[發明專利]一種基于立體光刻技術3D打印的雙耦合回音壁模式微腔

在審

• 申請號: 202111168291.1
• 申請日: 2021-10-08
• 公開（公告）號: CN113799386A
• 公開（公告）日: 2021-12-17
• 發明（設計）人: 吳繼旋;王芊;白華;李葉;江洋
• 申請（專利權）人: 天津工業大學
• 主分類號: B29C64/165
• 分類號: B29C64/165;B29C64/264;B29C64/30;B29C64/393;B33Y30/00;B33Y40/00;B33Y40/20;B33Y70/10;B33Y80/00;B33Y50/02
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本發明公開了一種基于立體光刻技術3D打印的雙耦合回音壁模式微腔，其特征為，由可調諧激光器、入射單模光纖、拉錐單模光纖、雙環光聚合物回音壁模式微腔、輸出單模光纖、光譜分析儀組成，所述雙環光聚合物回音壁模式微腔通過在二氧化硅基底上利用光聚合物快速3D打印制成，并將光信號耦合到拉錐單模光纖中，所述拉錐單模光纖通過入射單模光纖與可調諧激光器相連，通過輸出單模光纖與光譜分析儀相連。本發明通過立體光刻技術3D打印提高了回音壁微腔的制作速度，改善了微腔結構的幾何特性，同時3D打印還具備設計靈活、快速制備等優點。所提出的雙環光聚合物回音壁模式微腔通過雙環的結構提高了耦合系數、品質因數和傳感靈敏度。

技術領域

本發明屬于光學傳感技術領域，具體涉及一種基于立體光刻技術3D打印的雙耦合回音壁模式微腔。

背景技術

近年來，光學傳感器在現代光學領域發揮了重要作用，其中一些光學傳感器憑借較高的靈敏度和快速的響應速度在溫度、濕度、應力、折射率等重要物理參數的傳感與檢測中有著廣泛的應用。然而，由于光傳感路徑有限，常見的單通道(光纖、直波導)光學傳感器中光與待檢測物質的相互作用程度受到限制，從而增加了提高光學傳感器的靈敏度的難度。光學諧振器是一種可以克服以上困難的有效解決方案，光可以在高質量的諧振器中不斷循環，增強光與物質的相互作用，從而提高靈敏度。光學回音壁模式微腔由于超高的品質因數(Q值)以及較小的模式體積成為光學諧振腔領域的研究熱點。而光學回音壁模式微腔的光譜響應很大程度上依賴器件的幾何特性，例如相較于粗糙的表面，平滑的微腔具有更高的Q值；微管和微環腔由于空心的結構對微腔中填充物的變化更加敏感。非球形光學回音壁模式微腔的傳統制造方法主要包括光刻、圖形轉移、對暴露區域選擇性化學蝕刻、選擇性回流四個步驟。這些過程較為復雜從而導致過于耗費時間，而且所得結構邊緣通常較為粗糙，限制了光學回音壁模式腔的應用。若要提高光學回音壁微腔的制作效率和微腔的性能，則需要同時考慮制作的工藝以及結構的設計。本發明提出一種基于立體光刻技術3D打印的雙耦合回音壁模式微腔，以實現快速制造具有高品質因數和高靈敏度的光學回音壁模式微腔。

發明內容

本發明的目的在于克服背景技術中存在的不足，提供一種基于立體光刻技術3D打印的雙耦合回音壁模式微腔，通過基于立體光刻技術的快速3D打印來提高光學回音壁微腔的制造效率，同時改善微腔的邊緣平滑程度。本發明設計的雙耦合回音壁微腔模型為雙環結構，通過兩個緊鄰的環形微腔可以提高耦合系數，從而提高微腔的靈敏度。

為實現上述技術目的所采用的技術方案為：

一種基于立體光刻技術3D打印的雙耦合回音壁模式微腔，由可調諧激光器(1)、入射單模光纖(2)、拉錐單模光纖(3)、雙環光聚合物回音壁模式微腔(4)、輸出單模光纖(5)、光譜分析儀(6)組成，所述雙環光聚合物回音壁模式微腔(4)通過在二氧化硅基底上利用光聚合物快速3D打印制成，并將光信號耦合到拉錐單模光纖(3)中，所述拉錐單模光纖(3)通過入射單模光纖(2)與可調諧激光器(1)相連，通過輸出單模光纖(5)與光譜分析儀(6)相連。

進一步的，所述拉錐單模光纖(3)通過光纖微加工平臺制成，其過度錐區域長度、錐平坦區域長度和錐區直徑分別控制在50微米、300微米以及2微米。

進一步的，所述雙環光聚合物回音壁模式微腔(4)通過在二氧化硅基底上利用光聚合物快速3D打印制成，具體制備方法包括以下步驟：

1)將二氧化硅基底放置于電動載物平臺(8)，并將光聚合物涂覆于二氧化硅基底表面；

2)使用計算機輔助設計軟件(CAD)(9)繪制需要打印的雙環光聚合物回音壁模式微腔三維模型，將生成的三維模型數字化切片為一系列橫截面圖像(10)，后加載到空間光調制器(DMD)(11)中；

3)將來自紫外光發光二極管(12)的紫外光(UV)被投射至DMD(11)中進行空間調制，空間調制光束通過投影透鏡組件(13)投射至二氧化硅基底表面涂覆的光聚合物中；