[發明專利]一種超薄壁空心微球光諧振腔制作方法與裝置

有效

• 申請號: 201911286500.5
• 申請日: 2019-12-13
• 公開（公告）號: CN111036155B
• 公開（公告）日: 2022-02-15
• 發明（設計）人: 尹金德;閆培光;周澤文;陳浩;于洋;阮雙琛
• 申請（專利權）人: 深圳大學
• 主分類號: B01J13/02
• 分類號: B01J13/02;B01J13/04
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 李素蘭

本發明公開了一種超薄壁空心微球光諧振腔制作方法和裝置，該裝置包括加熱系統和加壓系統兩部分；其中，所述加熱系統包括Ω型加熱環(2)和控制電源(4)，為空心石英光纖(1)提供900?1000℃的高溫均勻加熱；所述加壓系統包括配氣室(6)、氮氣罐(8)和真空泵(13)，為空心石英光纖(1)內部提供200?300kPa恒定氣壓；采用全角度非接觸均勻輻射加熱成型法，沿著空心光纖圓周方向非接觸輻射均勻加熱到熔融狀態，同步在空心光纖內部施加氣壓，光纖外壁在內外壓差作用下逐步膨脹成型，制備出高質量空心微球諧振腔。本發明制備的空心微球諧振腔具有超薄壁、高圓度、低偏心度的優點，在高靈敏度折射率傳感、可調諧微納激光、非線性光頻率梳領域具有應用價值。

技術領域

本發明涉及光學微諧振腔領域，特別是涉及一種超薄壁的空心微球諧振腔制備方法及其制作裝置。

背景技術

回音壁模式（Whispering gallery modes，WGM）是一種基于光全反射約束機制的電磁波在圓對稱介質中形成的光學微腔諧振模式，完美圓對稱諧振腔（包括微球、微盤、微管、空心微球等結構）具有極高的Q值，在高靈敏度折射率傳感、可調諧微納激光、非線性光頻率梳領域具有重要的應用價值。

其中，在高靈敏度折射率傳感相關的生物、化學、醫藥等領域，空心微球諧振腔具有獨特的優勢。相比于微球和微盤諧振腔開放式耦合方法，空心微球腔可以與微流體技術相結合，將待測生物分子導入到微諧振腔內部，實現內部閉合式光-流耦合，極大提高傳感器的集成度、穩定性和抗外界干擾能力。然而，由于WGM模式穿透深度在微米量級，因此為了增加耦合效率，保障傳感器靈敏度，通常要求空心微球腔的壁厚在亞微米到微米量級。目前，空心微球光諧振腔的制備方法主要分為兩種，即CO₂激光法和電弧放電法。例如，2010年，M. Sumetsky等（Optical microbubble resonator,Optics Letters,2010，35（7）:898-900.）采用CO₂激光照射通入一定氣壓的空心石英毛細管使其加熱到熔融狀態，毛細管壁在氣壓作用下逐漸膨脹，形成空心微球結構。但是，激光只能照射毛細管的一側，使得加熱不均勻，容易引起微球畸變，壁厚難以精確控制。2015年D. Farnesi等（D. Farnesi,A.Barucci,G. C. Righini,G. N. Conti,and S. Soria,Optics Letters,2015,40（19）:4508-4511.）采用熔接機電弧放電的方法制備了空心微球諧振腔，相比于CO₂激光法，加熱更加均勻，空心微球的畸變降低。但是，由于電弧放電較短，導致空心毛細管的膨脹過程難以精確控制，微球壁厚通常較厚。且電弧放電過程中產生的放電壓力也會對微球薄壁引入新的畸變。

因此，實現超薄壁、高圓度、低畸變的高質量空心微球諧振腔的制備一直以來都是該領域面臨的重要挑戰。

發明內容

基于上述技術問題，本發明提出了一種超薄壁空心微球光諧振腔制作方法與裝置，采用全角度非接觸均勻輻射加熱成型法，在空心石英光纖上制備出具有超薄壁、高圓度、低偏心度的高質量空心微球諧振腔。

本發明的一種超薄壁空心微球光諧振腔制作方法，該方法基于超薄壁空心微球光諧振腔制作裝置實現，所述超薄壁空心微球光諧振腔制作裝置包括加熱系統和加壓系統兩部分，其中，所述加熱系統包括Ω型加熱環（2）和控制電源（4），為空心石英光纖（1）提供900-1000℃的高溫均勻加熱；所述加壓系統包括配氣室（6）、氮氣罐（8）和真空泵（13），為空心石英光纖（1）內部提供200-300kPa恒定氣壓；所述配氣室（6）通過放氣閥（9）與所述真空泵（13）相連通，所述氮氣罐（8）通過氣管（10）與所述配氣室（6）連通，配氣室（6）上安裝氣壓表（7）監控艙內氣壓大小；待制備的空心石英光纖（1）與配氣室（6）密封連通，所述氮氣罐（8）罐口處設置有氮氣罐開關閥（11）與氮氣罐減壓閥（12），通過所述氮氣罐開關閥（11）與所述氮氣罐減壓閥（12）將氮氣輸送到配氣室（6），所述空心石英光纖（1）處于所述Ω型加熱環（2）中心位置；該方法包括以下步驟：