一种基于偶氮苯材料的光控回音壁模式产生系统的制作方法
【专利摘要】一种基于偶氮苯材料光致异构特性的光控回音壁模式产生系统，该系统包括宽带光源，365nm紫外光源，紫外偏振片，用于产生倏逝场的锥形光纤及其夹持装置U形架，镀有偶氮苯薄膜的石英微球腔，三维调节架，显微物镜，CCD，连接用光纤及显示装置等。该系统在传统微谐振腔-锥形光纤耦合系统的基础上，通过对微谐振腔敏化处理，实现光控回音壁模式。此外，由于回音壁模式窄线宽特性及偶氮苯材料对紫外光的敏感性，该装置可用于紫外光强度的精密测量。本发明可通过调节紫外光的强度、偏振态、改变微球腔大小、偶氮苯薄膜厚度等实现不同光学特性回音壁模式的产生，其具有结构紧凑、可实现对回音壁模式光学特性的光控调谐、紫外光传感灵敏度高等优点。
【专利说明】一种基于偶氮苯材料的光控回音壁模式产生系统
【技术领域】
[0001]本发明属于微纳光纤光学领域，本发明结合石英微谐振腔-锥形光纤耦合系统及偶氮苯材料的光敏特性，形成一种光控回音壁模式产生系统，并可用于对紫外光强度精密传感。
【背景技术】
[0002]回音壁模式(WGM:Whispering Gallery Mode)是一种在圆对称结构介质中存在的特殊电磁波谐振模式。WGM光学微腔是一种具有高品质因子而尺寸可与谐振光波波长相比拟的光学微谐振腔。柱、盘、环、线、球等多种类型的WGM微谐振腔都具有出色的光能量存储能力。以微球腔为例，当微球腔置于低于自身折射率环境中时，微球腔中的光波在大于临界角的方向上不断发生全反射，从而被约束在球内。当光波满足相位匹配条件，即
= mJLCl)
时，将形成在微球腔内传播的本征模式，即WGM，其中neff为有效折射率，R为微球半径，A为谐振波长,m为整数。光学微球腔特有的WGM使光场的大部分能量被封闭在球内，而球外为局限于球表面附近的近场倏逝波，其光场振幅在矢径方向呈指数下降，因此理想状态下从球内到球外的平均能流为零，这就使得WGM微球谐振腔具有极高的品质因数和极小的模式体积。在WGM光谱中存在极窄的共振峰,而这些共振模的本征波长仅取决于介电微球的几何尺寸和折射率，这为探究非线性、量子光学等现象创造了有力条件，也为相关光子学器件的研发提供了可能。
[0003]偶氮苯材料的基本结构为氮氮双键(-N=N-)连接的苯环，存在反式(trans)和顺式(cis)结构的两种异构体,其中反式结构为稳定结构,在紫外光照射下,氮氮双键会发生旋转，使其由反式结构转变为顺式结构，此过程即光致异构化。顺式结构具有不稳定性，易在可见光或热作用下发生光致或热致异构化，重新变为反式结构。通常情况下，两种异构体在偶氮苯材料中同时存在，二者间的转化处于动态平衡，其中反式结构占主体，因此宏观表现为对紫外光的敏感特性。
InfN=N.=== (J Q
当偶氮苯分子从反式结构变为顺式异构体时，其材料折射率将会降低，而且当线偏振光照射偶氮苯材料时，虽然与偏振光垂直和平行的两个方向对应的折射率都会降低，但平行方向的降低速率大于垂直方向，因此偏振光照射会造成偶氮苯材料具有光学双折射特性，且随照射时间延长，双折射度将会增加并最终达到饱和。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是将偶氮苯材料的光致异构特性与石英微球-锥形光纤耦合系统相结合,实现一种光控WGM产生系统,即基于偶氮苯材料的光控WGM产生系统。该系统可用于紫外光强度的精密测量。
[0005]本发明提出的基于偶氮苯材料的光控回音壁模式产生系统，该系统包括宽带光源，365nm紫外光源，紫外偏振片，用于产生倏逝场的锥形石英光纤及其夹持装置U形架，镀有偶氮苯薄膜的石英微球腔，三维调节架，两个显微物镜及与之相连的CCD，连接用光纤及显示装置等。
[0006]用于产生倏逝场的锥形石英光纤基于普通单模光纤拉锥技术制做，锥区直径为微米量级，石英微球腔由锥形石英光纤尖端熔融得到，石英微球腔表面镀有偶氮苯薄膜并通过U形架夹持于三维调节架上，传导光纤的锥形区域固定于U形架中央；传导光纤的一端连接宽带光源，另一端与光纤光谱仪连接；
紫外光源提供365nm入射光，通过紫外偏振片照射镀有偶氮苯薄膜的石英微球腔；两个显微物镜分别从俯视和侧视两个方向观察石英微球腔-锥形光纤耦合区域，以便于利用三维调节架进行锥形光纤与石英微球腔相对空间位置的调节，两个显微物镜同时连接显示装置。
[0007]所述的传导光纤锥区直径为I μ π?Ο μ m,石英微球谐振腔直径为30 μ π?ΟΟ μ m，偶氮苯薄膜厚度为I μ m，材料为分散黄7 (Disperse Yellow 7，DY7)。
[0008]所述的光控WGM产生原理:当365nm紫外光照射微球表面时，偶氮苯材料-N=N-键发生旋转，产生反式-顺式异构化过程，造成微球腔表面折射率降低，而WGM谐振波长与介电微球及外界的折射率有关，因此WGM谐振波长会随紫外光的强度或照射时间的变化发生漂移。当线偏振紫外光微腔时，会造成偶氮苯材料薄膜产生光学双折射特性，进而影响WGM的光学特性，因此通过控制紫外光的偏振态，可以实现对WGM的调控。此外，通过制备不同锥腰尺寸的锥形光纤及不同直径的石英微球腔，可得到具有不同光学特性的WGM。
[0009]由上述原理可知，此系统还可应用于对紫外光强的传感及测量，同时由于WGM具有极窄的谐振峰线宽特性，可实现高精度测量。
[0010]本发明的优点和有益效果:
本发明所述的光学WGM产生系统具有紫外光光控特性，在可见光或热作用下WGM系统的光谱特性具有可恢复性，同时所提出基于偶氮苯材料的微球谐振腔敏化方案同样适用于基于其它类型微谐振腔的光学WGM产生系统，且由于WGM谐振峰的窄线宽特性，该系统还可用于对紫外光强的高精度传感及测量。
[0011]
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为偶氮苯的光致异构过程示意图。
[0013]图2为本发明中偶氮苯材料DY7的结构式，为双偶氮键结构。
[0014]图3为本发明中基于偶氮苯材料的光控WGM产生系统结构示意图。
[0015]图中:1.宽带光源，2.365nm紫外光源，3.紫外偏振片，4.用于产生倏逝场的锥形光纤，5.夹持装置U形架，6.镀有偶氮苯薄膜的石英微球腔，7.三维调节架，8.两套显微物镜及(XD，9.显示器，10.光纤光谱仪
图4为显微物镜观察到的微球与锥形光纤耦合区域，(a)为侧视图，(b)为俯视图。
[0016]图5为熔融光纤尖端得到的直径分别为35.13 μ m、75.23 μ m、97.98 μ m及130.53 μ m的石英微球。
[0017]图6为传导光纤锥腰直径8 μ m、微球直径72.53 μ m时测得的WGM系统透射光谱。
[0018]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】做进一步说明。
[0019]_
【具体实施方式】
[0020]如图3所示，基于偶氮苯材料的光控回音壁模式产生系统。
[0021]本发明提出的光控WGM产生系统是基于石英微球腔-锥形光纤耦合系统与偶氮苯材料的光敏特性，通过在石英微球腔表面镀偶氮苯薄膜，得到一种基于偶氮苯材料光致异构特性的光控石英微球腔WGM产生系统。所述的光控WGM产生原理为当紫外光照射微球表面时，偶氮苯材料-N=N-键发生旋转，产生反式-顺式异构化过程，引起微球表面折射率降低，而WGM谐振波长与微球及外界的折射率有关，因此WGM的谐振波长会随紫外光照的变化发生漂移。
[0022]图1为偶氮苯光致异构过程示意图，紫外光照导致-N=N-键发生旋转，由反式结构变为顺式结构，而顺式结构具有不稳定性，易在可见光或热的作用下发生光致或热致异构化，重新变为反式结构。
[0023]图2为本发明中偶氮苯材料DY7的结构式，为双偶氮键结构。
[0024]图3为本发明中基于偶氮苯材料的光控WGM产生系统结构示意图。
[0025]本发明提出的基于偶氮苯材料的光控回音壁模式产生系统，该系统包括宽带光源I，365nm紫外光源2，紫外偏振片3，用于产生倏逝场的锥形石英光纤4及其夹持装置U形架5，镀有偶氮苯薄膜的石英微球腔6，三维调节架7，两套显微物镜及CXD 8 (8-1、8_ II)，，连接用光纤及显示装置9等。
[0026]用于产生倏逝场的的锥形石英光纤基于普通单模光纤拉锥技术制做，锥区直径为微米量级，石英微球腔由锥形石英光纤尖端熔融得到，石英微球腔表面镀有偶氮苯薄膜并夹持于三维调节架7上，传导光纤的锥形区域固定于U形架中央；传导光纤的一端连接宽带光源1，另一端与光纤光谱仪10连接；
紫外光源2提供365nm入射光，通过紫外偏振片3照射镀有偶氮苯薄膜的石英微球腔；两套显微物镜(8- 1、8-1I)分别从俯视和侧视两个方向观察石英微球腔-锥形光纤耦合区域，以便于利用三维调节架进行锥形光纤与石英微球腔相对空间位置的调节，两个显微物镜连接显示装置9。
[0027]图4为显微物镜观察到的微球与锥形光纤耦合区域，(a)为侧视图，(b)为俯视图。
[0028]图5为熔融光纤尖端得到的直径分别为35.13 μ m、75.23 μ m、97.98 μ m及130.53 μ m的石英微球。
[0029]图6为传导光纤锥腰直径8 μ m、微球直径72.53 μ m时测得的WGM系统透射光谱。
通过测量透射光谱谐振峰的线宽，利用
【权利要求】
1.一种基于偶氮苯材料的光控回音壁模式产生系统，其特征在于该系统包括宽带光源，365nm紫外光源，紫外偏振片，用于产生倏逝场的锥形石英光纤及其夹持装置U形架，镀有偶氮苯薄膜的石英微球腔，三维调节架，两个显微物镜及与之相连的CCD，连接用光纤及显示装置； 用于产生倏逝场的锥形石英光纤基于普通单模光纤拉锥技术制做，锥区直径为微米量级，石英微球腔由锥形石英光纤尖端熔融得到，表面镀有偶氮苯薄膜夹持于三维调节架上，传导光纤的锥形区域固定于U形架中央；锥形石英光纤通过普通单模光纤连接宽带光源，另一端与光纤光谱仪连接； 紫外光源提供365nm入射光，通过紫外偏振片照射镀有偶氮苯薄膜的石英微球腔；两个显微物镜分别从俯视和侧视两个方向观察石英微球腔-锥形光纤耦合区域，以便于利用三维调节架进行锥形光纤与石英微球腔相对空间位置的调节，两个显微物镜连接显示装置。
2.根据权利要求1所述的光控回音壁模式产生系统，其特征在于所述石英微球腔表面的偶氮苯材料薄膜，膜厚为I微米，材料为分散黄7 (Disperse Yellow 7，DY7)，该薄膜接受紫外光照射时分子发生光致异构现象，造成回音壁模式光学特性的改变。
3.根据权利要求1所述的光控回音 壁模式产生系统，其特征在于通过控制紫外光强度及照射时间，可使光致异构过程得到控制，进而实现光控回音壁模式的产生。
4.根据权利要求1所述的光控回音壁模式产生系统，其特征在于当紫外偏振光照射时，偶氮苯材料薄膜表现出双折射特性，从而实现受紫外光偏振态控制的回音壁模式光谱特性。
5.根据权利要求1所述的光控回音壁模式产生系统，其特征在于所述回音壁模式产生系统可用于紫外光强度的高精度测量。
6.根据权利要求1所述的光控回音壁模式产生系统，其特征在于通过紫外光照射石英微球谐振腔使回音壁模式光谱特性改变后，还可通过可见光照射或加热方式使石英微球谐振腔表面的偶氮苯材料薄膜特性回复到未经紫外光照射的初始状态，因此本发明提供的光控回音壁模式产生系统具有可恢复的光谱特性。
7.根据权利要求1至6任一项所述的光控回音壁模式产生系统,其特征在于所述的石英微球谐振腔敏化方法适用于包括微球、柱、盘、环、线和其它类型能够支持回音壁模式的微谐振腔，因此本发明提出的回音壁模式微谐振腔敏化方案具有很强的应用扩展性。
【文档编号】G02B27/00GK103605207SQ201310629651
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年12月2日 优先权日:2013年12月2日
【发明者】张昊, 刘波, 杨春雪, 梁鹄, 苗银萍, 李月涛, 赵星, 王志, 刘艳格 申请人:南开大学