CN109968668A - 一种多环变直径谐振腔的制备装置及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种多环变直径谐振腔的制备装置及其制备方法，涉及微纳光学器件技术领域，笔头内设有笔芯、笔尖，由于笔尖与笔头内壁之间的溶液在固液接触面的流动特性，避免了挤出胀大现象，熔体被约束在笔尖处，更有利于精准直写，当运动平台变速运动时，笔尖上的熔体锥在基片上直写出直径可变的谐振腔，设有多个笔筒加热器，对笔筒内腔进行分区域温度控制，使笔筒内腔具有合理的温度场，避免输送至笔筒内腔的熔体过早冷却、固化，影响熔体的流动性，设有抽气装置，当笔筒内熔体产生大量废气，控制中心停止装置的直写动作，并打开抽气装置进行排气，将熔体上方的废气迅速排出笔筒后再重新开始直写，保证直写质量。

Description

一种多环变直径谐振腔的制备装置及其制备方法
技术领域
本发明涉及微纳光学器件技术领域，具体为一种多环变直径谐振腔的制备装置及其制备方法。
背景技术
利用微纳光纤制成的环形谐振腔，具有良好的谐振效应，同时还有可控的FSR、高的Q值以及良好的消光比等特点，因此可以将其集成化、微型化，制备成激光器、光滤波器、微型光纤传感器等器件。如何快速、精确地制备直径可变的光学微纳谐振腔已成为光子学领域发展的重要研究方向。
研究领域内并没有合理、有效的熔体装置来制备多环变直径谐振腔。如现有中国专利CN1889231A、CN1932564A等专利，利用气体的压缩性对浆料表面产生气压，浆料在气压和自重等作用力下被挤出笔头进行直写。
现有装置主要存在以下问题：第一，现有装置没有温控组件，无法提供熔体的适温环境，熔体在常温环境中输送将导致熔体固化、堵塞。第二，熔体被挤出机输送至料筒腔体内，在温度梯度差下会产生气体，如果不及时将腔内气体排出，会导致腔内气压不稳定，影响供液速度，熔体内的气泡也会影响直写结构品质。第三，利用现有技术进行熔体直写时，无法解决挤出胀大现象，挤出胀大现象影响熔体锥形状，增加熔体锥在固液两相接触面的不稳定性。第四，现有技术利用压力进行供液，无法实现单次直写结构的直径突变，即单个谐振腔直径无法渐变。
发明内容
（一）解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种多环变直径谐振腔的制备装置及其制备方法，利用温控、抽气、笔芯引流以及基片变速等技术手段，制备出多环变直径谐振腔。
（二）技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种多环变直径谐振腔的制备装置，包括底部带有笔头的笔筒、笔芯、熔体泵、熔体挤出机、气阀、气源、气压传感器、抽气装置、加热器、温度传感器、温控箱、控制中心、运动平台以及基片，所述笔筒的内部设置有分隔块，所述分隔块将笔筒分为气压缓冲腔和熔体腔，分隔块周向均布有若干气体流道，所述气压缓冲腔依次与气阀、气源连通，所述气压传感器设置在笔筒的内壁上，所述抽气装置与气压缓冲腔连通，所述熔体腔依次与熔体泵、熔体挤出机连通，所述笔芯安装于分隔块的底部，所述笔芯与笔筒处于同一轴线且笔尖伸出笔头，所述基片固定于运动平台上，所述基片设置在笔尖的正下方，所述气压传感器、气阀、抽气装置、熔体泵、运动平台分别与控制中心信号连接，所述加热器设置在笔筒的外周，温度传感器设置在笔筒的内壁，所述加热器和温度传感器分别依次与温控箱、控制中心连接。
优选的，所述笔筒包括上笔筒和下笔筒，所述加热器包括上加热器和下加热器，所述温度传感器包括上温度传感器和下温度传感器，所述上加热器包覆在上笔筒上，所述下加热器包覆在下笔筒上，所述上温度传感器设置在上笔筒的内壁上，所述下温度传感器设置在下笔筒的内壁上，所述上加热器、下加热器、上温度传感器、下温度传感器分别与温控箱、控制中心连接。
优选的，所述笔尖的对应处设有摄像机，所述摄像机与控制中心信号连接。
优选的，所述笔芯的长度范围为1cm~6cm，外径的范围为10μm~500μm。
优选的，所述笔尖的锥度范围为10°~40°。
优选的，所述笔头的内径范围为20μm~700μm。
优选的，所述基片为电子元件基板或石英玻璃。
一种多环变直径谐振腔的制备方法，具体步骤如下：
（1）设定上加热器对上笔筒的温控值，下加热器对下笔筒的温控值；
（2）将光纤粉末加入熔体挤出机，开启熔体挤出机，工作一段时间后粉末达到流动状态；
（3）设定熔体泵的泵送速度，熔体开始定速向熔体腔供液；
（4）通过设定气阀、气源工作参数，向笔筒内腔施加气压，笔尖与笔头之间的环腔处开始出现熔体锥；
（5）调整运动平台竖直位置，使笔尖与基片具有一定间距，熔体锥与基片相接触；
（6）设定运动平台的运动路径和运动速度，带动基片相对于笔尖做图案化运动，当笔尖运动到谐振腔变直径部分，运动平台应该加速或减速至某值，完成谐振腔变直径部分后，运动平台的运动速度恢复原值；
（7）直写完成后，得到基片上的多环变直径谐振腔。
（三）有益效果
本发明提供了一种多环变直径谐振腔的制备装置及其制备方法。具备以下有益效果：
1、该多环变直径谐振腔的制备装置及其制备方法，笔头内设有笔芯、笔尖，由于笔尖与笔头内壁之间的溶液在固液接触面的流动特性，避免了挤出胀大现象，熔体被约束在笔尖处，更有利于精准直写。
2、该多环变直径谐振腔的制备装置及其制备方法，当运动平台变速运动时，笔尖上的熔体锥在基片上直写出直径可变的谐振腔，平台移动速度大则直写出的直径（宽度）小，移动速度小则直径（宽度）大。
3、该多环变直径谐振腔的制备装置及其制备方法，通过设置多个笔筒加热器，对笔筒内腔进行分区域温度控制，使笔筒内腔具有合理的温度场，避免输送至笔筒内腔的熔体过早冷却、固化，影响熔体的流动性。
4、该多环变直径谐振腔的制备装置及其制备方法，通过设置抽气装置，当笔筒内熔体产生大量废气，控制中心停止装置的直写动作，并打开抽气装置进行排气，将熔体上方的废气迅速排出笔筒后再重新开始直写，保证直写质量。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明图1中A处放大图；
图3为本发明实施例中制备的多环变直径微纳光纤谐振腔示意图。
图中：1摄像机、2控制中心、3温控箱、4气压传感器、5气源、6笔芯连接座、7气阀、8分隔块、9气压缓冲腔、10抽气装置、11气体流道、12上笔筒、13上加热器、14熔体泵、15熔体挤出机、16熔体腔、17下笔筒、18熔体、19笔芯、20下加热器、21笔头、22笔尖、23熔体锥、24基片、25运动平台、26多环变直径谐振腔、27谐振腔变直径部分、28上温度传感器、29下温度传感器。
具体实施方式
本发明实施例提供一种多环变直径谐振腔的制备装置及其制备方法，如图1-3所示，包括笔筒，笔筒由上笔筒12和下笔筒17两个组件连接构成，便于拆卸，笔筒内部设有分隔块8，分隔块8将笔筒分为气压缓冲腔9和熔体腔16，分隔块8周向均布有若干气体流道11，气体流道11用于连通气压缓冲腔9和熔体腔16。
气压缓冲腔9依次与气阀7、气源5连通，笔筒内壁设有气压传感器4，气压传感器4、气阀7分别与控制中心2信号连接，可以在控制中心2设定笔筒内腔的气压期望值，控制中心2根据气压传感器4所测的压力值来调节气阀7对气源5的控制量，进而控制笔筒内腔的气压值，使笔筒内腔的气压值处于预设范围，控制中心2、气压传感器4、气阀7和气源5构成一个闭环系统，保证气腔内部的气压值。
气压缓冲腔9与抽气装置10连通，抽气装置10与控制中心2信号连接，受控制中心2控制其通断。当笔筒内腔中的杂气达到一定值时，控制中心2向装置发出停止直写命令，同时启动抽气装置10去除杂气。
熔体腔16依次与熔体泵14、熔体挤出机15连通，熔体泵14与控制中心2信号连接，可以在控制中心2设定熔体18的供液速度预期值，熔体挤出机15将原料熔化后泵送至熔体泵14，熔体泵14受控制中心2控制，按照预设的供料速度向熔体腔16注入熔体18。
分隔块8下方设有笔芯连接座6，笔芯连接座6下方设有笔芯19，笔芯19与笔筒处于同一轴线，且笔尖22伸出笔头21，调节笔芯连接座6可以控制笔尖22伸出笔头21的长度，由于笔尖22与笔头21内壁之间的溶液在固液接触面的流动特性，避免了挤出胀大现象，熔体18被约束在笔尖22处，更有利于精准直写。
上笔筒12的外周设有上加热器13，上笔筒12的内壁上设有上温度传感器28，下笔筒17的外周设有下加热器20，下笔筒17的内壁上设有下温度传感器29，上加热器13、上温度传感器28、下加热器20、下温度传感器29均与温控箱3、控制中心2连接，可以在控制中心2设定上笔筒12、下笔筒17内腔的温度预期值。控制中心2根据温度传感器所测的温度值来控制温控箱3施加给加热器的加热功率，控制中心2、温控箱3、温度传感器和加热器构成一个温控闭环系统，从而保证上笔筒12、下笔筒17在设定的温度值下工作，通过设置多个笔筒加热器，对笔筒内腔进行分区域温度控制，使笔筒内腔具有合理的温度场，避免输送至笔筒内腔的熔体18过早冷却、固化，影响熔体18的流动性。
笔头21正下方设有基片24，基片24固定于运动平台25，运动平台25与控制中心2信号连接，可以在控制中心2设定运动平台25的运动轨迹、速度，带动基片24相对于笔尖22做图案化运动，当运动平台25变速运动时，笔尖22上的熔体锥23在基片24上直写出直径可变的谐振腔。
笔尖22处设有摄像机1，摄像机1与控制中心2信号连接，可以将熔体锥23与基片24的接触情况显示在控制中心2的显示器上，便于观察并及时调整直写参数。
笔芯19长度范围1cm~6cm，外径范围10μm~500μm。
笔尖22，锥度范围10°~40°。
笔头21，内径范围20μm~700μm。
基片24优选电子元件基板或石英玻璃。
抽气装置10优选真空泵。
本实施例的控制中心2由SIMATIC S7-1200控制器、SIMATIC KTP700 Basic触摸屏等部件组装而成，可以对本实施进行温控、流控、压控以及运动平台25控制。本实施例的运动平台25为XY双轴平台，XY各方向上的运动轨迹可以通过控制指令来控制，X轴上电机型号为TR10 B08402NPMAB3，Y轴型号为TR07A05601NSMAB3。
一种多环变直径谐振腔的制备方法，具体步骤如下：
（1）确保笔筒的气密性，其中，笔头21内径220μm、笔芯19外径160μm、笔尖22锥度20°，笔尖22伸出笔头21的长度150μm；
（2）设定上加热器13对上笔筒12的温控值为200摄氏度，下加热器20对下笔筒17的温控值为220摄氏度；
（3）将PMMA粉末加入熔体挤出机15，开启熔体挤出机15，工作一段时间后PMMA达到流动状态；
（4）设定熔体泵14的泵送速度5ml/h，熔体18开始定速向熔体腔16供液；
（5）设定气阀7、气源5工作参数，向笔筒内腔施加气压值0.2MPa，笔头21开始出现熔体锥23；
（6）调整运动平台25竖直位置，使笔尖22与基片24的距离为60μm，熔体锥23与基片24相接触；
（7）设定运动平台25的运动路径和运动速度10mm/s，带动基片24相对于笔尖22做图案化运动，当笔尖22运动到谐振腔变直径部分27（图3），运动平台25应该减速至6mm/s，完成谐振腔变直径部分27后，运动平台25的运动速度恢复至10mm/s；
（8）直写完成后，得到基片24上的多环变直径谐振腔26。
进一步阐述步骤（3）的操作，如发现笔筒内压异常，应先停止直写动作，打开抽气装置10进行抽气，将杂气抽离笔筒后，再重新进行直写。
进一步阐述步骤（7）的操作，通过控制直写平台25的移动速度，可以在基片24上直写出单根直径可控的纤维，移动速度大则直径小，移动速度小则直径大。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种多环变直径谐振腔的制备装置，其特征在于：包括底部带有笔头的笔筒、笔芯、熔体泵、熔体挤出机、气阀、气源、气压传感器、抽气装置、加热器、温度传感器、温控箱、控制中心、运动平台以及基片，所述笔筒的内部设置有分隔块，所述分隔块将笔筒分为气压缓冲腔和熔体腔，分隔块周向均布有若干气体流道，所述气压缓冲腔依次与气阀、气源连通，所述气压传感器设置在笔筒的内壁上，所述抽气装置与气压缓冲腔连通，所述熔体腔依次与熔体泵、熔体挤出机连通，所述笔芯安装于分隔块的底部，所述笔芯与笔筒处于同一轴线且笔尖伸出笔头，所述基片固定于运动平台上，所述基片设置在笔尖的正下方，所述气压传感器、气阀、抽气装置、熔体泵、运动平台分别与控制中心信号连接，所述加热器设置在笔筒的外周，温度传感器设置在笔筒的内壁，所述加热器和温度传感器分别依次与温控箱、控制中心连接。
2.根据权利要求1所述的一种多环变直径谐振腔的制备装置，其特征在于：所述笔筒包括上笔筒和下笔筒，所述加热器包括上加热器和下加热器，所述温度传感器包括上温度传感器和下温度传感器，所述上加热器包覆在上笔筒上，所述下加热器包覆在下笔筒上，所述上温度传感器设置在上笔筒的内壁上，所述下温度传感器设置在下笔筒的内壁上，所述上加热器、下加热器、上温度传感器、下温度传感器分别与温控箱、控制中心连接。
3.根据权利要求1所述的一种多环变直径谐振腔的制备装置，其特征在于：所述笔尖的对应处设有摄像机，所述摄像机与控制中心信号连接。
4.根据权利要求1所述的一种多环变直径谐振腔的制备装置，其特征在于：所述笔芯的长度范围为1cm~6cm，外径的范围为10μm~500μm。
5.根据权利要求1所述的一种多环变直径谐振腔的制备装置，其特征在于：所述笔尖的锥度范围为10°~40°。
6.根据权利要求1所述的一种多环变直径谐振腔的制备装置，其特征在于：所述笔头的内径范围为20μm~700μm。
7.根据权利要求1所述的一种多环变直径谐振腔的制备装置，其特征在于：所述基片为电子元件基板或石英玻璃。
8.一种多环变直径谐振腔的制备方法，具体步骤如下：
（1）设定上加热器对上笔筒的温控值，下加热器对下笔筒的温控值；
（2）将光纤粉末加入熔体挤出机，开启熔体挤出机，工作一段时间后粉末达到流动状态；
（3）设定熔体泵的泵送速度，熔体开始定速向熔体腔供液；
（4）设定气阀、气源工作参数，向笔筒内腔施加气压，笔头处开始出现熔体锥；
（5）调整运动平台位置，使笔尖与基片具有一定间距，熔体锥与基片相接触；
（6）设定运动平台的运动路径和运动速度，带动基片相对于笔尖做图案化运动，当笔尖运动到谐振腔变直径部分，运动平台应该加速或减速至某值，完成谐振腔变直径部分后，运动平台的运动速度恢复原值；
（7）直写完成后，得到基片上的多环变直径谐振腔。
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