一种基于柱状波导表面成形的高Q值液滴微腔的制作方法

本实用新型属于光学微腔技术领域，尤其涉及回音壁模式液滴微腔，具体涉及一种基于柱状波导表面成形的高Q值液滴微腔。

背景技术：

回音壁模式光学微腔具有极高的品质因数、极小的模体积、极窄的谱线宽度和超高的能量密度，相对于法布里-珀罗腔还具有尺寸小、易集成、造价低等优点。正是由于光学微腔的诸多优点，如何方便地制造出高品质的光学微腔成了人们研究的重点内容之一。

回音壁模式微腔的高Q值和可集成的特性使其在光纤通信和光传感领域具有巨大的应用潜力,例如可用于高效的滤波器、高灵敏的传感器、低阈值激光器、非线性效应和信号延时器等。在这方面，加州理工的Vahala研究小组做出很多开创性工作,首次提出了低阈值拉曼激光，单分子探测等应用。引人注目的是回音壁模式也可以和其他的光电器件通过波异互联，有望应用于实际的高速光信号处理和环境探测等。由于微腔的模式体积非常小，即使单个光子也能在腔内产生非常强的电场，可以与其他物理体系强相互作用，因此在非线性光学、腔量子电动力学以及量子光机械效应等领域都有重要应用。

目前常用的微腔制备方法有半导体材料刻蚀法、无定形玻璃材料熔融法以及聚合物材料合成法。刻蚀工艺直接制备的微腔表面粗糙，腔的品质因数受到了极大限制；熔融法制作过程中，由于表面张力作用，会自然形成光滑的形状，从而得到很高的品质因数，然而其形成微腔的非对称性使所产生的回音壁模共振谱边模抑制比较低；聚合物材料具有良好的可塑性以及能够重复加工，但其品质因数仍有待提高。尽管通过这些方法能够制备出单个高品质微腔或是制备相互耦合的微腔阵列，但是，这些制备方法对实验设备有较高要求，具有很大的局限性，无法在一般实验室实现。

传统液滴微腔无特殊载体，直接通过液体成型，虽然制备简单，适合大多数实验室条件，但是其普遍问题在于品质因数不高，腔内窄带回音壁模式共振不够强，液滴微腔大小不可控等。

技术实现要素：

针对现有技术的局限性，本实用新型提出了一种基于柱状波导表面成形的高Q值液滴微腔。柱状波导表面液滴微腔和锥形光纤的进行倏逝场耦合，通过全反射机制激发液滴微腔内回音壁模式共振，获得具有高品质因数、窄带宽、周期性振荡的回音壁模共振谱。本实用新型的液滴微腔在室温下制备，具有工艺简单、成型效率高、品质因数高、腔内窄带回音壁模式共振强等特点。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案为一种基于柱状波导表面成形的高Q值液滴微腔，包括柱状波导、表面液滴和隔离装置，所述表面液滴通过表面张力在柱状波导表面形成光滑的球状液滴微腔，同时在柱状波导周围装有可拆卸隔离装置，用于实现隔振、隔热，柱状波导与锥形光纤垂直放置，通过移动柱状波导让其表面的液滴微腔和锥形光纤接触，从而实现倏逝场耦合，通过全反射机制激发液滴微腔内回音壁模式共振，获得具有高品质因数、窄带宽、周期性振荡的回音壁模共振谱。

进一步，上述柱状波导是圆柱形光纤，其中的波导可以由任何导光材料构成。上述圆柱形光纤包括但不限于实心柱状光纤、空心管状光纤。

进一步，上述液滴是透明液体。上述透明液体包括但不限于纯水、酒精、盐水。

进一步，上述液滴微腔形成的位置在柱状波导侧表面，可以通过改变柱状波导的外径来控制液滴微腔大小。

进一步，上述柱状波导尺寸外径为微米级别，大小在几十到几百微米之间。

本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本实用新型利用液体作为微腔材料，具有制备容易、工艺简单的特点，同时还可以通过改变液体中溶质浓度控制微腔折射率，具有更广的应用范围；

(2)本实用新型将液滴附着在柱状波导侧面，形成的球状微腔内所激发的回音壁模共振谱具有Q值高、FSR大、透射谱深度深的优点；

(3)本实用新型将柱状波导作为液滴微腔载体，将其置于耦合装置上，易于与锥形光纤实现倏逝场耦合。

附图说明

图1为基于柱状波导表面成形的高Q值液滴微腔的结构示意图。

图2为实施例中基于柱状波导表面成形的液滴微腔实物图。

图3为实施例中利用本实用新型的一种基于柱状波导表面成形的高Q值液滴微腔激发回音壁模式共振谱的实验系统图。

图4为实施例中不同大小的柱状波导表面成形的液滴微腔的回音壁模式共振谱比较图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：

本实用新型是通过在柱状波导表面形成的液滴微腔与锥形光纤的倏逝场耦合，光场进入液体微腔后，在液滴介质和空气介质界面处形成全反射，激发腔内回音壁模式共振，获得构成具有高品质因数，获得具有高品质因数、窄带宽、周期性振荡的回音壁模共振谱。

如图1所示为本实用新型的一种基于柱状波导表面成形的高Q值液滴微腔结构示意图，包括柱状波导1、表面液滴2、隔离装置3。液滴通过表面张力在柱状波导表面形成光滑的球状微腔。同时在柱状波导上装有可拆卸的隔离装置，提高微腔的稳定性。

利用柱状波导将微腔和锥形光纤耦合，从而实现光波的泵入，形成回音壁模式。

如图2所示为本实用新型的一种基于柱状波导表面成形的高Q值液滴微腔实物照片。在实施例中，所用液体为纯水，所用柱状波导为中空的毛细管玻璃光纤。通过在毛细管光纤的一端缓慢注入液体，在其另一端形成液滴，停止注水后由于表面张力作用液滴会沿着毛细管外壁移动，从而形成如图2所示的球状微腔。图2中所用柱状波导外径为80μm，锥形光纤直径为2.5μm，其中(a)(b)(c)中液滴微腔尺寸依次减小。

如图3所示为利用本实用新型的一种基于柱状波导表面成形的高Q值液滴微腔激发回音壁模式共振谱的实验系统图，其中。在本实施例中，通过将锥形光纤5一端接上可调谐激光器和偏振控制器4，另一端接上光电探测器。可调谐激光器输出的光通过锥形光纤耦合进入液滴微腔并在其内全反射形成回音壁模式共振；偏振控制器用于控制输入锥形光纤的激光偏振态；光电探测器用于记录并分析锥形光纤与液滴微腔耦合系统的回音壁模式透射谱。

如图4所示为图2中三种尺寸的液滴微腔的回音壁模式共振透射谱，其中(b)图为(a) 图在1550.8nm附近的局部放大图。可以看出，最深的回音壁模式共振谱透射峰深度达到了 21.4dB，Q值达到10⁵，足以和一般二氧化硅微腔相比，同时由于液滴尺寸较大，其FSR可以达到5.2nm，远大于普通数百微米二氧化硅微腔的回音壁模共振谱FSR。

以上所述的具体实施方案，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方案而已，并非用以限定本实用新型的范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本实用新型的构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应属于本实用新型保护的范围。