CN112285838A - 一种光纤回音壁谐振器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤回音壁谐振器，包括腔体结构、耦入光纤和耦出光纤；其中，腔体结构为腔壁折射率大于空气折射率且腔壁可透光的球形空腔结构；耦入光纤和腔体结构外表面贴合连接的端面为楔形斜端面，且楔形斜端面的纤芯部位和腔体结构贴合连接；耦入光纤用于通过背离腔体结构的一端输入的光波，并通过楔形斜端面耦入腔体结构内；腔体结构用于将耦入的光波形成共振驻波并通过耦出光纤输出。本申请中所提供的光纤回音壁谐振器采用端面为楔形斜端面的耦入光纤将光线耦入腔体结构，具有结构稳定不易破损、占用空间小结构简单等优点，保证了光纤向腔体结构内耦入光线的耦合效率，提升回音壁谐振腔的整体性能。

Description

一种光纤回音壁谐振器

技术领域

本发明涉及回音壁谐振器技术领域，特别是涉及一种光纤回音壁谐振器。

背景技术

由于电磁波在从光密介质向光疏介质传播时会发生全反射现象，因此在具有旋转对称的几何结构的腔体中，当光沿腔体边缘通过全反射传播时，当腔体周围的光路是波长的整数倍，会产生干涉加强现象即共振现象形成驻波，这种驻波模式称之为回音壁模式，用来约束光场形成驻波的几何结构的腔体即被称为回音壁谐振腔。回音壁谐振腔具有很高的品质因子和较小的体积，能极大地增强腔体内光场与物质相互作用，因此回音壁谐振腔具有极高的传感灵敏度，广泛应用于各种传感检测中。常见的回音壁谐振腔包含微球腔、微泡腔、微盘腔和微芯圆环腔等。

由于回音壁谐振腔是基于全反射原理实现光波传输，腔体内行波波矢大于自由空间波矢，由于动量失配，自由空间的光很难耦合到回音壁谐振腔内，通常需要采用近场耦合，较为常用的是利用动量匹配的倏逝场进行耦合，可以达到极高的耦合效率。

目前，实现回音壁谐振腔的近场耦合的耦合器件有光纤锥、棱镜、基座波导耦合等。光线锥耦合的耦合效率高但是结构易碎且不易稳定制备，棱镜耦合高效且便捷但其体积限制了在实际中的应用，基座波导耦合可以将光有效地耦合进微球结构中，但是基座波导结构复杂并要求很高的制作精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种光纤回音壁谐振器，在保证了腔体结构中光线耦合效率的基础上，提高回音壁谐振器的整体性能。

为解决上述技术问题，本发明提供一种光纤回音壁谐振器，包括腔体结构、耦入光纤和耦出光纤；

其中，所述腔体结构为腔壁的折射率大于空气介质折射率且所述腔壁可透光的球形空腔结构；所述耦入光纤的一端端面为楔形斜端面，所述腔体结构设置在所述耦入光纤具有所述楔形斜端面的一端；所述耦入光纤用于将通过背离所述腔体结构的一端输入的光波通过所述楔形斜端面耦入所述腔体结构内；所述腔体结构用于将耦入的光波形成共振光波并通过所述耦出光纤输出。

在本申请的另一可选地实施例中，所述耦出光纤和所述腔体结构外表面贴合连接的端面为楔形斜端面。

在本申请的另一可选地实施例中，所述耦出光纤和所述耦入光纤为同一光纤。

在本申请的另一可选地实施例中，所述耦入光纤的楔形斜端面和所述耦入光纤的长度方向夹角不大于15度；所述耦出光纤的楔形斜端面和所述耦出光纤的长度方向夹角不大于15度。

在本申请的另一可选地实施例中，所述耦入光纤的楔形斜端面和所述耦入光纤的长度方向夹角为10度至15度；所述耦出光纤的楔形斜端面和所述耦出光纤的长度方向夹角为10度至15度。

在本申请的另一可选地实施例中，所述耦出光栅和所述耦入光栅与所述腔体结构的连接点位于所述腔体结构的同一直径上。

在本申请的另一可选地实施例中，所述腔体结构为玻璃腔体结构。

在本申请的另一可选地实施例中，所述腔体结构为对毛细玻璃管进行放电软化后，加压膨胀形成的球形空腔结构。

在本申请的另一可选地实施例中，所述腔体结构的腔壁厚度为1微米到3微米。

在本申请的另一可选地实施例中，所述腔体结构的半径为50微米至250微米。

本发明所提供的一种光纤回音壁谐振器，包括腔体结构、耦入光纤和耦出光纤；其中，腔体结构为腔壁的折射率大于空气介质折射率且腔壁可透光的球形空腔结构；耦入光纤的一端端面为楔形斜端面，腔体结构设置在耦入光纤具有楔形斜端面的一端；耦入光纤用于将通过背离腔体结构的一端输入的光波通过楔形斜端面耦入腔体结构内；腔体结构用于将耦入的光波形成共振光波并通过耦出光纤输出。

本申请中所提供的光纤回音壁谐振器采用端面为楔形斜端面的耦入光纤将光线耦入腔体结构，实现光纤中传导的光波直接耦入腔体结构内，相较于棱镜、光线锥以及基座波导等耦合部件而言，本申请中所采用的具有楔形斜端面的耦入光纤，在保证高耦合率的基础上，具有结构稳定不易破损、占用空间小结构简单等优点。因此，本申请提供的光纤回音壁谐振器，在避免光纤断裂的情况下，保证了光纤向腔体结构内耦入光线的耦合效率，提升回音壁谐振腔的整体性能。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的回音壁谐振器的结构示意图。

具体实施方式

对于回音壁谐振器的耦合部件中，光纤耦合部件最常见的是锥型光纤，是通过将光纤的某一段加热后拉细，形成对称的锥型结构，并将回音壁谐振腔置于锥型结构最细的部位，当光线在光纤中传输至该锥型结构部位时，可形成倏逝场，实现光线向回音壁谐振腔中耦合。但对于光纤本身而言，其截面的直径一般就仅仅只有125微米，纤芯仅仅只有8微米，在进行拉细之后，锥型结构的最细部位仅仅会变得更细仅有纳米量级，这就导致锥型光纤最细的部位极易断裂，造成回音壁谐振器的性能低。

为此，本申请中提供了一种能够保证良好的耦合效率基础上，结构稳定坚固且简单的回音壁谐振器。下面将以具体实施例进行详细说明。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，图1为本申请实施例提供的回音壁谐振器的结构示意图。该光纤回音壁谐振器可以包括：

腔体结构2、耦入光纤1和耦出光纤3；

其中，腔体结构2为折射率大于空气折射率且腔壁可透光的球形空腔结构；例如，该腔体结构2可以为透明玻璃球空腔结构，折射率为1.4682。

耦入光纤1的一端端面为楔形斜端面，腔体结构2设置在耦入光纤1具有楔形斜端面的一端，在耦入光纤1内通过全反射传输至该楔形斜端面的光波，可通过该楔形斜端面耦入至腔体结构2的内部，也即是说该楔形斜端面即耦入光纤1和腔体结构2相耦合的部位；

在实际应用中，可以将光线从耦入光纤1背离腔体结构2的一端输入至耦入光纤1的内部，通过在耦入光纤1的纤芯全反射传输至楔形斜端面，并通过楔形斜端面耦入腔体结构2内；

腔体结构2用于将耦入的光波形成共振驻波并通过耦出光纤3输出。

因为腔体结构2为球形空腔，且腔体结构2的腔壁折射率大于空气介质折射率，也即是说腔体结构2的腔壁相对于空气介质而言相当于光密介质，那么耦入腔体结构2内部的光线在入射到腔体结构的腔壁上时，即可发生全反射进而使得光线在腔体结构2内反复反射叠加共振形成驻波，且当共振光波入射至腔体结构2和耦出光纤3相互耦合的部位时，因为耦出光纤3使得该耦合部位的腔壁外表面的环境介质发生变化也即折射率发生变化从而导致共振光波可以从该耦合部位耦出至耦出光纤3，并通过耦出光纤3输出，一般输出至用于检测共振光波的波峰波长的光谱检测器。

如图1所示，对于耦入光纤1而言，其和腔体结构2相贴近的端面为楔形斜端面，当光线从耦入光纤1远离腔体结构2的一端入射并传导至楔形斜端面，该楔形斜端面即可形成倏逝场，进而使得光线从该耦入光纤1的楔形斜端面耦入至腔体结构2内部，而该腔体结构2为几何中心对称的球形空腔结构，腔体结构2的折射率大于空气介质的折射率且腔壁可透光，该腔体结构2也就相当于是回音壁谐振腔，从耦入光纤1的楔形斜端面耦入的光线透过该腔体结构2的腔壁进入至腔体结构2内部，耦入的光波即可在该腔体结构2的腔壁发生全反射，进而反复干涉叠加形成共振光波，且当共振光波入射至腔体结构2和耦出光纤3相耦合的位置时，因为该耦合部位腔壁外表面的介质不再是空气介质，而是耦出光纤3的纤芯，由此共振光波可通过该耦合部位耦出，进而实现共振光波从腔体结构2内部的耦出。

当该回音壁谐振器应用于传感器中时，可以在耦入光纤1的输入端(即背离腔体结构2的一端)的设置光源，一般采用宽光谱光源，使得光源光线通过耦入光纤1耦入至腔体结构2，在腔体结构2中产生驻波，而传感器感应检测的待测物会导致腔体结构2外表面的折射率等参数产生变化。

对于回音壁谐振腔的共振光波的波峰和回音壁谐振腔的半径，满足的公式

其中，R为回音壁谐振腔的半径，m为正整数，λ为共振光波的共振波峰波长，n为回音壁谐振腔的腔壁相对于腔壁之外的环境介质折射率。

基于上述公式可知，当n的大小发生变化是，共振光波的共振波峰波长也即可发生变化。因此腔体结构2的外表面为不同的物质时，腔体结构2的外部环境介质的折射率也就不同，在腔体结构2中产生共振光波的共振波峰波长也相应不相同。由此，通过耦出光纤3耦出的光波可以输出至光谱仪等设备，基于光谱仪检测共振光波的共振波峰波长，并依据该共振波峰波长和环境介质折射率之间的关系，即可实现传感器对待测物的检测。

综上所述，本申请中采用腔体结构和楔形斜端面的耦合光纤相结合，形成回音壁谐振器，保证光波的高耦合率，损坏概率小，具有结构稳定不易破损、占用空间小结构简单等优点，提高了回音壁谐振腔的整体性能。

在本申请的另一可选地实施例中，对于本申请中的耦出光纤3也可以采用一端端面为楔形斜端面的光纤，腔体结构2设置在耦出光纤3具有楔形斜端面的一端，以便光线从腔体结构2中以高耦合率耦出。

可选地，耦入光纤1的楔形斜端面和耦入光纤1的长度方向夹角为0度至15度或者为75度至90度；耦出光纤3的楔形斜端面和耦出光纤3的长度方向夹角为0度至15度或者为75度至90度。

需要说明的是，对于具有楔形斜端面的耦合光纤而言，其和腔体结构2之间的耦合效率随着楔形斜端面的倾斜角由0度到90度先增大后减小。因此，一般情况下，该楔形斜端面相对于耦合光纤长度方向的倾斜角接近0度或90度时，耦合效率最高。

进一步地，耦入光纤1的楔形斜端面和耦入光纤1的长度方向夹角为10度至15度或者75度至80度；耦出光纤3的楔形斜端面和耦出光纤3的长度方向夹角为10度至15度或者75度至80度。

为了保证耦入光纤1和耦出光纤3与腔体结构2之间的耦合率，该耦入光纤1和耦出光纤3的楔形斜端面和光纤长度方向之间的夹角不大于15度。一般而言该楔形斜端面的角度越小，耦合效率越高，但是10度以下的楔形斜端面的加工难度较大，会在很大程度上增加加工成本，因此，优选地将该楔形斜端面的角度设置在10度至15度之间也可以设置在75度至80度之间。

当然，对于耦出光纤3，也可以直接采用界面为垂直光纤长度方向的平面的光纤和腔体结构2贴合连接，也不影响本申请的实现。

如图1所示，本申请中的腔体结构2为球体空腔结构，对于耦入光纤1和耦出光纤3而言，两个光纤和腔体结构2相连接的位置点可以是位于腔体结构2的同一直径的两端。如图1所示，耦入光纤1和耦出光纤3近似于关于腔体结构2的球心中心对称设置，二者相互平行，方向相反。当然在实际应用过程中耦入光纤1和耦出光纤3之间也并不必然是如图1所示的方式设置，二者可以设置在腔体结构2的同一侧，如图1所示，图1中耦入光纤1和耦出光纤3分别设置在腔体结构2的左右两侧，在实际应用过程中，可以将耦入光纤1和耦出光纤3相互平行的设置在腔体结构2的左侧或者右侧，且和腔体结构2的连接位置仍然在同一直径的两端。

当然，在实际应用过程中也并不排除耦入光纤1和耦出光纤3合并为同一耦合光纤，也即是说光线通过端面为楔形斜端面的耦合光纤耦入腔体结构2内部后，形成驻波，当该共振光波再次入射至耦合光纤和腔体结构2相耦合的位置即可从该耦合光纤中耦出并从耦合光纤另一端输出。

对于本申请中的腔体结构，可以为玻璃腔体结构，该腔体结构2可以通过毛细玻璃管加工形成。可以将毛细玻璃管的一端接在压力泵上，并采用熔接机对毛细玻璃管进行放电加热软化，使得毛细玻璃管被切割，使得毛细玻璃管被切割的端部因为局部应力的作用形成闭合的三角形尖端，也即是说毛细玻璃管一端连接压力泵，另一端为三角形尖端，利用压力泵向毛细玻璃管内充入气压，并继续对三角形尖端放电使得毛细玻璃管的三角形尖端保持软化，使得毛细玻璃管逐渐膨胀变大，转动熔接机对毛细玻璃管的放电位置，使得毛细玻璃管均匀膨胀放大形成球形腔体，从而形成球形腔体结构2。该腔体结构2的腔壁厚度可以设置在1微米到3微米之间。

在腔体结构2膨胀制备过程中，腔壁为软化状态，可以将耦入光纤1和耦出光纤3粘接在腔体结构2表面。当然也可以将耦入光纤1和耦出光纤3的楔形斜端面也可以通过紫外光学胶和腔体结构2相互粘接。

如前所述，本申请中的腔体结构2中形成共振光波的共振波峰波长满足

基于常规的宽光谱激光器输出的光波的波长范围，本实施例中的腔体结构2的半径可以设置在50微米至250微米。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。另外，本申请实施例提供的上述技术方案中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明，以免过多赘述。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种光纤回音壁谐振器，其特征在于，包括腔体结构、耦入光纤和耦出光纤；

其中，所述腔体结构为腔壁的折射率大于空气介质折射率且所述腔壁可透光的球形空腔结构；所述耦入光纤的一端端面为楔形斜端面，所述腔体结构设置在所述耦入光纤具有所述楔形斜端面的一端；所述耦入光纤用于将通过背离所述腔体结构的一端输入的光波通过所述楔形斜端面耦入所述腔体结构内；所述腔体结构用于将耦入的光波形成共振光波并通过所述耦出光纤输出。

2.如权利要求1所述的光纤回音壁谐振器，其特征在于，所述耦出光纤的一端端面为楔形斜端面，所述腔体结构设置在所述耦出光纤具有所述楔形斜端面的一端。

3.如权利要求2所述的光纤回音壁谐振器，其特征在于，所述耦出光纤和所述耦入光纤为同一光纤。

4.如权利要求2所述的光纤回音壁谐振器，其特征在于，所述耦入光纤的楔形斜端面和所述耦入光纤的长度方向夹角为0度～15度或为75度～90度；所述耦出光纤的楔形斜端面和所述耦出光纤的长度方向夹角为0度～15度或为75度～90度。

5.如权利要求2所述的光纤回音壁谐振器，其特征在于，所述腔体结构和所述耦入光纤的耦合位置与所述耦出光纤的耦合位置位于所述腔体结构的直径的两端。

6.如权利要求1所述的光纤回音壁谐振器，其特征在于，所述腔体结构为玻璃腔体结构。

7.如权利要求6所述的光纤回音壁谐振器，其特征在于，所述腔体结构为对毛细玻璃管进行放电软化后，加压膨胀形成的球形空腔结构。

8.如权利要求7所述的光纤回音壁谐振器，其特征在于，所述腔体结构的腔壁厚度为1微米到3微米。

9.如权利要求7所述的光纤回音壁谐振器，其特征在于，所述腔体结构的半径为50微米至250微米。

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