基于CO2激光单点加热的微泡腔制备及其性能研究
1 引 言
在现代光学中,回音壁模式(WGM)光学微腔是一个被广泛研究且发展迅速的领域。科研人员已经利用不同性质的材料制备出许多不同腔体形状的WGM微腔,例如,通过硅基材料制备的球形、环形、圆盘形微腔[1-2],以及近几年研究的聚合物微瓶腔[3-4]、微光纤微腔[5]和毛细管微腔[6-8]。WGM光学微腔具有高品质因子以及低模式体积的优势,可以被封装在小体积的高灵敏度传感器或者微激光器中,在非线性光学、腔光力学以及其他应用研究领域均具有广阔的应用前景[1]。
在微腔的制备过程中,由于
2010年,Sumetsky等[6]用稳定的
在上述这些以激光加热制备微泡腔的方法中,制备装置需要进行分光,即需要采用两路
1 实验装置
图1为制备微泡腔的实验装置,主要由信号发生器、
图 1.
Fig. 1. Setup of microbubble preparation by laser single-spot heating 激光单点加热制备微泡腔的装置图
2 实验和讨论
2.1 微泡腔的制备过程
图2为用于制备微泡腔的毛细管(Polymicro,TSP100170)及制备出的微泡腔。毛细管材料主要为石英玻璃,图2(a)显示了表面包裹了聚酰亚胺涂覆层的毛细管。聚酰亚胺的熔点远低于石英玻璃,可用酒精灯内焰对其进行加热,然后用酒精擦除。去除涂覆层后的毛细管如图2(b)所示,外径为140 μm,内径为100 μm。在轻巧(AC)模式下,以0.3 Hz的频率、0.5 μm的扫描范围,用原子力显微镜(AFM)扫描毛细管表面。对所测曲面进行了2阶展平处理后,得到平整状态下均方根(RMS)粗糙度为139 pm。可见采用涂覆层去除法制备得到的毛细管表面非常光滑,无涂覆层残余。
微泡腔制备过程如下:
1)将剥去涂覆层的光纤(Corning,SMF-28)固定在光纤夹持器上,并将脉冲信号的占空比提高到4%。通过二维平移台移动显微物镜直至观察到光纤被激光熔融的位置,即确认激光加热光斑的位置。
2)用剥去涂覆层的毛细管取代光纤并固定在光纤夹持器上,打开质量流量计以较小的流速10 mL/min往毛细管中通入氩气,通气5 s后关闭。然后将激光脉冲信号的占空比调节到3.6%,待毛细管熔融后,再次打开质量流量计通入氩气。
3)当毛细管被加热到出现明显的膨胀现象时,关闭质量流量计;当微泡腔形状如图2(c)所示的状态时,关闭激光器。
在加热毛细管的过程中,通过增加加热时间和提高脉冲信号的占空比可以制备直径更大、壁厚更小的微泡腔,其壁厚与微泡的直径成反相关。当脉冲信号的占空比从3.6%缓慢提高到3.9%时,制备得到的大直径微泡腔如图2(d)所示,此时观察到微泡腔仅有半球形,半球体的直径约为250 μm。
由于WGM微腔中的光以全反射的方式沿着微腔的内表面传播[1],所以当微泡是半球形时,光不容易被束缚在腔内,其Q值较低。为了实现高品质的球形微泡腔,需要进一步优化制备的参数。参数优化方式如下:
1)调节硒化锌透镜的高度,改变加热光斑的高度,使得毛细管处于激光光斑的正中央。
2)通过二维线性位移台调节硒化锌透镜的位置,调节加热光斑的大小。当激光光斑变大,激光的输出功率密度降低,熔融毛细管需要的占空比也会越大。当激光脉冲信号的占空比达到4%时,观察到毛细管熔融,吹出的微泡腔如图3(a)所示,此时微泡腔是直径约为270 μm的球形,其壁厚最薄处为0.9 μm,最厚处为5.8 μm。
在熔融的石英玻璃自身张力的作用下,微泡腔的内外表面都趋于形成圆形,所以微泡腔赤道面的截面应是两个不同心的圆形。根据极坐标下圆的表达式,可以得到微泡腔壁厚
式中:d为两个圆心之间的距离;
式中
图3是微泡腔及其原子力显微镜(AFM)扫描图,所测微泡腔曲面已进行了2阶展平处理,在平整状态下测得微泡腔表面RMS粗糙度为191 pm。可见毛细管在加热膨胀为微泡腔的过程中,表面粗糙度几乎没有发生改变。当脉冲信号的占空比提高到4.3%时,可以吹出直径约为297 μm的微泡腔。将遭破损的毛细管表面旋转至破损截面向上,如图4所示,测得毛细管最薄壁厚仅为0.8 μm。
图 3. 球形微泡腔的光学显微镜照片和AFM扫描图
Fig. 3. Optical micrograph and AFM scanning graph of spherical microbubble
2.2 微泡腔的仿真
为了节省计算成本并尽可能还原仿真物的形状,本文采用二维(2D)方式模拟求证制备得到的微泡腔质量。使用COMSOL的电磁模块,在同样的条件下分别以2D方式模拟了两个直径为270 μm的微泡腔,得到微泡腔的特征频率和品质因子。设定微泡腔的管壁折射率为1.45,材料为石英玻璃并且边界平滑。微泡腔的外部为空气,内部未填充任何物质也为空气,折射率都为1。整个结构外包裹了完美匹配层(PML)边界,其中:均匀微泡腔的结构为两个不同直径的同心圆,直径分别为 270.0 μm和263.3 μm;而非均匀微泡腔在相同的结构下将内圆向下移动了2.45 μm使得加热侧壁厚比非加热侧的壁厚少了4.9 μm。
图5显示了两次仿真的电场TE模式分布,其等同于上述两种微泡腔赤道面上(平行于毛细管横截面)的TE模式分布。当特征频率为193.4590 THz时,壁厚均匀的微泡腔中TE模场为一阶模,其Q值为2.1×
图 5. 微泡腔中的TE模式电场分布仿真图
Fig. 5. Simulation of TE mode electric field distribution in microbubbles
3 结 论
本文采用
通过模拟仿真壁厚均匀和不均匀的微泡腔,证明了单点加热得到的壁厚略不均匀的微泡腔,虽然其Q值与壁厚均匀的微泡腔相比降低了一些,但是仍然具有较高的谐振Q值,因此也可广泛用于高质量的光学谐振腔及高精度传感中。进一步的工作是将毛细管熔融拉细,使产生的微泡腔体积和壁厚进一步减少,更适用于超小封装的高灵敏度传感器中。
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