CN115575026A - 一种光纤谐振器及其制备方法和真空度检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤谐振器，包括单模光纤、光栅结构、谐振微腔和谐振薄膜，所述单模光纤的一端面连接于所述谐振微腔的一端，所述谐振薄膜形成于所述谐振微腔的另一端；所述光栅结构制作于所述单模光纤内，用于将驱动所述谐振薄膜产生谐振的激励光信号反射回所述谐振微腔内。该光纤谐振器既具有高分辨率，也具有低功耗。本发明还提供上述光纤谐振器的制备方法和真空度检测方法。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感领域，尤其涉及一种光纤谐振器及其制备方法和真空度检测方法。
背景技术
在如化学工业、半导体制造、航空航天制造、光伏及光电领域以及制药领域，往往需要营造真空环境完成特定的工业步骤。而真空度的测量在其中显得尤为重要。现有的真空测量装置大多采用电学设备，有着体积庞大、散热不良、受电磁干扰等缺陷。基于光纤器件的传感器由于本身的材料性质能够有效缩减体积，并且免受散热和电磁干扰的影响，具有高灵敏度和低测量下限的优势。
专利号为CN201410206090.X的中国专利中公开了一种谐振式法布里-珀罗光纤传感器，包括传感器体以及贯穿该传感器体的通孔；所述通孔的一端贴设有用于传感待测气压的石墨烯薄膜；所述通孔内还设有从该通孔的另一端贯穿至该通孔内并与该通孔适配的传输光纤。该光纤传感器用于检测气压检测时，包括如下步骤：通过传输光纤向石墨烯薄膜上发射激发光，激发石墨烯薄膜产生谐振；再通过传输光纤向石墨烯薄膜发射探测光，并接收石墨烯薄膜在谐振中被待测气体阻尼后将探测光反射形成的反射光；解调反射光的光信号，获取待测气体气压。
上述光纤传感器采用激发光来激发石墨烯薄膜产生谐振，激发光的功率影响着检测精度，激发光的功率越大，石墨烯薄膜的振幅越大，可提高对微小谐振变化的分辨率，但是激发光的功率越大，功耗也就越大。
发明内容
为了解决上述现有技术的不足，本发明提供一种光纤谐振器，既具有高分辨率，也具有低功耗。
本发明还提供上述光纤谐振器的制备方法和真空度检测方法。
本发明所要解决的技术问题通过以下技术方案予以实现：
一种光纤谐振器，包括单模光纤、光栅结构、谐振微腔和谐振薄膜，所述单模光纤的一端面连接于所述谐振微腔的一端，所述谐振薄膜形成于所述谐振微腔的另一端；所述光栅结构制作于所述单模光纤内，用于将驱动所述谐振薄膜产生谐振的激励光信号反射回所述谐振微腔内。
上述光纤谐振器的制备方法，包括如下步骤：
步骤100：取一段单模光纤，在所述单模光纤的一端面上制作所述谐振微腔；
步骤200：在所述谐振微腔的另一端上制作形成所述谐振薄膜；
步骤300：在所述单模光纤内制作所述光栅结构。
一种真空度检测方法，包括如下步骤：
S1：将上述的光纤谐振器放置于待检测的真空环境中；
S2：将具有第一波长的激励光信号以及具有第二波长的检测光信号共同耦合进所述光纤谐振器内，使所述激励光信号驱动所述谐振薄膜产生谐振；
S3获取被所述光纤谐振器反射回来的检测光信号，得到所述光纤谐振器的检测频谱；
S4：根据所述检测频谱，计算出待检测的真空环境的真空度。
本发明具有如下有益效果：该光纤谐振器通过在所述单模光纤内制作所述光栅结构，利用所述光栅结构对所述谐振微腔内的激励光信号进行反射，使激励光信号可多次与所述谐振薄膜相作用使之产生谐振，不仅增加了所述激励光信号在所述谐振微腔内的停留时间，以及与所述谐振薄膜的作用时间，提高检测的分辨率，而且仅需较小的能量就能对所述谐振薄膜产生较大的激励效果，可降低所述激励光信号的能耗。
附图说明
图1为本发明提供的光纤谐振器的结构示意图；
图2为图1所示的光纤谐振器中谐振薄膜的平面示意图；
图3本发明提供的光纤谐振器的制备方法的步骤框图；
图4为图3所示的光纤谐振器的制备方法中步骤100的步骤框图；
图5为图3所示的光纤谐振器的制备方法中步骤100的另一步骤框图；
图6为图3所示的光纤谐振器的制备方法中步骤100的又一步骤框图；
图7为图3所示的光纤谐振器的制备方法中步骤200的步骤框图；
图8为图3所示的光纤谐振器的制备方法中步骤200的另一步骤框图；
图9为本发明提供的真空度检测方法的步骤框图；
图10为本发明提供的光激励光检测装置的原理框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”、“设置”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例一
如图1所示，一种光纤谐振器10，包括单模光纤101、光栅结构102、谐振微腔103和谐振薄膜104，所述单模光纤101的一端面连接于所述谐振微腔103的一端，所述谐振薄膜104形成于所述谐振微腔103的另一端；所述光栅结构102制作于所述单模光纤101内，用于将驱动所述谐振薄膜104产生谐振的激励光信号反射回所述谐振微腔103内。
在激励时，将具有第一波长的激励光信号从所述单模光纤101的另一端耦合进该光纤谐振器10内，激励光信号在经过所述光栅结构102时，部分激励光信号会被反射回去而形成出射，部分激励光信号会透过所述光栅结构102而进入到所述谐振微腔103内，进而驱动所述谐振薄膜104产生谐振；完成驱动的激励光信号会被所述谐振薄膜104反射回所述单模光纤101内，在经过所述光栅结构102时，部分激励光信号会被反射回所述谐振微腔103内，进而二次驱动所述谐振薄膜104产生谐振，部分激励光信号会透过所述光栅结构102而形成出射，如此反复，激励光信号在所述谐振微腔103内反复振荡对所述谐振薄膜104形成多次驱动。
该光纤谐振器10通过在所述单模光纤101内制作所述光栅结构102，利用所述光栅结构102对所述谐振微腔103内的激励光信号进行反射，使激励光信号可多次与所述谐振薄膜104相作用使之产生谐振，不仅增加了所述激励光信号在所述谐振微腔103内的停留时间，以及与所述谐振薄膜104的作用时间，提高检测的分辨率，而且仅需较小的能量就能对所述谐振薄膜104产生较大的激励效果，可降低所述激励光信号的能耗。
所述光栅结构102的中心波长涵盖所述激励光信号的第一波长，使得所述光栅结构102可对所述激励光信号形成反射，但所述光栅结构102的中心波长应当避开检测光信号的第二波长，以避免对所述检测光信号形成反射，进而影响到检测效果。
所述光栅结构102的反射率不低于50％，以对所述谐振微腔103内的激励光信号形成足够反射。
所述单模光纤101包括纤芯105和包层106，所述包层106环绕包裹在所述纤芯105的外周上，所述纤芯105与所述包层106的折射率不同，使得光信号可在所述纤芯105与所述包层106的交界处发生全反射，进而在所述纤芯105内向前传输。
所述单模光纤101的纤芯105与所述谐振微腔103相连接，但所述谐振微腔103的径向需要大于所述纤芯105的直径。
本实施例中，所述单模光纤101的包层106兼作所述谐振微腔103的腔壁，若所述谐振微腔103具有单独的腔壁，则所述单模光纤101的包层106与所述谐振微腔103的腔壁相连接。
所述光栅结构102形成于所述单模光纤101的纤芯105内，根据具体需求，所述光栅结构102也可部分延伸至所述单模光纤101的包层106上。
所述光栅结构102可以为布拉格光栅，也可以为啁啾光栅，当所述光栅结构102为布拉格光栅时，所述光栅结构102的中心波长为窄波长，可对较窄波长范围内的光信号进行反射，对反射的激励光信号具有更好的选择性，当所述光栅结构102为啁啾光栅，所述光栅结构102的中心波长为宽波长，可对较宽波长范围内的光信号进行反射，对反射的激励光信号具有更好的兼容性。
所述光栅结构102在形式上可以为逐点光栅，逐线光栅或逐面光栅。
所述谐振薄膜104包括石墨烯膜107和纳米金膜108，所述纳米金膜108制作于所述石墨烯膜107上；如图2所示，所述谐振薄膜104包括固定区域109、谐振区域110及多个悬挂区域111，所述固定区域109附着固定于所述谐振微腔103的腔壁上，所述谐振区域110悬空于所述谐振微腔103上且与所述单模光纤101的纤芯105相对应；各个悬挂区域111连接于所述谐振区域110和固定区域109之间，相邻的悬挂区域111之间为镂空区域112，所述谐振微腔103从所述镂空区域112中露出。
所述石墨烯膜107用于在所述激励光信号的作用下产生谐振运动，以对所述检测光信号进行调制后反射，而所述纳米金膜108则用于提高所述谐振薄膜104的反射率，以弥补所述石墨烯膜107反射率不足的缺陷。
本实施例中，所述石墨烯膜107的厚度为0.3-5.0nm之间，可以采用单层、双层或多层石墨烯结构；所述纳米金膜108的厚度为5-200nm之间。
所述谐振薄膜104通过所述镂空区域112将所述谐振微腔103露出，以使所述谐振微腔103与待测量的真空环境处于同一气压值，避免所述谐振微腔103与待测量的真空环境之间的气压差对所述谐振薄膜104的谐振运动产生影响，以提高传感精度；同时降低所述固定区域109与所述谐振区域110之间的连接应力，提高所述谐振区域110对真空度的敏感速率和灵敏度。
本实施例中，所述镂空区域112为圆形，数量为四个，均匀分布于所述谐振区域110的外围圆周上。
实施例二
如图3所示，一种光纤谐振器10的制备方法，用于制作实施例一所述的光纤谐振器10，包括如下步骤：
步骤100：取一段单模光纤101，在所述单模光纤101的一端面上制作所述谐振微腔103。
在该步骤100中，所述谐振微腔103可由空心管与所述单模光纤101的端面熔接形成，或采用双光子聚合方式在所述单模光纤101的端面上制作形成，或对所述单模光纤101的端面进行刻蚀形成。
在一具体实现方式中，如图4所示，在所述单模光纤101的一端面上制作所述谐振微腔103的步骤如下：
步骤110：将所述单模光纤101的一端面以及一空心管的一端面各自切平。
在该步骤110中，所述单模光纤101和空心管的长度无特别限定，采用光纤切割刀将所述单模光纤101的一端面以及所述空心管的一端面切平，使两者的端面可以无缝对接即可。
所述空心管可以为石英毛细管或空芯光纤，其外径与所述单模光纤101的外径相同。
步骤120：将所述单模光纤101切平后的端面与所述空心管切平后的端面熔接在一起。
在该步骤120中，将所述单模光纤101切平后的端面以及所述空心管切平后的端面分别放置于光纤熔接机的两端上，然后操作所述光纤熔接机将所述单模光纤101的端面与所述空心管的端面对准后放电熔接。
步骤130：将所述单模光纤101上的空心管裁切至所需长度，以使所述空心管的管腔在所述单模光纤101的端面上所述谐振微腔103。
在该步骤130中，先将熔接好的单模光纤101和空心管放置于一二维移动平台上，并在CCD的监控下控制所述二维移动平台带动所述单模光纤101和空心管移动，以调节所述空心管与光纤切割刀之间的相对位置，进而将所述空心管上的预定裁切点移动至所述光纤切割刀下进行裁切。
所述空心管的管壁作为所述谐振微腔103的腔壁。
在另一具体实现方式中，如图5所示，在所述单模光纤101的一端面上制作所述谐振微腔103的步骤如下：
步骤110：将所述单模光纤101的一端面与另一单模光纤101的一端面各自切平。
在该步骤110中，两根单模光纤101的长度无特别限定，采用光纤切割刀将两根单模光纤101的一端面切平即可。
步骤120：将两根单模光纤101切平后的端面加热为圆弧形状。
在该步骤120中，可以将两根单模光纤101中已切平的端面分别放置于光纤熔接机的两端中，通过所述光纤熔接机里的马达驱动将两根单模光纤101中已切平的端面移动至加热中心外缘(两根单模光纤101的端面未接触)，然后调整放电参数，将两根单模光纤101中已切平的端面加热成圆弧形状(两根单模光纤101未熔接)。
步骤130：在两根单模光纤101圆弧形状的第二端面上分别涂抹折射率匹配液。
在该步骤130中，所述折射率匹配液可消除单模光纤101-空气界面相关的反射损失。
步骤140：将两根单模光纤101已涂抹所述折射率匹配液的端面加热熔接，同时使所述折射率匹配液汽化而在两根单模光纤101的熔接处形成一气泡腔。
在该步骤140中，可以将两根单模光纤101中已涂抹所述折射率匹配液的端面分别放置于所述光纤熔接机的两端中，通过所述光纤熔接机里的马达驱动将两根单模光纤101中已涂抹所述折射率匹配液的端面移动至加热中心内(两根单模光纤101的端面相接触)，然后调整放电参数，将两根单模光纤101中已涂抹所述折射率匹配液的端面加热熔接；在熔接过程中，所述折射率匹配液会受热汽化，从而在两根单模光纤101的熔接处形成所述气泡腔。
步骤150：从所述气泡腔中间将已熔接的两根单模光纤101切断，以使所述气泡腔分别在两根单模光纤101的端面上形成所述谐振微腔103。
在该步骤150中，可以将已熔接的两根单模光纤101放置于二维位移平台上并固定，然后在CCD监控下，控制所述二维位移平台移动，将两根单模光纤101熔接处的气泡腔定位于所述光纤切割刀下，然后再控制所述光纤切割刀将已熔接的两根单模光纤101从所述气泡腔中间切断，从而获得两根在端面上均具有所述谐振微腔103的单模光纤101。
所述单模光纤101的包层106同时作为所述谐振微腔103的腔壁。
在又一具体实现方式中，如图6所示，在所述单模光纤101的端面上制作所述谐振微腔103的步骤如下：
步骤110：将所述单模光纤101的一端面切平。
在该步骤110中，所述单模光纤101的长度无特别限定，采用光纤切割刀将所述单模光纤101的一端面切平即可。
步骤120：将所述单模光纤101平放固定在一载玻片上，在所述载玻片上设置围绕所述单模光纤101的支撑部，将光刻胶滴注在所述单模光纤101与所述支撑部之间，使所述单模光纤101切平后的端面浸没在所述光刻胶中，再在所述支撑部上放置一盖玻片，以将位于所述单模光纤101上方的光刻胶压平。
在该步骤120中，所述盖玻片用于将所述光刻胶的表面履平，以避免所述光刻胶表面的弯曲度使飞秒激光发生折射而影响焦点位置，无需与所述单模光纤101接触。
所述支撑部可以为橡胶圈。
步骤130：采用飞秒激光透过所述盖玻片对所述光刻胶进行局部聚合变性，使所述单模光纤101切平后的端面上形成带有所述谐振微腔103的聚合物微结构。
在该步骤130中，将带有所述单模光纤101和光刻胶的载玻片放置于三维位移平台上，通过物镜将飞秒激光聚焦后作用在所述光刻胶内部，所述光刻胶中被所述飞秒激光的焦点照射的局部会发生双光子聚合效应进而聚合变性，所述三维位移平台根据所需的聚合物微结构的结构进行移动，使所述单模光纤101的端面上的光刻胶依次聚合变性，而形成带所述谐振微腔103的聚合物微结构。
步骤140：将未聚合变性的光刻胶通过显影液去除。
在该步骤140中，取下所述盖玻片，将所述载玻片连同上面的单模光纤101和光刻胶一同浸入到显影液中，未聚合变性的光刻胶会在显影液中被溶解，已聚合变性的光刻胶则会留下而形成所述聚合物微结构。
所述聚合物微结构作为所述谐振微腔103的腔壁。
步骤200：在所述谐振微腔103的另一端上制作形成所述谐振薄膜104。
在该步骤200中，所述谐振薄膜104包括石墨烯膜107和纳米金膜108，可以先依次制作所述石墨烯膜107和纳米金膜108，再对所述谐振薄膜104进行刻蚀，也可以先制作所述石墨烯膜107，再对所述石墨烯膜107进行刻蚀，最后在制作所述纳米金膜108。
在一具体实现方式中，如图7所示，在所述谐振微腔103的另一端上制作形成所述谐振薄膜104的步骤如下：
步骤210：在所述谐振微腔103的另一端上制作形成所述石墨烯膜107。
步骤220：对所述石墨烯膜107进行刻蚀，使所述谐振薄膜104形成固定区域109、谐振区域110及多个悬挂区域111，所述固定区域109附着固定于所述谐振微腔103的腔壁上，所述谐振区域110悬空于所述谐振微腔103上且与所述单模光纤101的纤芯105相对应；各个悬挂区域111连接于所述谐振区域110和固定区域109之间，相邻的悬挂区域111之间为镂空区域112，所述谐振微腔103从所述镂空区域112中露出。
所述谐振薄膜104可采用飞秒激光或等离子束进行刻蚀。
步骤230：在所述石墨烯膜107上制作形成所述纳米金膜108。
在该步骤230中，所述纳米金膜108可以采用磁控溅射或真空溅镀等方式将纳米金靶材附着于所述石墨烯膜107表面上形成。部分纳米金靶材会透过所述石墨烯膜107的镂空区域112而附着在所述谐振微腔103内的所述谐振单模光纤101的端面上，提高所述单模光纤101的端面对入射的检测光信号的反射，也提到了所述单模光纤101的端面对所述谐振微腔103内的检测光信号的反射。
在另一具体实现方式中，如图8所示，在所述谐振微腔103的另一端上制作形成所述谐振薄膜104的步骤如下：
步骤210：在所述谐振微腔103的另一端上制作形成所述石墨烯膜107。
步骤220：在所述石墨烯膜107上制作形成所述纳米金膜108。
在该步骤220中，所述纳米金膜108可以采用磁控溅射或真空溅镀等方式将纳米金靶材附着于所述石墨烯膜107表面上形成。
步骤230：对所述石墨烯膜107和纳米金膜108进行刻蚀，使所述谐振薄膜104形成固定区域109、谐振区域110及多个悬挂区域111，所述固定区域109附着固定于所述谐振微腔103的腔壁上，所述谐振区域110悬空于所述谐振微腔103上且与所述单模光纤101的纤芯105相对应；各个悬挂区域111连接于所述谐振区域110和固定区域109之间，相邻的悬挂区域111之间为镂空区域112，所述谐振微腔103从所述镂空区域112中露出。
所述谐振薄膜104可采用飞秒激光或等离子束进行刻蚀。
具体的，在步骤210中，在所述谐振微腔103的另一端上制作形成所述石墨烯膜107的步骤如下：
步骤211：通过化学气相沉积法在铜箔上生长形成一石墨烯膜107。
步骤212：采用三氯化铁溶液将所述铜箔溶解腐蚀，使所述铜箔上的石墨烯膜107转移至所述三氯化铁溶液中。
在该步骤212中，所述三氯化铁溶液的浓度为0.08g/ml左右，仅需根据所述谐振微腔103的端面尺寸剪取一小块铜箔置于所述三氯化铁溶液中溶解腐蚀即可，所剪取的铜箔上的石墨烯膜107应能够覆盖所述谐振微腔103的(腔壁)端面。
步骤213：采用去离子水对转移有所述石墨烯膜107的三氯化铁溶液进行稀释过滤，使所述三氯化铁溶液中的石墨烯膜107转移漂浮于所述去离子水上。
在该步骤213中，采用去离子水对所述三氯化铁溶液进行稀释过滤的主要目的为对所述石墨烯膜107进行清洗，避免所述石墨烯膜107上残留有铜箔和三氯化铁，以及降低溶液酸碱度。
步骤214：将所述谐振微腔103的另一端面缓慢地靠近漂浮于所述去离子水上的石墨烯膜107，待所述谐振微腔103的另一端面接触到所述石墨烯膜107后再缓慢地将其拉离，使所述石墨烯膜107转移至所述谐振微腔103的另一端面上。
在该步骤214中，所述谐振微腔103的另一端面应当以平行于所述石墨烯膜107的方式缓慢地靠近漂浮于所述去离子水上的石墨烯膜107，以使所述谐振微腔103的整个端面均匀地与所述石墨烯膜107相接触，进而使所述石墨烯膜107均匀地转移附着在所述谐振微腔103的另一端面上。
步骤215：对所述谐振微腔103上的石墨烯膜107进行干燥处理，使所述石墨烯膜107悬空于所述光纤空腔上。
在该步骤215中，将所述石墨烯膜107在室温下自然干燥即可，所述石墨烯膜107在干燥过程中，由于自身范德华力的作用，其外围区域会附着固定在所述谐振微腔103的腔壁上，其中间区域会悬空于所述谐振微腔103上。
步骤300：在所述单模光纤101的纤芯105中制作所述光栅结构102。
在该步骤300中，所述光栅结构102可采用飞秒激光法、CO2激光法、相位掩膜法等对所述单模光纤101进行折射率调制形成。
实施例三
如图9所示，一种真空度检测方法，包括如下步骤：
S1：将实施例一所述的光纤谐振器10放置于待检测的真空环境中。
S2：将具有第一波长的激励光信号以及具有第二波长的检测光信号共同耦合进所述光纤谐振器10内，使所述激励光信号驱动所述谐振薄膜104产生谐振。
S3：获取被所述光纤谐振器10反射回来的检测光信号，得到所述光纤谐振器10的检测频谱。
在该步骤S2和S3中，采用一光激励光检测装置将所述激励光信号和检测光信号共同耦合进所述光纤谐振器10内，同时对被所述光纤谐振器10反射回来的检测光信号进行探测，以得到所述检测频谱。
如图10所示，所述光激励光检测装置包括激励激光器1、信号发生器3、电光调制器2、检测激光器4、光纤耦合器5、光纤环形器6、带通滤波器7、光电探测器8和频谱仪9，所述光纤耦合器5具有第一入射端、第二入射端和出射端，所述光纤环形器6具有入射端、反射端和透射端，所述激励激光器1通过所述电光调制器2连接至所述光纤耦合器5的第一入射端，所述检测激光器4连接至所述光纤耦合器5的第二入射端，所述光纤耦合器5的出射端连接至所述光纤环形器6的入射端，所述光电探测器8通过所述带通滤波器7连接至所述光纤环形器6的反射端，所述光纤谐振器10的单模光纤101连接至所述光纤环形器6的透射端；所述信号发生器3连接控制所述电光调制器2，所述频谱仪9连接控制所述光电探测器8。
所述激励激光器1向所述电光调制器2发射具有第一波长的激励光信号，所述检测激光器4向所述光纤耦合器5发射具有第二波长的检测光信号，然后所述电光调制器2在所述信号发生器3的周期性信号下对所述激励光信号的光强进行调制，使所述激励光信号的光强呈周期性变化进入到所述光纤耦合器5内，并与所述检测光信号耦合后进入到所述光纤谐振器10内。
本实施例中，所述光纤耦合器5为90:10耦合器，即耦合时，所述激励光信号占总体光信号的90％，所述检测光信号占总体光信号的10％。
优选地，所述检测激光器4与所述光纤耦合器5的第二入射端之间还连接有光学隔离器11，所述光学隔离器11仅允许所述检测光信号从所述检测激光器4传输至所述光纤耦合器5，而不允许所述检测光信号从所述光纤耦合器5传输至所述检测激光器4，以避免所述检测光信号在传输过程中被反射折返至所述检测激光器4处而导致所述检测激光器4损坏。
耦合进所述光纤谐振器10内的激励光信号抵达所述谐振薄膜104时，与所述谐振薄膜104信号相作用，所述谐振薄膜104由于受到光强周期性变化的激励光信号照射，从而产生周期性变化的热膨胀或收缩，进而形成谐振运动。
耦合进所述光纤谐振器10内的检测光信号抵达所述谐振薄膜104时，与所述谐振薄膜104信号相作用，受所述谐振薄膜104的调制反射后，带有所述谐振薄膜104的谐振信息；被所述光纤谐振器10反射回来的检测光信号重新进入到所述光纤环形器6内，然后从所述光纤环形器6的反射端通过所述带通滤波器7被所述光电探测器8捕获。所述光电探测器8将被反射回来的检测光信号转换为对应的电信号后提供给所述频谱仪9，所述频谱仪9输出相应的检测频谱。
所述带通滤波器7用于滤除所述检测光信号中掺杂的激励光信号。
S4：根据所述检测频谱，计算出待检测的真空环境的真空度。
在该步骤S4中，所述谐振薄膜104在不同的真空压力下，其自身的应力和力学特性会发生变化，进而导致其在所述激励光信号下的谐振频率发生变化，最终导致其对所述检测光信号的调制程度不同，体现在所述检测频谱上为谐振峰的漂移，通过所述检测频谱上谐振峰位置及谐振峰的漂移量，即可计算出待检测的真空环境的真空度大小及变化。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解依然可以对本发明实施例的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明实施例技术方案的范围。
Claims (13)
1.一种光纤谐振器，其特征在于，包括单模光纤、光栅结构、谐振微腔和谐振薄膜，所述单模光纤的一端面连接于所述谐振微腔的一端，所述谐振薄膜形成于所述谐振微腔的另一端；所述光栅结构制作于所述单模光纤内，用于将驱动所述谐振薄膜产生谐振的激励光信号反射回所述谐振微腔内。
2.根据权利要求1所述的光纤谐振器，其特征在于，所述光栅结构的中心波长涵盖所述激励光信号的第一波长。
3.根据权利要求1所述的光纤谐振器，其特征在于，所述光栅结构的反射率不低于50％。
4.根据权利要求1所述的光纤谐振器，其特征在于，所述谐振薄膜包括石墨烯膜和纳米金膜，所述纳米金膜制作于所述石墨烯膜上。
5.根据权利要求1所述的光纤谐振器，其特征在于，所述谐振薄膜包括固定区域、谐振区域及多个悬挂区域，所述固定区域附着固定于所述谐振微腔的腔壁上，所述谐振区域悬空于所述谐振微腔上且与所述单模光纤的纤芯相对应；各个悬挂区域连接于所述谐振区域和固定区域之间，相邻的悬挂区域之间为镂空区域，所述谐振微腔从所述镂空区域中露出。
6.根据权利要求1所述的光纤谐振器，其特征在于，所述光栅结构为布拉格光栅或啁啾光栅。
7.权利要求1所述的光纤谐振器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤100：取一段单模光纤，在所述单模光纤的一端面上制作所述谐振微腔；
步骤200：在所述谐振微腔的另一端上制作形成所述谐振薄膜；
步骤300：在所述单模光纤内制作所述光栅结构。
8.根据权利要求7所述的光纤谐振器的制备方法，其特征在于，在步骤100中，在所述单模光纤的一端面上制作所述谐振微腔的步骤如下：
步骤110：将所述单模光纤的一端面以及一空心管的一端面各自切平；
步骤120：将所述单模光纤切平后的端面与所述空心管切平后的端面熔接在一起；
步骤130：将所述单模光纤上的空心管裁切至所需长度，以使所述空心管的管腔在所述单模光纤的端面上形成所述谐振微腔。
9.根据权利要求7所述的光纤谐振器的制备方法，其特征在于，在步骤100中，在所述单模光纤的一端面上制作所述谐振微腔的步骤如下：
步骤110：将所述单模光纤的一端面与另一单模光纤的一端面各自切平；
步骤120：将两根单模光纤切平后的端面加热为圆弧形状；
步骤130：在两根单模光纤圆弧形状的端面上分别涂抹折射率匹配液；
步骤140：将两根单模光纤已涂抹所述折射率匹配液的端面加热熔接，同时使所述折射率匹配液汽化而在两根单模光纤的熔接处形成一气泡腔；
步骤150：从所述气泡腔中间将已熔接的两根单模光纤切断，以使所述气泡腔分别在两根单模光纤的端面上形成所述谐振微腔。
10.根据权利要求7所述的光纤谐振器的制备方法，其特征在于，
步骤110：将所述单模光纤的一端面切平；
步骤120：将所述单模光纤平放固定在一载玻片上，在所述载玻片上设置围绕所述单模光纤的支撑部，将光刻胶滴注在所述单模光纤与所述支撑部之间，使所述单模光纤切平后的端面浸没在所述光刻胶中，再在所述支撑部上放置一盖玻片，以将位于所述单模光纤上方的光刻胶压平；
步骤130：采用飞秒激光透过所述盖玻片对所述光刻胶进行局部聚合变性，使所述单模光纤切平后的端面上形成带有所述谐振微腔的聚合物微结构；
步骤140：将未聚合变性的光刻胶通过显影液去除。
11.根据权利要求7所述的光纤谐振器的制备方法，其特征在于，所述谐振薄膜包括石墨烯膜和纳米金膜，在步骤200中，在所述谐振微腔的另一端上制作形成所述谐振薄膜的步骤如下：
步骤210：在所述谐振微腔的另一端上制作形成所述石墨烯膜；
步骤220：对所述石墨烯膜进行刻蚀，使所述谐振薄膜形成固定区域、谐振区域及多个悬挂区域，所述固定区域附着固定于所述谐振微腔的腔壁上，所述谐振区域悬空于所述谐振微腔上且与所述单模光纤的纤芯相对应；各个悬挂区域连接于所述谐振区域和固定区域之间，相邻的悬挂区域之间为镂空区域，所述谐振微腔从所述镂空区域中露出；
步骤230：在所述石墨烯膜上制作形成所述纳米金膜。
12.根据权利要求7所述的光纤谐振器的制备方法，其特征在于，所述谐振薄膜包括石墨烯膜和纳米金膜，在步骤200中，在所述谐振微腔的另一端上制作形成所述谐振薄膜的步骤如下：
步骤210：在所述谐振微腔的另一端上制作形成所述石墨烯膜；
步骤220：在所述石墨烯膜上制作形成所述纳米金膜；
步骤230：对所述石墨烯膜和纳米金膜进行刻蚀，使所述谐振薄膜形成固定区域、谐振区域及多个悬挂区域，所述固定区域附着固定于所述谐振微腔的腔壁上，所述谐振区域悬空于所述谐振微腔上且与所述单模光纤的纤芯相对应；各个悬挂区域连接于所述谐振区域和固定区域之间，相邻的悬挂区域之间为镂空区域，所述谐振微腔从所述镂空区域中露出。
13.一种真空度检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：将权利要求1所述的光纤谐振器放置于待检测的真空环境中；
S2：将具有第一波长的激励光信号以及具有第二波长的检测光信号共同耦合进所述光纤谐振器内，使所述激励光信号驱动所述谐振薄膜产生谐振；
S3：获取被所述光纤谐振器反射回来的检测光信号，得到所述光纤谐振器的检测频谱；
S4：根据所述检测频谱，计算出待检测的真空环境的真空度。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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