CN108051405A - 光学胶折射率测量器件、测量系统及测量方法 - Google Patents

光学胶折射率测量器件、测量系统及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种光学胶折射率测量器件、测量系统及测量方法，所述光学胶折射率测量器件包括：衬底；微纳光纤，位于贴置于所述衬底的上表面，且所述微纳光纤的两端延伸至所述衬底的外侧；光学胶，位于所述衬底的上表面，且固化包覆于所述微纳光纤的外围。本发明可用于低温条件下对光学胶折射率进行测量，低温条件的温度可以达到约2K（开尔文）；本发明对待测量的光学胶的形状没有要求，使用更加灵活方便；本发明的器件、系统结构简单，便于操作，测量结构稳定性及准确性较高。

Description

光学胶折射率测量器件、测量系统及测量方法
技术领域
本发明属于探测技术领域，特别是涉及一种光学胶折射率测量器件、测量系统及测量方法。
背景技术
低温探测器在物理、天文等领域具有重要应用价值。光学胶是一种普遍应用于光通信、光探测系统的材料，在低温探测器中可用于物理粘合、减少光通道之间反射损耗(菲涅尔反射)等。常用的丙烯酸酯类光学胶的折射率对温度非常敏感，在低温下折射率变化很大，一定程度上影响了器件和系统性能。因而，掌握光学胶的低温折射率参数属性至关重要。
测量折射率的光学方法有很多，例如采用光纤光栅，光纤表面等离子体共振(SPR)，光子晶体波导，光时域反射仪(OTDR)等方法，但是这些方法普遍用于常温环境，没有应用于低温的报道。国际上低温折射率测量主要采用最小偏向角法，干涉法，垂直入射偏向角法等方法，需要高精度的大型仪器，并考虑真空、热胀冷缩、振动等多种因素对光学系统的影响，技术难度大。并且这些测量方法主要用于棱镜类样品折射率的测量，仪器的构造和对样品形态的要求，使得它们并不适用于光学胶折射率的测量。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种光学胶折射率测量器件、测量系统及测量方法，用于解决现有技术中存在的无法在低温条件下对光学胶折射率进行测量的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种光学胶折射率测量器件，所述光学胶折射率测量器件包括：
衬底；
微纳光纤，位于贴置于所述衬底的上表面，且所述微纳光纤的两端延伸至所述衬底的外侧；
光学胶，位于所述衬底的上表面，且固化包覆于所述微纳光纤的外围。
优选地，所述微纳光纤经由单模光纤拉制而成。
优选地，所述光学胶折射率测量器件还包括单模光纤及过渡光纤，其中，所述过渡光纤一端与所述单模光纤相连接，另一端与所述微纳光纤相连接；所述过渡光纤经由所述单模光纤拉制而成，所述过渡光纤的直径自与所述单模光纤相连的一端向与所述微纳光纤相连的一端逐渐变小。
优选地，所述衬底包括MgF2衬底。
本发明还提供一种光学胶折射率测量系统，所述光学胶折射率测量系统包括：
如上述任一方案中所述的光学胶折射率测量器件；
制冷装置，用于放置所述光学胶折射率测量器件，并为所述光学胶折射率测量器件提供低温测量环境；
激光源，与所述微纳光纤的一端相连接，用于发射激光；
光功率计，与所述微纳光纤的另一端相连接，用于测量所述激光透过所述微纳光纤的透过率与所述光学胶折射率测量器件的温度之间的关系，以确定所述激光透过所述微纳光纤的透过率突变时的温度；
处理系统，用于依据所述微纳光纤的直径、所述微纳光纤的材料及所述激光的模式得到所述激光透过所述微纳光纤的透过率突变时所述光学胶的仿真折射率。
优选地，所述光学胶折射率测量系统还包括偏振控制器，所述偏振控制器位于所述激光源与所述光学胶折射率测量器件之间的所述单模光纤上，用于调制入射至所述微纳光纤的激光的模式。
优选地，所述制冷装置包括G-M制冷机。
优选地，所述处理系统包括COMSOL Multiphysics仿真系统。
本发明还提供一种光学胶折射率测量方法，所述光学胶折射率测量方法包括如下步骤：
1)提供如上述任一方案中所述的光学胶折射率测量系统；
2)使用所述激光源向所述微纳光纤内输入激光；
3)使用所述制冷装置对所述光学胶折射率量测器件进行冷却，同时使用所述光功率计记录所述激光透过所述微纳光纤的透过率随温度的变化，以找到所述激光透过所述微纳光纤的透过率突变时的温度；
4)依据所述微纳光纤的直径、所述微纳光纤的材料及所述激光的模式得到所述激光透过所述微纳光纤的透过率突变时所述光学胶的仿真折射率；
5)依据所述光功率计找到的所述激光透过所述微纳光纤的透过率突变时的温度，查找步骤4)中得到的所述光学胶的仿真折射率，得到的对应温度下所述光学胶的折射率。
优选地，步骤2)中，输入所述微纳光纤内的所述激光为经过调制后的TE模式的激光或TM模式的激光。
优选地，步骤4)中，使用COMSOL Multiphysics仿真系统依据所述微纳光纤的直径、所述微纳光纤的材料及所述激光的模式得到所述激光透过所述微纳光纤的透过率突变时所述光学胶的仿真折射率。
如上所述，本发明的光学胶折射率测量器件、测量系统及测量方法，具有以下有益效果：本发明可用于低温条件下对光学胶折射率进行测量，低温条件的温度可以达到约2K(开尔文)；本发明对待测量的光学胶的形状没有要求，使用更加灵活方便；本发明的器件、系统结构简单，便于操作，测量结构稳定性及准确性较高。
附图说明
图1显示为本发明实施例一中提供的制备光学胶折射率测量器件的立体结构示意图。
图2显示为沿图1中AA’方向的截面结构示意图。
图3显示为本发明实施例二中提供的光学胶折射率测量系统的结构示意图.
图4显示为本发明实施例三中提供的光学胶折射率测量方法的流程图。
组件标号说明
1 光学胶折射率测量器件
11 衬底
12 微纳光纤
13 光学胶
14 单模光纤
15 过渡光纤
2 制冷装置
3 激光源
4 光功率计
5 处理系统
6 偏振控制器
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1～图4。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。
实施例一
请参阅图1至图2，本发明提供提供一种光学胶折射率测量器件1，所述光学胶折射率测量器件1包括：衬底11；微纳光纤12，所述微纳光纤12位于贴置于所述衬底11的上表面，且所述微纳光纤12的两端延伸至所述衬底11的外侧；光学胶13，所述光学胶13位于所述衬底11的上表面，且固化包覆于所述微纳光纤12的外围。
作为示例，所述衬底11可以为任意一种可以起支撑作用的衬底，譬如，半导体衬底、玻璃衬底、陶瓷衬底等等，优选地，本实施例中，所述衬底11为MgF2衬底。
作为示例，所述微纳光纤12可以经由一单模光纤拉制而成。
作为示例，所述光学胶折射率测量器件1还包括单模光纤14及过渡光纤15，其中，所述过渡光纤15一端与所述单模光纤14相连接，另一端与所述微纳光纤12相连接；所述过渡光纤15经由所述单模光纤14拉制而成，所述过渡光纤15的直径自与所述单模光纤14相连的一端向与所述微纳光纤12相连的一端逐渐变小。更为具体的，通过对一所述单模光纤14进行拉制，使得其部分区域逐渐变细，直至拉制到有些区域的直径达到目标直径(譬如，1μm)作为所述微纳光纤12，则在所述微纳光纤12与直径没有发生变化的所述单模光纤14之间就存在直径渐变的所述过渡光纤15，所述过渡光纤15的直径由所述单模光纤14的直径渐变至所述微纳光纤12的直径。
作为示例，所述光学胶13可以为现有的任意一种光学胶，优选地，本实施例中，所述光学胶13的折射率随着温度的降低逐渐变大。
本发明的所述光学胶折射率测量器件可用于低温条件下对所述光学胶13的折射率进行测量，低温条件的温度可以达到约2K(开尔文)；对待测量的所述光学胶13的形状没有要求，使用更加灵活方便；且结构简单，便于操作，测量结构稳定性及准确性较高。
实施例二
请参阅图3，本发明还提供一种光学胶折射率测量系统，所述光学胶折射率测量系统包括：如实施例一中所述的光学胶折射率测量器件1，所述光学胶折射率测量器件1的具体结构请参阅实施例一，此处不再累述；制冷装置2，所述制冷装置2用于放置所述光学胶折射率测量器件1，并为所述光学胶折射率测量器件1提供低温测量环境；激光源3，所述激光源3与所述微纳光纤12的一端相连接，用于发射激光；光功率计4，所述光功率计4与所述微纳光纤12的另一端相连接，用于测量所述激光透过所述微纳光纤12的透过率与温度之间的关系，以确定所述激光透过所述微纳光纤12的透过率突变时的温度；处理系统5，所述处理系统5用于依据所述微纳光纤12的直径、所述微纳光纤12的材料及所述激光的模式得到所述激光透过所述微纳光纤12的透过率突变时所述光学胶13的仿真折射率。
作为示例，当所述光学胶折射率测量器件包括所述单模光纤14及所述过渡光纤15时，其中，位于所述激光源3与所述光学胶折射率测量器件1之间的所述单模光纤14一端与所述激光源3相连接，另一端与所述过渡光纤15远离所述微纳光纤12的一端相连接，位于所述光功率计4与所述光学胶折射率测量器件1之间的所述单模光纤14一端与所述光功率计4相连接，另一端与所述过渡光纤15远离所述微纳光纤12的另一端相连接。
作为示例，所述光学胶折射率测量系统还包括偏振控制器6，所述偏振控制器6位于所述激光源3与所述光学胶折射率测量器件1之间的所述单模光纤14上，用于调制入射至所述微纳光纤12的激光的模式，即所述偏振控制器6通过对所述单模光纤14内传输的所述激光进行调制，可以得到所需模式的激光输入至所述微纳光纤12内。优选地，所述偏振控制器6可以将所述激光调制成TE模式的激光或TM模式的激光以输入到所述微纳光纤12中。
作为示例，所述制冷装置2可以为任意一种可以提供所需低温条件的制冷装置，优选地，本实施例中，所述制冷装置2为G-M(Giffod-McMahon)制冷机。
作为示例，所述处理系统5可以为但不仅仅限于COMSOL Multiphysics仿真系统，所述COMSOL Multiphysics仿真系统为本领域人员所知晓，此处不再累述。
本发明的所述光学胶折射率测量系统的工作原理为：在使用所述制冷装置2对所述光学胶折射率测量器件1进行降温的同时，使用所述激光源3向所述微纳光纤12中输入经过所述偏振控制器6调制的单模式的激光，激光经过所述微纳光纤12后会被所述光功率计4测量到，根据所述光功率计4测量到的输出的所述激光的光强与输入的所述激光的光强的比可以得到所述激光在所述微纳光纤12中的透过率；当所述微纳光纤12中的激光泄漏到所述光学胶13或所述衬底11内时，透过率会突变减小。又随着温度的降低，所述光学胶13的折射率逐渐变化，当所述光学胶13的折射率变化到一定数值，在所述微纳光纤12中传输的激光会从泄漏的状态变为不泄露或者从不泄露的状态变为泄漏(具体情形由不同的胶的性质决定)，从而使得所述光功率计4测量到的所述激光的透过率发生突变，此时，记录所述激光的透过率突变时温度；在所述处理系统5中输入微纳光纤12的直径、所述微纳光纤12的材料及所述激光的模式等参数估算输入所述光学胶13的仿真折射率，依据输入的上述参数进行仿真激光透过所述微纳光纤12的透过率是否发生突变(即激光是否从所述微纳光纤12中泄露)，依据需要可以更改输入的仿真折射率的数值进行仿真，记录仿真过程中激光透过所述微纳光纤12的透过率突变时对应的仿真折射率；最后，依据记录所述激光的透过率突变时温度，查找仿真得到的所述光学胶13的仿真折射率，即可得到该温度下所述光学胶12的折射率。
需要说明是，所述处理系统5得到的所述光学胶13的所述仿真折射率可以为一个或多个具体的数值，具体数值的选取需要考虑不同胶的具体情况以及透过率-温度曲线形状。
实施例三
请结合图3参阅图4，本发明还提供一种光学胶折射率测量方法，所述光学胶折射率测量方法包括如下步骤：
1)提供如实施例二中所述的光学胶折射率测量系统；
2)使用所述激光源向所述微纳光纤内输入激光；
3)使用所述制冷装置对所述光学胶折射率量测器件进行冷却，同时使用所述光功率计记录所述激光透过所述微纳光纤的透过率随温度的变化，以找到所述激光透过所述微纳光纤的透过率突变时的温度；
4)依据所述微纳光纤的直径、所述微纳光纤的材料及所述激光的模式得到所述激光透过所述微纳光纤的透过率突变时所述光学胶的仿真折射率；
5)依据所述光功率计找到的所述激光透过所述微纳光纤的透过率突变时的温度及步骤4)中得到的所述光学胶的仿真折射率，得到对应温度下所述光学胶的折射率。
作为示例，所述光学胶折射率测量系统的具体结构请参阅实施例二，此处不再累述。
作为示例，向输入所述微纳光纤内的所述激光为经过调制后的TE模式的激光或TM模式的激光。
作为示例，在步骤4)中，可以使用COMSOL Multiphysics仿真系统依据所述微纳光纤的直径、所述微纳光纤的材料及所述激光的模式得到所述激光透过所述微纳光纤的透过率突变时所述光学胶的仿真折射率。
综上所述，本发明提供一种光学胶折射率测量器件、测量系统及测量方法，所述光学胶折射率测量器件包括：衬底；微纳光纤，位于贴置于所述衬底的上表面，且所述微纳光纤的两端延伸至所述衬底的外侧；光学胶，位于所述衬底的上表面，且固化包覆于所述微纳光纤的外围。本发明可用于低温条件下对光学胶折射率进行测量，低温条件的温度可以达到约2K(开尔文)；本发明对待测量的光学胶的形状没有要求，使用更加灵活方便；本发明的器件、系统结构简单，便于操作，测量结构稳定性及准确性较高。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (11)

1.一种光学胶折射率测量器件，其特征在于，所述光学胶折射率测量器件包括：
衬底；
微纳光纤，位于贴置于所述衬底的上表面，且所述微纳光纤的两端延伸至所述衬底的外侧；
光学胶，位于所述衬底的上表面，且固化包覆于所述微纳光纤的外围。
2.根据权利要求1所述的光学胶折射率测量器件，其特征在于：所述微纳光纤经由单模光纤拉制而成。
3.根据权利要求1所述的光学胶折射率测量器件，其特征在于：所述光学胶折射率测量器件还包括单模光纤及过渡光纤，其中，所述过渡光纤一端与所述单模光纤相连接，另一端与所述微纳光纤相连接；所述过渡光纤经由所述单模光纤拉制而成，所述过渡光纤的直径自与所述单模光纤相连的一端向与所述微纳光纤相连的一端逐渐变小。
4.根据权利要求1所述的光学胶折射率测量器件，其特征在于：所述衬底包括MgF2衬底。
5.一种光学胶折射率测量系统，其特征在于，所述光学胶折射率测量系统包括：
如权利要求1至4中任一项所述的光学胶折射率测量器件；
制冷装置，用于放置所述光学胶折射率测量器件，并为所述光学胶折射率测量器件提供低温测量环境；
激光源，与所述微纳光纤的一端相连接，用于发射激光；
光功率计，与所述微纳光纤的另一端相连接，用于测量所述激光透过所述微纳光纤的透过率与温度之间的关系，以确定所述激光透过所述微纳光纤的透过率突变时的温度；
处理系统，用于依据所述微纳光纤的直径、所述微纳光纤的材料及所述激光的模式得到所述激光透过所述微纳光纤的透过率突变时所述光学胶的仿真折射率。
6.根据权利要求5所述的光学胶折射率测量系统，其特征在于：所述光学胶折射率测量系统还包括偏振控制器，所述偏振控制器位于所述激光源与所述光学胶折射率测量器件之间的所述单模光纤上，用于调制入射至所述微纳光纤的激光的模式。
7.根据权利要求5所述的光学胶折射率测量系统，其特征在于：所述制冷装置包括G-M制冷机。
8.根据权利要求5所述的光学胶折射率测量系统，其特征在于：所述处理系统包括COMSOL Multiphysics仿真系统。
9.一种光学胶折射率测量方法，其特征在于，所述光学胶折射率测量方法包括如下步骤：
1)提供如权利要求5至8中任一项所述的光学胶折射率测量系统；
2)使用所述激光源向所述微纳光纤内输入激光；
3)使用所述制冷装置对所述光学胶折射率量测器件进行冷却，同时使用所述光功率计记录所述激光透过所述微纳光纤的透过率随温度的变化，以找到所述激光透过所述微纳光纤的透过率突变时的温度；
4)依据所述微纳光纤的直径、所述微纳光纤的材料及所述激光的模式得到所述激光透过所述微纳光纤的透过率突变时所述光学胶的仿真折射率；
5)依据所述光功率计找到的所述激光透过所述微纳光纤的透过率突变时的温度及步骤4)中得到的所述光学胶的仿真折射率，得到对应温度下所述光学胶的折射率。
10.根据权利要求9所述的光学胶折射率测量方法，其特征在于：步骤2)中，输入所述微纳光纤内的所述激光为经过调制后的TE模式的激光或TM模式的激光。
11.根据权利要求9所述的光学胶折射率测量方法，其特征在于：步骤4)中，使用COMSOLMultiphysics仿真系统依据所述微纳光纤的直径、所述微纳光纤的材料及所述激光的模式得到所述激光透过所述微纳光纤的透过率突变时所述光学胶的仿真折射率。
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