用二氧化碳激光制作石英光学微球腔.doc

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1、【实验名称】用CO2激光制作石英光学微球腔【实验目的】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

2、的特性来源于其独特的回音壁模式(WhisperingGalleryMode,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(CavityQuantumElectrodynamics,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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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