加热单元(33)，控制器与加热单元(33)电连接，用于控制加热单元(33)工作。
3.根据权利要求2所述的对光装置，其特征在于:所述对光机构(3)还包括设于套管(31)外壁的温度传感器，温度传感器与控制器电连接，用于向控制器反馈套管(31)温度。
4.根据权利要求3所述的对光装置，其特征在于:还包括显微镜(4)以及为显微镜(4)提供照明的照明机构，所述显微镜(4)和照明机构均通过可在XYZ轴方向自由移动的支架固定。
5.根据权利要求4所述的对光装置，其特征在于:还包括与显微镜(4)相连的显示单元，用于显示显微镜(4)所观察的图像。
6.一种用于单光子探测系统中光纤和超导薄膜对光的方法，其特征在于，使用权利要求1至5任一所述的对光装置，包括以下步骤：
步骤一、打开涂覆有石蜡的套管(31)，并将光纤放入套管(31)内；
步骤二、将光纤头部对准超导薄膜的感光处；
步骤三、加热套管(31)，使石蜡(32)融化并缓慢下降，填充光纤头部和超导薄膜感光处的空隙；
步骤四、停止加热，使石蜡(32)自然冷却，使光纤头部和超导薄膜感光处固定。
7.根据权利要求6所述的对光方法，其特征在于：在步骤二中，光纤头部与超导薄膜的感光处的距离为10微米至1毫米之间。
8.根据权利要求6所述的对光方法，其特征在于：在步骤三中，套管(31)被加热的温度为47摄氏度至64摄氏度。
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