用二氧化碳激光制作石英光学微球腔.doc

1【 【实验实验名称名称】 】用用 COCO2 2激光制作石英光学微球腔激光制作石英光学微球腔【 【实验实验目的目的】 】 1．了解二氧化碳激光器的工作原理 2．了解光学微球腔的特性 3．掌握利用二氧化碳激光器制作石英光学微球腔的方法 【 【实验仪实验仪器及材料器及材料】 】 二氧化碳激光器、氦-氖激光器、透镜、全反射镜、分束镜、显微观察系统、读数显微镜 石英光纤、氢氟酸【 【实验实验原理原理】 】 1．光学微球腔 光学微腔是具有极高品质因数( 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2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(多模光纤芯径一般为50或62.5μm，单模光纤芯 径约6μm)，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在目前的制 造技术下，为了获得不同的折射率，主要采用向SiO2中掺加二氧化锗获得高折射率的光纤芯由于光 纤的直径很小，要想对光纤的熔融过程有一个很好的观察，我们使用显微观察系统来对其进行监视 实验中，我们采用的是10×10倍显微镜的镜筒部分，将其固定在三维调整架上，并调节其位置来观察 光纤的熔融过程 3.光路的搭建和调试 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： (1)首先将 CO2激光器轴调节至水平； (2)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； (3)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。

(4)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； (5)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3光器出射光线在同一高度上； (6)加上小孔光阑 S1、S2，调节全反镜 3，使回光通过 S1、S2； (7)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 ； (8)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； (9)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，偏置补偿镜 P 以及 He-Ne 激光器整个实验过程中一共有两次耦合过程上述步骤中的 1—3 完成了 He-Ne 激光光路与 CO2激光 光路的耦合；还有一个耦合就是光路经分束镜反射、透射后的两束光路的双光路相向耦合整个实验 的关键在于完成双光路的耦合，保证经过分束镜后的两个光束同轴并且能够重合。

光路中所使用的透镜及全反镜，除全反镜 2、3 以外，其它的均是由砷化镓（GaAs）材料所制备成， 这种材料制作的透镜和全反镜对 10.6μm 的 CO2激光具有高透过率，同时对可见光区域波长可视为 全反射，所以非常适合本实验的使用实验步骤】 1. 光纤的腐蚀清洁 所烧蚀出来的球腔直径是与光纤直径密切相关的，如果要获得小直径的球腔，那么必须对光纤 进行腐蚀，获得比较细小的光纤在实验过程中，将光纤表面涂层去除，放在浓度为40%的氢氟酸中 进行腐蚀，并每10分钟取出来测量光纤的直径通过控制腐蚀时间来控制被腐蚀光纤的直径，从而 得到需要的直径大小制备球腔的光纤末端必须用蒸馏水或酒精清冼干净 2. 光纤的定位及监视系统的调整实验中要将光纤固定，以便于进行烧蚀光路中焦点附近的光斑直径在 100-500μm之间，已经足以将光纤覆盖并完全熔融所以只要将光纤的烧蚀部分位置标好并放置准确，就能很顺利的完 成烧蚀工作为了找准光纤摆放的位置，选择使用针尖作为位置指示器，指示直径在 10μm 以内将一根细针 固定在一根铁棒上，然后将铁棒固定在支架上，通过调节支架的高度来达到调节针尖位置的目的 此外用耐火纤维材料制成纸屏，并用支架将其固定，用来确定光斑的焦点位置。

将祛除了涂层的光 纤固定在三维调整架上，并且将祛除了涂层的那端向下悬垂，以便于烧蚀光纤的定位有以下几个步骤： （1）将光路调节好后，将固定好的纸屏放在两个透镜的中间，然后打开激光器，在纸屏上烧蚀出一个极小的孔； （2）然后关闭激光器将事先装备好的针尖对准激光所烧出的小孔，固定针尖位置，移走纸屏，然后 通过调节固定光纤的三维调整架，使光纤的垂悬下端准确地对着针尖位置； （3）将高度指示取走，完成光纤的定位注意在移走高度指示的时候不要触动三维调整架，避免移动 光纤位置 为了方便观察光纤的烧蚀过程，更好地了解光纤熔融过程中所发生的变化，了解影响球的大小 具体和那些因素相联系，便于观察所烧蚀的球是否符合实验的要求将显微镜固定在三维架上，通 过调节镜筒的位置便可以清晰地观察到球的烧蚀过程打开 He-Ne 激光器，照明光纤底端，调节固定镜筒的三维架，直到图像清晰为止 3. 石英光学微型谐振腔的烧制 先打开 CO2激光器电源，预热 15 分钟，然后将激光器的电压调升至 190V，通过使用脚踏开关 来控制激光的通断一般情况下，调整激光输出电压在 190V 左右，以单触发的方式输出激光，时间4不能太长，避免为高度过高而将光纤气化，一般在 0.5 秒左右。

每次触发脚踏开关的时候，注意不能直接用眼睛注意不能直接用眼睛观观察察镜镜筒筒，因为光纤在烧蚀时会发出强烈的白 光，容易伤到眼睛，为减少对眼睛的伤害，可戴上墨镜，或者是在烧蚀的过程视线远离发光点触发 结束，熔融石英收缩成球腔，光纤满足一下两个条件：第一，光纤的底端全部被光斑所覆盖;第二，烧 蚀过程中，光纤两边所受的光压是平衡的当满足上述的两个条件，就可以将光纤熔融成具有比较 完美的圆对称得球腔；为了得到比较完美的球腔，令球直径与光纤直径的比为 Ψ,由于表面张力和液化后的光纤部分受 到的重力需要平衡，所以 Ψ 不可能无限的大，在我们的实验中，Ψ 最大为 4.3 左右 光纤的烧蚀成球过程如图 3 所示，图 3. 激光烧蚀光纤原理图实验时，很难在第一次烧蚀的时候，就让光纤达到最佳的位置，此时我们可以通过调节三维角 架，来移动光纤下端的位置，并结合所烧蚀出来球腔的形状来判断光纤两边的光压是否平衡如果 烧蚀出来的球腔向某个方向偏转，这是由于球腔两边的光压不平衡所造成的，这时需要调节固定光 纤的三维调整架来达到两边光压平衡当烧蚀的球已经变成比较完美的圆对称球腔后，可以通过控 制上下调节光纤的位置来控制光纤进入光斑部分的长度，从而达到控制球腔半径的目的。

实验时，激光器的功率不能调得过大，太大的功率容易将光纤汽化同时在调节光路的时候，不 一定要将球放在激光经过透镜的焦点上，可以稍微远离焦点一些，这样才能达到让整个光纤都处在光斑之中实验内容】 1.烧制一个光学微球腔，要求球腔直径小于 100μm； 2.用读数显微镜观察烧制前的光纤和烧制后和球，描绘球腔的表面形状； 3.记录烧制前光纤的直径和烧制后球的直径；【注意事注意事项项】 1.注意人身安全，不要让激光直接打到眼睛里； 2.烧蚀过程中，不能直接用眼睛观察镜筒； 3.掌握激光器的操作方法，不得将输入电流调得过大。