CN113311542A - 一种提高回音壁模式共振腔q值的二氧化硅微球制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种提高回音壁模式共振腔Q值的二氧化硅微球制作方法，应用于回音壁模式共振腔检测技术，属于光学检测技术领域；其易于实现，可制作出结构简单、能有效提高回音壁模式微球腔品质因子；其先将一段包层直径125μm，纤芯直径8.2μm的单模光纤中间剥去5cm涂覆层，用酒精擦拭后放置于熔接机夹持器中，修改熔接程序，在电弧放电的同时使夹持器电机向两侧移动，制作出锥区长度约600‑800μm的短锥，锥腰直径范围在50‑80μm；随后用切割刀在锥形光纤一端留有一定距离的位置切开，留下锥区端头，将其再次放置于熔接机中，利用电弧放电瞬间释放的热量使端头的一段光纤与锥区的过渡区成为熔融状态,因表面张力作用而自然成为球体。

Description

一种提高回音壁模式共振腔Q值的二氧化硅微球制作方法
技术领域
本发明涉及一种提高回音壁模式共振腔Q值的二氧化硅微球制作方法，应用于回音壁模式共振腔检测技术，属于光学检测技术领域。
背景技术
众所周知，尽管现有技术可以制备出较为理想的球形二氧化硅微球，但带球柄的二氧化硅微球在实际应用中因其方便操作，制作过程快速简便等优势，仍然占有不可或缺的地位；现行的球柄型二氧化硅微球制备方式主要分为：电弧放电法、氢氧火焰加热法和二氧化碳激光器加热法；对比可知，二氧化碳加热法由于加热功率大，制作的微球圆，但是聚焦位置较难定位，且设备成本高达数十万；总体而言，以上三种方法制备出的微球腔对腔体三维形状的控制精度不高，而且球柄在球表面所占比例较大，限制了共振腔的Q值；另外，为了制作不同尺寸的微球，通常将较长一段光纤拉制成细锥，导致制作的微球球柄过细，使其在回音壁模式耦合系统中极易受气流、震动等因素的干扰，影响实验效果。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种易于实现，可制作出结构简单、能有效提高回音壁模式微球腔品质因子的球柄型二氧化硅微球的制作方法。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种提高回音壁模式共振腔Q值的二氧化硅微球制作方法，按照如下步骤进行：
首先，将一段包层直径125μm，纤芯直径8.2μm的单模光纤中间剥去5cm涂覆层，用酒精擦拭后放置于熔接机夹持器中，修改熔接程序，在电弧放电的同时使夹持器电机向两侧移动，制作出锥区长度约600-800μm的短锥，锥腰直径范围在50-80μm；
随后用切割刀在锥形光纤一端留有一定距离的位置切开，留下锥区端头，将其再次放置于熔接机中，利用电弧放电瞬间释放的热量使端头的一段光纤与锥区的过渡区成为熔融状态，在表面张力的作用下微球腔形成一个球体，球柄与球体连接区即锥形光纤细腰处，直径为320微米的球柄占球体面积百分比由3.8％下降为0.8％。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明提供了一种提高回音壁模式共振腔Q值的二氧化硅微球制作方法，具备以下有益效果：微球腔以球柄型微球为基础，通过熔接机放电拉锥、切割、二次放电等操作制作出球柄为锥形的二氧化硅微球，球柄与微球连接区域为锥形较细处，即细颈区，这种细颈微球的球柄截面面积占微球表面积比例小，利于微球中WGM的激发，并且使加热后的微球椭球率更低，这有利于Q值的提升，在不增加制作成本与制作难度的情况下，用这种方式制作的球柄型二氧化硅微球腔Q值得到明显提升，且Q值随着球杆比的增加有明显的上升趋势。
附图说明
图1为细颈球制作过程示意图；
图2为实验系统示意图；
图3为回音壁模式共振光谱图；
图4为微球腔球杆比与Q值之间的关系图。
图中：1、DFB激光光源；2、温度控制器；3、电流控制器；4、信号发生器；5、锥形光纤；6、光电探测器；7、示波器；8、光学显微镜。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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。
请参阅图1，首先，将一段包层直径125μm，纤芯直径8.2μm的单模光纤中间剥去5cm涂覆层，用酒精擦拭后放置于熔接机夹持器中，修改熔接程序，在电弧放电的同时使夹持器电机向两侧移动，制作出锥区长度约600-800μm的短锥，锥腰直径范围在50-80μm；随后用切割刀在锥形光纤一端留有一定距离的位置切开，留下锥区端头，将其再次放置于熔接机中，利用电弧放电瞬间释放的热量使端头的一段光纤与锥区的过渡区成为熔融状态，在表面张力的作用下微球腔形成一个球体，球柄与球体连接区即锥形光纤细腰处，直径为320微米的球柄占球体面积百分比由3.8％下降为0.8％，通过控制切割位置与锥区细腰处的距离可以控制球的尺寸，距离越远，微球直径越大；通过控制熔接机拉锥时的放电强度、放电时间与电机移动距离可以控制锥区形态与锥腰直径；因此，微球直径和球杆比都可以通过调节参数进行控制。
为了更具体地阐述结果，结合实验进行详细说明：
实验系统如图2所示，DFB激光光源1发出的激光经由温度控制器2、电流控制器3、信号发生器4共同作用，实现频率可调的窄带宽扫描激光输出，激光器输出的光信号从锥形光纤5耦合进微球腔中，激发出回音壁模式，并由锥形光纤将信号传递给光电探测器6，光电探测器将光信号转换为电压信号后输入示波器7中，因此，一个三角波周期中的上升沿即包含了全波长范围内光信号的信息，校正电流控制器输出电流与时间和波长的关系，可以将示波器得到的波形横纵坐标转换为波长和光功率，通过搭建该实验装置进行测量证实了该细颈微球与普通微球相比，能够使Q值升高1个数量级，同时在上述实验过程中，细颈二氧化硅微球可以由光纤切刀和光纤熔接机制作完成；微球制作过程中的拉锥与烧球环节均由手动熔接功能完成，拉锥放电参数为：放电强度10；放电时间12000ms；Z轴拉开时间10000ms；Z方向推进距离300μm；Z方向退回距离0μm；烧球参数为：放电强度190；放电时间2500ms；Z方向推进距离15μm；Z方向退回距离0μm；二次追加放电时间1000ms；锥形耦合光纤由单模光纤经氢氧火焰拉锥机拉制而成，锥腰处直径约2μm，锥区长约5cm，用UV胶固定于载玻片上；DFB激光光源1发出1550nm的单色光，线宽0.1nm；激光器发出的波长可以被温度控制器2和电流控制器3调制，调制范围1547-1553nm；信号发生器4输出频率为20Hz、峰-峰值为600mV的三角波，以此三角波对3输出的电流进行调制，因此，DFB激光光源1的输出波长被间接调制，波长以20Hz频率在1550.8nm到1550.85nm范围内扫描，耦合系统是由一个精度为10μm的三维位移调整台和一台光学显微镜8组成的。
实验过程中，光通过锥形光纤耦合进半径为a的微球中激发回音壁模式，其有效折射率为neff，在微球中环形传播，当波长λr满足共振条件2πneffa＝λrl时，光将发生叠加，在介质中一圈圈循环，发生共振，达到增强振幅，局域光子的目的；在共振光谱上则表现为窄带的共振峰；如图3所示，由于微球腔中模式数量庞大且复杂，因此共振峰密集，独立波峰或几个临近波峰形成的组合波峰都可以用洛伦兹方程拟合，并且可以估算出每个波峰的Q值，从而反应共振微腔的Q值水平，为了测试细颈球的Q值提升能力，通过控制拉锥参数与烧球参数，制作了4个普通球柄型微球，18个不同尺寸、不同细颈直径的细颈微球，为了更好地探究其Q值变化规律，提出球杆比的概念，即微球直径与球柄最细处直径的比值，对这22个球的球杆比与Q值分析计算，得到图4所示的变化趋势，蓝色代表普通微球，黑色代表细颈微球，数据点旁边的数值含义即微球直径-细颈直径；从图4可以看出，对于直径相近的微球，细颈微球的Q值普遍高于普通微球，并且，球杆比越高，越容易得到高Q值，与普通球柄型微球相比，细颈微球可以将Q值提高1个数量级。
需要指出的是，影响Q值的因素有许多，例如，利用加热方法加工的微球，普遍存在大直径的微球Q值高于小直径的微球；另外，耦合位置、耦合光纤形态、探测设备分辨力、激光器扫描速度等，都将影响最终接收到的共振光谱的Q值水平；因此，实验中很难得到精确的球杆比与Q值之间的定量关系。
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 (1)

1.一种提高回音壁模式共振腔Q值的二氧化硅微球制作方法，其特征在于按照如下步骤进行：
首先，将一段包层直径125μm，纤芯直径8.2μm的单模光纤中间剥去5cm涂覆层，用酒精擦拭后放置于熔接机夹持器中，修改熔接程序，在电弧放电的同时使夹持器电机向两侧移动，制作出锥区长度约600-800μm的短锥，锥腰直径范围在50-80μm；
随后，用切割刀在锥形光纤一端留有一定距离的位置切开，留下锥区端头，将其再次放置于熔接机中，利用电弧放电瞬间释放的热量使端头的一段光纤与锥区的过渡区成为熔融状态，在表面张力的作用下微球腔形成一个球体，球柄与球体连接区即锥形光纤细腰处，直径为320微米的球柄占球体面积百分比由3.8％下降为0.8％。
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