CN115466048A - 一种基于电弧放电技术的石英微球谐振腔制备装置、制备方法及色散波频率梳产生方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电弧放电技术的石英微球谐振腔制备装置、制备方法，以及色散波频率梳产生方法，将一段石英光纤置于光纤夹具并安装于传动轴，传动轴由同轴电机驱动，同轴电机安装在三维位移电机上，调节光纤段的位置，使放电电极垂直正对光纤轴线，启动电机使光纤旋转，启动三维位移电机和放电电极，控制光纤在电弧间进给，直至谐振腔成型。本发明利用电弧放电技术熔制石英微球，适用于不同直径和类型的光纤，在制备过程中可以反复调整石英微球谐振腔尺寸，且制备成本极低。制备的不同直径石英微球谐振腔可用连续光通过锥形光纤直接耦合，调控偏振和耦合位置产生具有色散波包络的宽带频率梳，对研究石英微球谐振腔的非线性现象有极大意义。
Description
技术领域
本发明涉及光学元器件制备技术，属于非线性光学及超快光学领域。
背景技术
石英微球表面可以实现光的传导，形成光学回音壁模式的谐振腔，这类石英微球谐振腔因其表面非常光滑，可以具备超高的品质因子，同时石英微球谐振腔体积小，光学非线性阈值低，在激光科学、光学传感等领域有着重要的研究与应用价值。石英微球谐振腔的尺寸通常决定了其回音壁模式谐振腔的色散，对于激光产生，特别是微腔内的光学频率梳产生具有决定性作用，是一项关键指标。
石英微球制备通常采用热熔技术，即用火焰或激光将材料熔融，形成球体。这种方法可以获得较低的表面粗糙度，但是难以控制微球的尺寸。同时，制备石英微球的基础材料是石英光纤，因此微球尺寸也会受到光纤尺寸的影响。通常较难制备直径小于标准光纤直径的石英微球谐振腔。因此，有必要开发不同技术的石英微球谐振腔制备方法，开发微球的尺寸调控和微球谐振腔的色散管理方案，在此基础上实现具有色散波的宽频谱微腔光学频率梳。
发明内容
本发明目的是针对热熔技术制备石英微球谐振腔存在的尺寸不好控制的问题，提供了一种基于电弧放电技术的石英微球谐振腔制备装置及制备方法，实现对石英微球谐振腔尺寸的精确控制，并进一步产生具有色散波包络的光频梳。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于电弧放电技术的石英微球谐振腔制备装置，包括夹具，其特征在于：夹具和电机的输出轴联接，石英体装夹在夹具上，在石英体前端两侧设置放电电极对，放电电极对垂直于石英体的转轴。
夹具和电机安装在进给装置上。
所述进给装置为三维位移电机，所述石英体为石英光纤。
一种基于电弧放电技术的石英微球谐振腔制备方法，使石英体在电弧中旋转并前后进给，直至石英体上的石英微球谐振腔成型，检测石英微球谐振腔的尺寸是否满足要求，若不满足则继续放入电弧中处理。
将一段石英光纤置于光纤夹具并安装于传动轴，传动轴由同轴电机驱动，同轴电机安装在三维位移电机上，调节光纤段的位置，使放电电极垂直正对光纤轴线，启动电机使光纤旋转，启动三维位移电机和放电电极，控制光纤在电弧间进给。
具体步骤包括：
(1)制备直径可控的石英光纤段；
(2)将光纤段置于光纤夹具并安装于传动轴上；
(3)将传动轴安装于同轴电机上；
(4)将同轴电机安装在三维位移电机上，通过三维位移调整，调整放电电极与石英光纤段的位置，放电电极对的中轴线应穿过石英光纤的横截面中心；
(5)启动同轴电机，设置电机的转动速度；
(6)设置电极的放电时间、放电功率和三维位移电机的推进速度；
(7)启动电极间电弧放电；
(8)步骤4-7可多次重复，通过在线的摄像监控初步鉴别石英微球谐振腔整体形态，并且判断是否继续放电；
(9)放电结束后，取下光纤夹具，进行石英微球谐振腔样品外缘的表面形貌表征，测量石英微球谐振腔的赤道半径，并测量石英微球谐振腔的品质因子；
(10)步骤8-9可多次重复，直至石英微球谐振腔表面的粗糙度均方根值达到既定的量化要求。
具体步骤(1)中所述的直径可控的石英光纤段，通过火焰熔融拉伸光纤实现直径的改变，光纤直径的控制标准为，其直径与石英微球谐振腔直径的比值不超过1比1.6。
控制参数包括：电弧放电功率、电弧放电时间、三维位移电机推进速度、电机旋转速度、放电部位光纤直径、光纤延伸区长度；石英微球谐振腔的评价参量包括：石英微球谐振腔表面糙度分布、粗糙度均方根值、石英微球谐振腔赤道圆度，石英微球谐振腔品质因子、石英微球谐振腔色散分布，石英微球谐振腔色散波频率梳产生的波长位置和功率。
可制备石英微球谐振腔的最小直径为40μm。
对石英微球谐振腔的色散管理方法包括：依据石英微球谐振腔尺寸计算分析色散特性，基于可调谐激光光谱技术测量石英微球谐振腔色散。
尺寸不同的石英微球谐振腔，能产生不同的色散属性，由此可以调控石英微球谐振腔内色散波频率梳的产生。
一种石英微球谐振腔的色散波频率梳产生方法，包括上述制备方法所制备得到的石英微球谐振腔：采用单频连续激光泵浦石英微球谐振腔，产生色散波光频梳。
本发明的技术原理：谐振腔的宽带色散特性，即色散分布曲线，对于色散波频率梳的产生有决定性影响，决定了色散波的强度，中心波长，光谱范围等参数。色散调控与谐振腔的几何形状有关，石英微球谐振腔中，唯一的几何控制参数就是石英微球谐振腔的直径，由此可以控制谐振腔的色散特性。因此，控制石英微球谐振腔的直径尺寸对于调控谐振腔内产生色散波光频梳至关重要。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
电弧放电技术熔制石英微球操作简易，适用于不同直径和类型的光纤，耗时少，无需打磨抛光等处理，系统简洁紧凑，具有较强的适用性，在制备过程中可以反复调整石英微球谐振腔尺寸，且制备成本极低。其次，制备的不同直径石英微球谐振腔可用连续光通过锥形光纤直接耦合，调控偏振和耦合位置产生具有色散波包络的宽带频率梳，对研究石英微球谐振腔的非线性现象有极大意义。
附图说明
图1为本发明示出的石英微球谐振腔制备装置示意图。
图2为本发明示出的不同直径石英微球谐振腔实例图。
图3为本发明中制备石英微球谐振腔的圆度测量结果图。
图4为本发明石英微球谐振腔的粗糙度表征结果图。
图5为本发明色散仿真建模的模型图。
图6为本发明不同直径石英微球谐振腔色散管理的结果图。
图7为本发明色散波频率梳的实验装置图。
图8为本发明色散波频率梳的结果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。需要说明的是本实施例是叙述性的，而不是限定性的。
实施例一
一种基于电弧放电技术的石英微球谐振腔制备装置，包括夹具，夹具和电机的输出轴联接，石英体装夹在夹具上，在石英体两侧设置放电电极对，放电电极对垂直于石英体的转轴。夹具和电机安装在进给装置上。所述进给装置为三维位移电机，所述石英体为光纤。
一种基于电弧放电技术的石英微球谐振腔制备方法：使石英体在电弧中旋转并前后进给，直至石英体上的光学腔成型。检测光学腔的尺寸是否满足要求，若不满足则继续放入电弧中处理。
所述石英体为光纤段，将光纤段置于光纤夹具并安装于传动轴，传动轴由同轴电机驱动，同轴电机安装在三维位移电机上，调节光纤段的位置，使放电电极垂直正对光纤轴线，启动电机使光纤旋转，启动三维位移电机和放电电极，控制光纤在电弧间进给。进一步的将石英体拉制为锥形光纤。
具体步骤包括：
(1)制备直径可控的石英光纤段；在制备石英微球谐振腔前对光纤进行拉锥操作，使光纤前端的直径达到想要的尺寸；光纤直径与设计的石英微球谐振腔直径的比值小于1比1.6；
(2)将光纤段置于光纤夹具并安装于传动轴上；
(3)将传动轴安装于同轴电机上；
(4)将同轴电机安装在三维位移电机上，通过三维位移调整，调整放电电极与石英光纤段的位置使锥形光纤的尖端位于电极之间，放电电极对的中轴线应垂直穿过石英光纤的轴线；
(5)启动同轴电机，设置电机的转动速度；
(6)设置电极的放电时间、放电功率和三维位移电机的推进速度；
(7)启动电极间电弧放电；
(8)步骤4-7可多次重复，通过在线的摄像监控初步鉴别石英微球谐振腔整体形态，并且判断是否继续放电；
(9)放电结束后，取下光纤夹具，进行石英微球谐振腔样品外缘的表面形貌表征，测量石英微球谐振腔的赤道半径，并测量石英微球谐振腔的品质因子；
(10)步骤8-9可多次重复，直至石英微球谐振腔表面的粗糙度均方根值达到既定的量化要求。
控制参数包括：电弧放电功率、电弧放电时间、三维位移电机推进速度、电机旋转速度、放电部位光纤直径、光纤延伸区长度；石英微球谐振腔的评价参量包括：石英微球谐振腔表面糙度分布、粗糙度均方根值、石英微球谐振腔赤道圆度，石英微球谐振腔品质因子、石英微球谐振腔色散分布，石英微球谐振腔色散波频率梳产生的波长位置和功率。
尺寸不同的石英微球谐振腔，能产生不同的色散属性，由此可以调控石英微球谐振腔内色散波频率梳的产生。
对石英微球谐振腔的色散管理方法包括：依据石英微球谐振腔尺寸计算分析色散特性，基于可调谐激光光谱技术测量石英微球谐振腔色散。
一种石英微球谐振腔的色散波频率梳产生方法，包括上述制备方法所制备得到的石英微球谐振腔，采用单频连续激光泵浦石英微球谐振腔，产生色散波光频梳。
单频可调谐激光器射出的激光经过光功率放大器和偏振控制器后射入石英微球谐振腔。
实施例二
石英微球谐振腔的制备系统包括：放电电极对、光纤夹具、夹具传动轴、同轴电机、三维位移电机，配合光纤样品对不同直径石英微球谐振腔进行制备；其中，光纤夹具固定的裸纤直径可在一定范围内调节，夹紧时纤芯与夹具轴心偏移率不大于0.01mm，同轴电机类型包括但不限于气浮电机、轴承电机。光纤可以是单模、多模和各掺杂稀土离子光纤。
在石英微球谐振腔的制备过程中。控制参数包括：电弧放电功率、电弧放电时间、三维位移电机推进速度、同轴电机旋转速度、放电部位光纤直径、光纤延伸段长度。
石英微球谐振腔光学腔的评价参量包括：石英微球谐振腔表面糙度分布、粗糙度均方根值、石英微球谐振腔赤道圆度，石英微球谐振腔品质因子、石英微球谐振腔色散分布，以及石英微球谐振腔色散波频率梳产生的波长位置和功率。这里规定垂直于光纤段的平面且在石英微球谐振腔上所截圆弧直径最大的圆弧为赤道。
本实例以制备直径为180μm的石英微球谐振腔为例阐述具体制备过程和参数设置情况，参考实施例一提及的石英微球谐振腔制备方法和色散波频率梳产生的系统进一步说明。
制备直径可控的石英光纤段，取一段长约50cm，包层直径为125μm的商用单模石英光纤，满足直径与石英微球谐振腔直径的比值不超过1:1.6。用剥线钳在单模石英光纤中间位置剥离大约2cm长度的涂覆层，用无水乙醇蘸湿无尘纸，擦拭表面残留的涂覆层有机物。将处理好的石英光纤段用氢气火焰拉锥机拉伸至腰锥直径为10μm，光纤延伸区长度2cm，微调步进电机使锥形光纤从中间崩断。
将锥形光纤段置于光纤夹具，然后收紧，并将光纤夹具安转在传动轴上，然后将传动轴加持在同轴电机上；
将同轴电机安装在三维位移电机上，再进行电弧校准，通过调整三维位移，改变放电电极与石英光纤段的相对位置，通过在线的摄影监控，确定放电电极对的中轴线穿过石英光纤的横截面中心，且两电极间隔约3mm，如图1。
启动同轴电机，设置同轴电机的转动速度为50度/秒，电弧放电时间为100秒、电弧放电功率为347比特/秒，同时设置控制三维位移电机的推进速度为0.06毫米/秒。(5)启动同轴电机，设置电机的转动速度；
打开电极电源，启动电极放电，放电的同时光纤自动向垂直于光纤端面的方向推进。
通过放电电极周围安装的微型摄像头，监控放电后的光纤端面的大致形貌，对监控画面进行图形分析，获得大致的石英微球谐振腔直径信息，为180μm；
采用上述制备过程，设置电弧放电功率347比特/秒、同轴电机旋转速度50度/秒、三维位移电机推进速度0.06毫米/秒、光纤延伸区长度2cm，并采用如下表所示的其他参数，实验中可制备直径最小为 40μm的石英微球谐振腔，此外还制备了直径为90μm、200μm、220μm和260μm的石英微球谐振腔，如图2。
放电结束后，将三维位移电机复位退出，取下光纤夹具，将整个光纤夹具固定到光纤旋转器。
进行石英微球谐振腔样品外缘的表面形貌表征，测量石英微球谐振腔的赤道直径。通过白光干涉轮廓仪观察石英微球谐振腔表面，该步骤记录了轮廓仪所采集石英微球谐振腔表面粗糙度进行石英微球谐振腔样品外缘的表面形貌表征，同时采用干涉式轮廓仪提取石英微球谐振腔的赤道圆度。旋转光纤旋转器，沿赤道一周，以30度为间隔，测得曲率分布如图3。分析该数据得出，石英微球谐振腔的赤道直径为178μm，圆度达到98.9％。采集微球4μm×4μm范围内的表面粗糙度，平均粗糙度为2.5nm，如图 4。
测试石英微球谐振腔的品质因子，制作出的石英微球谐振腔可通过锥形光纤将扫频激光耦合进入腔体中，再耦合出腔体来得到透射谱，对透射谱中的曲线进行拟合得出该石英微球谐振腔的品质因子，此种方法拟合得到的品质因子优于108。
上述石英微球谐振腔的制备及表征过程可多次重复，直至石英微球谐振腔表面的粗糙度均方根值达到既定的量化要求，例如：采用干涉式轮廓仪表征表面粗糙度，石英材料的表面粗糙度均方根值达到1-nm量级，石英微球谐振腔赤道的圆度优于98％；
依据石英微球谐振腔大小和材料折射率，开展色散计算与分析。色散是指物质折射率随波长改变的现象。尺寸不同的石英微球谐振腔，产生不同的色散属性，由此可以调控微球腔内色散波频率梳的产生。微腔的色散由材料色散和结构色散共同决定，其中结构色散主要通过改变石英微球谐振腔直径进行调控。通过微腔理论计算或数值模拟，计算出沿石英微球谐振腔赤道传输并发生谐振的回音壁模式谐振频率fμ，其中μ为谐振模式对应的方位角波数。色散分析通常在某一定义的光频段内开展，频段内设置某一模式μ0为参考模式，则谐振频率可以表达为：
其中dm为关于模式μ0的各阶色散系数，其中二阶及以上的所有系数共同决定了微腔的色散分布状态：
因此，对应于不同尺寸的石英微球谐振腔，其各阶色散系数、色散分布均会有相应的改变，即达成了色散管理的效果。
使用商用的有限元分析软件对石英微球谐振腔进行建模，建立石英微球谐振腔赤道位置的弯曲波导二维对称模型，如图5所示。设置石英微球谐振腔半径为90μm，绘制好几何图形后添加材料折射率，构建网格，添加研究，计算仿真，针对于输入波长为1200nm-1800nm对应的频率可计算得到相应的有效折射率neff，将仿真计算得到的有效折射率带入
公式得到方位角波数，然后借助程序编写插值方法获得对应于正整数方位角波数的谐振频率fμ。在频段内设置191THz对应的方位角波数作为参考模式μ0，μ0＝506，再用多项式拟合的方法得到谐振频率fμ，对应谐振频率的泰勒展开表达式。通过对谐振频率fμ求一阶导数和二阶导数得到系数d1、d2。最后根据上述色散分布dint的表达式计算并绘制色散曲线。这里仿真计算了直径为100μm、180μm、200μm、260μm、300μm共5个尺寸石英微球谐振腔的色散曲线，如图6。
分析色散曲线可知对应于dint＝0处的波长为色散波的谱位置，通过改变石英微球谐振腔直径从100μm到300μm，色散波的位置逐渐移向更短的波长，这证明了石英微球谐振腔的尺寸变换可以导致有效的色散控制。
搭建单频连续激光泵浦微腔产生色散波频梳的系统，系统包括：单频可调谐激光器、光功率放大器，偏振控制器，石英微球谐振腔，锥形光纤，光谱仪。锥形光纤用于将激光耦合进入微球腔的赤道中，偏振控制器用于调整激光的偏振态，产生具有平行或垂直于赤道面的线偏振态激光耦合进入石英微球谐振腔，光功率放大器用于放大激光器功率，满足石英微球谐振腔中产生光频梳所需要的光功率。可调谐激光器的连续光波长调到1570nm附近，经过光功率放大器和偏振控制器后，输出功率为223mW且具有固定偏振态的单频激光，利用锥形光纤耦合到石英微球谐振腔，锥形光纤和石英微球谐振腔之间的耦合通过调节高精度三维移动平台来控制锥形光纤与石英微球谐振腔之间的耦合间隙及相对位置。设置单频可调谐激光器的波长为1570nm，观察1570nm附近谐振峰。通过可调谐激光器的频率调谐功能，使输出激光的波长按短波长到长波长方向进行一次扫描，并在波长扫描范围内，扫过一个谐振模式。在扫描行进过程中观察光谱，当出现拉曼和克尔频梳后通过优化锥形光纤在石英微球谐振腔赤道±5μm附近得到具有色散波光谱包络的频率梳，如图7，光谱色散波位置在1446nm附近，与仿真得到的色散波位置 1446nm相匹配。
上述实施例仅用于说明本发明的技术方案，并非对其的限制，参考上述实施例对本专利进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，也可以对前述的各种实例所记载的技术方案进行适当的修改，或者同等替换、改进等，均应包含在本申请保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于电弧放电技术的石英微球谐振腔制备装置，包括夹具，其特征在于：夹具和电机的输出轴联接，石英体装夹在夹具上，在石英体前端两侧设置放电电极对，放电电极对垂直于石英体的转轴。
2.根据权利要求1所述基于电弧放电技术的石英微球谐振腔制备装置，其特征在于：夹具和电机安装在进给装置上；所述进给装置为三维位移电机，所述石英体为石英光纤。
3.一种基于电弧放电技术的石英微球谐振腔制备方法，其特征在于：使石英体在电弧中旋转并前后进给，直至石英体前端呈现为微球状，即石英微球谐振腔成型，检测石英微球谐振腔的尺寸是否满足要求，若不满足则继续放入电弧中处理。
4.根据权利要求3所述基于电弧放电技术的石英微球谐振腔制备方法，其特征在于：将一段石英光纤置于光纤夹具并安装于传动轴，传动轴由同轴电机驱动，同轴电机安装在三维位移电机上，调节光纤段的位置，使放电电极垂直正对光纤轴线，启动电机使光纤旋转，启动三维位移电机和放电电极，控制光纤在电弧间进给。
5.根据权利要求4所述基于电弧放电技术的石英微球谐振腔制备方法，其特征在于具体步骤包括：
(1)制备直径可控的石英光纤段；
(2)将光纤段置于光纤夹具并安装于传动轴上；
(3)将传动轴安装于同轴电机上；
(4)将同轴电机安装在三维位移电机上，通过三维位移调整，调整放电电极与石英光纤段的位置，放电电极对的中轴线应穿过石英光纤的横截面中心；
(5)启动同轴电机，设置电机的转动速度；
(6)设置电极的放电时间、放电功率和三维位移电机的推进速度；
(7)启动电极间电弧放电；
(8)步骤4-7可多次重复，通过在线的摄像监控初步鉴别石英微球谐振腔整体形态，并且判断是否继续放电；
(9)放电结束后，取下光纤夹具，进行石英微球谐振腔样品外缘的表面形貌表征，测量石英微球谐振腔的赤道半径，并测量石英微球谐振腔的品质因子；
(10)步骤8-9可多次重复，直至石英微球谐振腔表面的粗糙度均方根值达到既定的量化要求。
6.根据权利要求5所述基于电弧放电技术的石英微球谐振腔制备方法，其特征在于，具体步骤(1)中所述的直径可控的石英光纤段，是通过火焰熔融拉伸光纤形成直径的改变，光纤直径的控制标准为，光纤直径与石英微球谐振腔直径的比值小于1比1.6。
7.根据权利要求5所述基于电弧放电技术的石英微球谐振腔制备方法，其特征在于控制参数包括：电弧放电功率、电弧放电时间、三维位移电机推进速度、电机旋转速度、放电部位光纤直径、光纤延伸区长度；石英微球谐振腔的评价参量包括：石英微球谐振腔表面糙度分布、粗糙度均方根值、石英微球谐振腔赤道圆度，石英微球谐振腔品质因子、石英微球谐振腔色散分布，石英微球谐振腔色散波频率梳产生的波长位置和功率。
8.根据权利要求5所述基于电弧放电技术的石英微球谐振腔制备方法，其特征在于，可制备石英微球谐振腔的最小直径为40μm。
9.根据权利要求4-8任一项所述基于电弧放电技术的石英微球谐振腔制备方法，其特征在于对石英微球谐振腔的色散管理方法包括：依据石英微球谐振腔尺寸计算分析色散特性，基于可调谐激光光谱技术测量石英微球谐振腔色散尺寸不同的石英微球谐振腔，能产生不同的色散属性，由此可以调控石英微球谐振腔内色散波频率梳的产生。
10.一种石英微球谐振腔的色散波频率梳产生方法，包括利用权利要求5-11任一项制备方法所制备得到的石英微球谐振腔：采用单频连续激光泵浦石英微球谐振腔，产生色散波光频梳。
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