利用纤维内流体不稳定性形成光学回音壁微腔的制备方法与流程

本发明属于光学回音壁微腔技术领域，特别是利用光学纤维内的流体不稳定性制备半导体锗材料光学回音壁微腔的方法。

背景技术：

光学回音壁微腔，主要利用光的全反射原理。当光在微腔内传播时，通过微腔表面不断的发生全反射，微腔将光约束在赤道平面附近并沿大圆绕行，激发出特有的回音壁模式。正是由于这种回音壁模式，使得它具有非常高的品质因子，极小的模式体积和非常低的非线性效应阈值等优点，可以实现微型激光光源、高灵敏度的传感器件等重要光学器件。因此，光学回音壁微腔在基础研究和应用研究领域都具有重要的研究价值。

半导体硅锗材料是方兴未艾的硅基光子学的基石材料。其中，锗具有高折射率(n＝4.0)、高中红外透过率(2-16μm)、高克尔非线性系数等特点，是优良的中红外光学材料。基于锗材料的光学回音壁微腔，可以结合锗材料在光学性能上的特点和其在中红外波段的吸收峰，是实现超高灵敏度中红外气体传感的途径。

回音壁固态微球腔的制备方法一般有以下几种：机械打磨法，玻璃粉料高温熔融法。机械打磨法一般用于制备难以熔融的晶体材料，缺点是制备出的微球腔体积略大且表面粗糙度较大；而玻璃粉末高温熔融法则是将特定组分的玻璃研磨成玻璃粉末，然后将玻璃粉末置入高温炉内，利用熔体的表面张力促使玻璃粉末形成玻璃微球，这种方法制备的微球直径大小不均匀，差异较大。所以，尽管制备固体回音壁微腔的方法众多，但是制备表面粗糙度低、直径均匀、直径大小可调的光学回音壁微球腔仍然困难。

技术实现要素：

本发明提供一种利用光学纤维内的流体不稳定性制备半导体锗材料光学回音壁微腔的方法，可以形成表面光滑的微腔，且微腔大小均匀、直径可调、间距可控。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种利用纤维内流体不稳定性形成光学回音壁微腔的制备方法，首先制备纤维预制棒，所述预制棒至少具有一个纤芯，且所有的纤芯均平行于纤维纵轴。纤维固定在光纤固定装置中，通过热源加热纤维，加热部位温度高于纤芯熔点，但低于包层熔点，两端拉伸速度为v，在加热部位融化纤芯，引起纤芯的流体不稳定性，在表面张力的作用下，纤芯自动断裂形成微球腔，同时在两端减速电机的作用下，不仅使熔融液滴移出加热位置并固化形成固体颗粒，而且可以调控微腔之间的间距，从而得到一系列大小均匀、表面光滑、间距可调的微球腔。

通过改变光学纤维的纤芯直径和数量，可以改变最后所形成的回音壁微腔直径大小；通过改变热源的加热温度，也可以改变光学回音壁微腔的直径；通过改变光学纤维两端减速电机的拉伸速度，可以改变回音壁微腔的间距。最终对不同数量纤芯的纤维利用热处理的办法形成了一系列直径均匀、表面光滑、直径可调、间距可调的回音壁微腔，然后利用hf酸处理纤维包层玻璃最终获得微米、纳米级微腔。

附图说明

图1是本发明利用纤维流体不稳定性制备光学回音壁微腔的流程示意图。1.预制棒纤芯；2.预制棒包层；3.光纤纤芯；4.光纤包层；5.光纤；6.光纤固定器件；7.三维位移平台；8.减速电机；9.光纤固定装置；10.热源；11.显微装置。

图2是通过光纤预制棒拉制后的光纤的显微图像。

图3是热处理光纤样品后所获得的光学回音壁微腔的显微图像。

图4是hf酸处理后的光学回音壁微腔的显微图像。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供一种利用纤维内流体不稳定性形成光学回音壁微腔的制备方法，包括下列步骤：

(1)制备纤维预制棒，所述预制棒至少具有一个纤芯，且所有的纤芯均平行于纤维纵轴；预制棒包层材料熔点应大于纤芯材料熔点，且包层材料粘度应较大；纤芯材料为纯度99.99％的锗棒，包层玻璃为磷酸盐玻璃。将锗棒置于磷酸盐玻璃管，组成纤维预制棒。

(2)制备直径不同的光纤。利用光纤熔融纤芯法制备半导体锗芯磷酸盐玻璃包层光纤。拉制光纤温度应小于磷酸盐玻璃包层熔点，但需要高于半导体锗纤芯熔点，且此时包层粘度应较大，满足连续性条件，拉制温度设为1000℃左右。并且通过改变预制棒尺寸、拉制温度、拉制速度等参数制备不同直径的半导体锗芯磷酸盐玻璃包层光纤，其直径范围在20μm-2mm。光纤外部直径应小于2mm。

(3)将半导体锗芯磷酸盐玻璃包层光纤两端分别利用光纤固定器件固定，所能固定的光纤直径范围为20μm-2mm。

(4)光纤固定器件与三维位移平台相连，且三维位移平台的x轴与减速电机相连；光纤固定器件、三维位移平台、x轴减速电机三者组成光纤固定装置。

(5)将显微装置聚焦到纤维纤芯部位，观察热处理过程中纤维内部纤芯的变化。

(6)将热源至于纤维下表面，热源包括火焰或二氧化碳激光器，加热温度高于纤芯材料熔点但小于包层材料熔点。

(7)预先设置x轴减速电机运动速度v，使光纤x轴以速度v向两端拉伸，减速速度范围在20μm/s-400μm/s。

(8)预先设置二氧化碳激光器光斑直径，初始光斑直径可以等同于光纤纤芯直径。

(9)预先设置二氧化碳激光器功率大小，初始功率可以设置为0w。

(10)打开二氧化碳激光器，使激光热处理光纤底部，调节二氧化碳激光器功率大小，在显微装置中观察到光纤纤芯开始变形。

(11)打开光纤两端马达速度，使光纤以速度v向两端拉伸，开始速度可设为20μm/s。

(12)改变三维位移平台的中心轴与二氧化碳激光器的距离，即可以改变二氧化碳激光器热处理光纤的区域大小。

(13)增加二氧化碳激光器功率，即增大光纤的热处理温度，此时，在激光器的热处理与两端减速马达的拉力下，光纤内形成一系列大小均匀表面光滑的微腔。

(14)控制二氧化碳激光器的功率大小和光纤初始直径，可以对回音壁微腔尺寸进行控制。增大二氧化碳激光器的功率，即增大了热处理光纤的温度，温度增大，促使光纤内部纤芯断裂成球的速度增大，从而在光纤内部纤芯体积一定的条件下，微腔直径减小。

(15)控制减速电机拉伸速度，可以改变各个微腔之间的间距。增大减速电机拉伸速度，促使光纤内部纤芯断裂，可以增大各个微腔之间的间距。

(16)在显微装置中可以观察到光纤内部包含一系列大小均匀、表面光滑的半导体锗材料微腔。

(17)将内部包含半导体锗微腔的光纤置于hf酸内，缓慢侵蚀磷酸盐玻璃玻璃包层，促使半导体锗材料回音壁微腔裸露，所述hf酸为浓度范围在5％-20％。

通过在半导体纤维内制备特殊结构半导体锗材料微腔，可以利用原始纤维的不同尺寸得到不同直径的微球腔，作为回音壁微腔。由于所得到的半导体材料微腔是在玻璃包层内，所以需要用hf酸将表面的玻璃包层腐蚀，再使光直接耦合到上述半导体微腔结构中。利用这种方式得到的微腔有以下几个优势：表面光滑，尺寸可调。表面光滑的微腔可以得到较高的q值，即可以作为低损耗、高性能的微腔。同时，所选定的半导体锗材料在中红外波段有较长的透射窗口，所以所形成的半导体锗微腔可以利用于中红外传感领域，这种回音壁微腔结构可以形成更灵敏的中红外传感元器件。