基于回音壁模式的光纖壓力傳感器的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究-閱讀頁
2024-09-18 11:58本頁面
【正文】 調(diào)制光纖壓力傳感器和分布式光纖壓力傳感器 [4]。 圖 11 描述了光線壓力傳感器基本原理的系 統(tǒng)框架圖。 光學(xué)微球腔的介紹 在各式各樣的光學(xué)微結(jié)構(gòu)中，微球形結(jié)構(gòu)近年來逐漸成為人們的研究熱點(diǎn)。微球?qū)⒐饧s束在“赤道”平面附近并沿大圓繞行。這種模式傳播相當(dāng)于光在一個(gè)閉合的諧振腔內(nèi)振蕩，其共振的頻率與入射場(chǎng)的模式無關(guān)，只決定于微球的折射率和半徑，因此這種共振也可以稱為形貌共振。微球外的光場(chǎng)為近場(chǎng)，是局限于微球表面附近的倏逝波，它是一種非傳播波，光場(chǎng)的振幅在徑向方向呈指數(shù)下降，因此從球內(nèi)透出到球外的平均能流為零。在光通信功能器件應(yīng)用領(lǐng)域，利用光學(xué)微球在特定頻率下產(chǎn)生諧振的性能，可以實(shí)現(xiàn)線性光開關(guān)、波長(zhǎng)濾波、密集波分復(fù)用等光學(xué)功能器件 [6]。由于制備方法不同，所用的介電材料也有所不同，目前應(yīng)用較多的是使用二氧化硅等光學(xué)玻璃制備的球形微腔。近年來，隨著納米制造技術(shù)的發(fā)展以及近場(chǎng)耦合技術(shù)的提高，光學(xué)微腔更是得到日益廣泛的研究和應(yīng)用 [7]。目前幾種 比較常見的玻璃材料的回音壁模式微腔 : 微球腔 (Microsphere)， 微盤腔(Microdisk)和微環(huán)芯腔 (Microtoroid)。 在描述諧振腔的參數(shù)中， Q值是一個(gè)最基本的參數(shù)。 微 球內(nèi)的 WGM由三個(gè)模式數(shù)和偏振標(biāo)記，有徑向模式數(shù) n、角向模式數(shù) l及方位角向模式數(shù) m， 偏振有 TE（橫電場(chǎng)）和 TM（橫磁場(chǎng)）之別。在球的尺寸相對(duì)波長(zhǎng)是很大時(shí)，球內(nèi)的電 場(chǎng)分布在 TE、 TM 下分別近似為角向偏振和徑向偏振 [14]，它們近似表為 ? ? ? ? ? ? ? ?1, , ,r l lmllE r j nk r Ykr? ? ? ?? for TM modes ? ? ? ? ? ? ? ?, , ,s i n l lmmE r j n k r Y? ? ? ? ??? for TE modes 對(duì)于 ~1n 、 l 1 及 ~1m?? 的微球 WGM， WGM 在微球的周界附近沿赤道平面?zhèn)鬏敗? 167。因此，具有較高效率的耦合方式是通過其它電介質(zhì)物體產(chǎn)生的倏逝波耦合，即近場(chǎng)耦合。利用熔錐光纖作為球諧振腔的輸入輸出耦合器件時(shí)，要求熔錐光纖和微球的相位傳播常量匹配。 WGM諧振腔的制作工藝簡(jiǎn)單且造價(jià)低廉，加之集超高 Q值與超小模式體積于一身的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)使得其在實(shí)際中得到越來越廣泛的應(yīng)用?；匾舯谀Ｊ轿⑶豢梢允褂脴?biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體加工工藝進(jìn)行制備，因此不僅能夠高效高精準(zhǔn)度的批量生產(chǎn)出單個(gè)高品質(zhì)腔，也能制備相互耦合的微腔陣列。 另一方面，由于微腔模式體積非常小，即使單個(gè)光子也能在腔內(nèi)產(chǎn)生非常強(qiáng)的電場(chǎng)，可以與其他物理體系強(qiáng)相互作用。利用這些相干作用，我們可（ 214） 河南科技大學(xué)畢業(yè)論文 12 以將量子態(tài)在不同的物理體系中相互傳遞，有望應(yīng)用于量子態(tài)的存儲(chǔ)和操作。結(jié)合經(jīng)典的集成光學(xué)器件，波長(zhǎng)量級(jí)的尺寸和易于 集成的性質(zhì)使得回音壁模式有望被用來組建下一代量子光學(xué)芯片，實(shí)現(xiàn)量子信息處理，量子計(jì)算和量子模擬 WGM與量子點(diǎn)、量子阱的結(jié)合研究進(jìn)一步豐富了其應(yīng)用前景。 目前光學(xué)微腔（包括 WGM微腔）在理論和應(yīng)用方面受到廣泛的注意。得益于其較稀疏的、高 Q值的、極小模式體積的 WGM及對(duì)于自發(fā)輻射特性的影響，WGM 微腔在低閾值激光器、新奇光源（如單光子源等）、非線性光學(xué)、生化傳感器及濾波器等方面有諸多實(shí)際的應(yīng)用，另外其微米大小的尺寸也特別適合于光電集成和光子集成 [8]。 光學(xué)微球腔的制備 光學(xué)微球腔的制備主要有兩種方式： (1)高溫熔融冷卻法； (2)溶膠一凝膠法。通常 將光纖的包層去除后，用激光會(huì)聚產(chǎn)生的高溫將光纖內(nèi)芯一端局部熔融，在表面張力作用下形成較標(biāo)準(zhǔn)的球形，冷卻后便是一個(gè)帶光纖柄的微球。值得注意的是，在這種非標(biāo)準(zhǔn)球中，不同的 m對(duì)應(yīng)的模式已不可簡(jiǎn)并，其對(duì)應(yīng)的模式諧振頻率有細(xì)微差異。首先以 PTES作為起始材料，將 PTES與 R6G混合，用鹽酸溶液水解，并進(jìn)行攪動(dòng)，經(jīng)過聚合，在 1— 5天后，得到 PTES低聚物。這樣得到的微球中很多含有空洞，需要以不同密度的酒石酸鉀溶液作為溶劑，采用離心技術(shù)從中分離出較好的微球。后者可以適用于無機(jī)或有機(jī)物，而且微球的從內(nèi)到外的折射率以及半徑都可以控制，但是均勻性和球形都有待 提高。為了能對(duì)諧振頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以采用改變溫度和應(yīng)力使球的半徑或折射率發(fā)生改變來調(diào)節(jié)諧振頻率。 另外，液滴也能作為微球腔，例如摻若丹明的乙醇液滴 。 本實(shí)驗(yàn)采用高溫熔融冷卻法。首先，用光纖鉗分別剝?nèi)筛饫w的涂層和包層，然后用酒精將纖芯擦拭干凈。這樣當(dāng)光纖電弧放電時(shí)產(chǎn)生高溫使纖芯局部熔融，就產(chǎn)生了一個(gè)凸起的圓球微腔，連續(xù)電弧放電可使圓球的半徑不斷增加。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖 31 圖 31 光學(xué)微球 167。實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如 圖 32 河南科技大學(xué)畢業(yè)論文 15 s p e c t r o g r a p h321L i g h t 圖 32 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖 圖 32中 1為微球； 2為 加壓力裝置； 3為耦合器 通過實(shí)驗(yàn)裝置中的白光光源輸出光，光通過耦合器將一束光分成兩束到輸出端，它們的理論分光比例是 :，而實(shí)際分光比例是 :。用光纖切割刀切去一段光纖使得該光纖面平整。先用光纖鉗剝除該端光纖的涂層和包層，用酒精擦拭干凈用切割刀切去適當(dāng)已經(jīng)用酒精擦拭過的纖芯。估計(jì)損耗為 。將耦合器的另一個(gè)輸出端置入黑色物體中使其中的光被吸收。 首先用光譜儀測(cè)量未加壓力時(shí)的數(shù)據(jù)， 然后用光譜分析儀測(cè)量依次加 3N， 6N， 9N壓力時(shí)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，將這四組數(shù)據(jù)導(dǎo)入到 Origin里進(jìn)行畫圖，線型擬合處理數(shù)據(jù)。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 圖 41 未加壓力時(shí)的數(shù)據(jù)圖 圖 42 施加壓力時(shí)的數(shù)據(jù)圖 河南科技大學(xué)畢業(yè)論文 17 圖 41和 42是通過將光譜儀所得的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到 Origin中所畫的圖像，圖 41是光學(xué)微球未加壓力時(shí)的測(cè)得的圖像，而圖 42是未加壓力以及分別對(duì)微球施加加3N,6N,9N壓力所得到不同數(shù)據(jù)的比較圖像。 數(shù)據(jù)分析 在圖 41中取 1300— 1400nm波段進(jìn)行研究，測(cè)得對(duì)應(yīng)的波峰的波長(zhǎng)值依次為 ， ， ， ， ， ， 。由此可見，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論得到的結(jié)果基本上一致。 用 Origin將四組數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，得到擬合系數(shù) ， 。 結(jié) 論 本文根據(jù)傳感器的基本原理，研究并分析了基于回音壁模式的光纖壓力傳感器。但是由于光纖傳感器的靈敏度極高，實(shí)驗(yàn)過程中容易產(chǎn)生誤差，并且光譜分析儀的不夠靈敏，因此實(shí)驗(yàn)還需進(jìn)一步的研究與探討。題目的選定，實(shí)驗(yàn)思路及方法，參 考文獻(xiàn)，論文大綱，閆老師都給了我許多寶貴的意見和幫助。閆老師在光學(xué)方面有淵博的理論知識(shí)，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)術(shù)思想，并且有認(rèn)真負(fù)責(zé)的教學(xué)態(tài)度，因此我在完成畢業(yè)論文期間學(xué)習(xí)到許多新的知識(shí)和方法。是你們的幫助讓完成了學(xué)業(yè)，完成了自己的畢業(yè)論文， 同時(shí)也讓我學(xué)到許多的
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