用二氧化碳激光制作石英光学微球腔.doc

【实验名称】用CO2激光制作石英光学微球腔 【【 【( Q0 109 ) 和极低模式体积的光学介电谐振器,形状有圆柱、圆盘、圆环、球等多种,线度约5μm～500μm，由于制备方法不同,所用的介电材料也有所不同,目前应用较多的是使用二氧化硅等光学玻璃制备的球形微腔。光学微腔的特性来源于其独特的回音壁模式 (Whispering Gallery Mode , 简称WGM ,光波在微腔内表面上不断进行全反射,从而被约束在腔内并沿腔的周边绕行,几乎没有能量损失) ,可应用在要求极细线宽,极高能量密度和亮度或极细微探测能力的场合,例如腔体量子电动力学(Cavity Quantum Electrodynamics ,简称CQED) 、窄带光学滤波、非线性光学、极低阈值激光器、单光子光学双稳态以及辐射场测量。近年来,随着纳米制造技术的发展以及近场耦合技术的提高, 微型光学微腔更是得到日益广泛的研究和应用，在传感器领域的应用，主要是利用微型谐振腔自身内部或者自身与外界相互作用的灵敏反映，例如频率和光谱的变化。由于微球谐振腔的作用，使得生物传感器、温度传感器和加速度传感器的精度和灵敏度等性能指标大大提高。 制作微球形光学谐振腔的方法有很多种。传统上，常采用光刻蚀方法制作固相谐振腔以研究腔体的激光辐射特性，但这种方法工艺复杂，所需的设备成本昂贵。还有使用耐高温、抗腐蚀陶瓷坩埚熔炼玻璃和通过感应加热的熔制工艺，这种方法会使坩埚载体在熔炼过程中的腐蚀对发光玻璃的污染。此外，还有采用气体喷吹、悬浮液滴的方法制作液相谐振腔。 本实验通过对石英光纤末端的烧蚀获得圆对称光学谐振腔。在烧蚀过程中，由于液化石英表面张力作用，将在光纤悬垂底端收缩成均匀球腔。通过控制烧蚀激光的功率与烧蚀时间，可以获得不同直径大小的微米级的对称石英球腔。 2. 实验装置 本实验采用双光路CO2激光对固定的光纤进行烧蚀，实验光路图如下所示： 图1. 双光路图 光路图由CO2激光器、透镜1、透镜2、全反射镜1、全反射镜2、全反射镜3、分束镜、石英光纤以及显微监视器。 激光束1经过透镜1后聚焦于光纤熔融点附近，光束2经过透镜2后也聚焦于光纤熔融点。如果上面的双光路石英熔融光路具有很好的对称性就能保证石英光纤熔融成球后的对称性。 本实验所采用CO2激光器发射的激光波长为10.6um，其最大CW功率可达40w，因此用它就可以来很好的完成光纤的熔融工作了。由于透镜的存在，在实际的烧蚀过程中，10W的功率差不多就能很好的熔融光纤了。实验中通过调节激光器的电压大小来控制其输出功率。 光纤裸纤一般分为三层： 中心高折射率玻璃芯(芯径一般为50或62.5μmμm)，中间为低折射率硅玻璃包层(直径一般为125μm)，最外是加强用的树脂涂层。本实验采用CO2激光器作为烧蚀光源，但CO2激光波长为10.6μm，为不可见光，这就给光路的调试带来的一个难题。为了方便地调试光路，可用一个可见光源先与CO2激光同轴耦合后，再撤去CO2激光，然后用可见光来置换CO2激光完成光路的调试工作，光路如图2所示： 图2. 调试光路图 本实验中选择使用He-Ne激光器来置换激光完光路的调试工作。要用He-Ne激光器置换CO2激光器，首先就得调节He-Ne激光与CO2激光同轴耦合，然后关闭CO2激光器，以He-Ne激光作为基准光源进行光路调节。整个光路的调试，搭建，将直接影响到实验结果的成功与否。具体搭建步骤如下： 首先将CO2激光器轴调节至水平； 然后再He-Ne激光器光轴水平，通过调节固定He-Ne激光器的角架高度使得其与CO2激光光轴处于同一高度； 调节He-Ne激光器与CO2激光器同轴：首先用架子固定两张张纸屏，然后移至光路中，打开CO2激光器发射激光，分别在两张纸屏上烧蚀出两个点A、B，注意不要移动两个纸屏的位置。关闭CO2激光器，再打开He-Ne激光器，并在光路中加入全反射镜2，通过调整全反射镜2的偏转、仰俯，使He-Ne激光器光精确通过A、B两个点，这时耦合完成。 在光路中加上全反镜1、4、5，并在全反镜4前与轴成45度角加偏置补偿玻璃P（厚度与分束镜相同，均为2mm），目的是为了补偿CO2激光器通过分束镜后产生的平移； 为了使He-Ne激光器光轴水平，我们通过调节全反镜1、5，使全反镜1反射出的与He-Ne激光器出射光线在同一高度上； 加上小孔光阑S1、S2，调节全反镜3，使回光通过S1、S2； 加上分束镜，调节其位置及偏转、仰俯，使He-Ne激光器发出的激光通S1、S2，这样可以确保有分束镜分出的激光向上的那部分也是水平的 ； 加上透镜1，调节其偏转、仰俯，使回光通过S2加上透镜2，调节其偏转、仰俯，使回光也通过S2； 完成上述步骤后，试验光路的搭建就基本的完成，这个时候我们移除光路中的小孔光阑S1、S2，