一种基于双瓶状微型谐振腔的光学传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种双瓶状微型谐振腔。所述双瓶状微型谐振腔包括两个回音壁模式光学微腔。所述两个回音壁模式光学微腔的轴线共线并且串联为一体，其中，所述两个回音壁模式光学微腔具有相同形状。本发明专利技术还公开了一种包括所述双瓶状微型谐振腔的光学传感器，以及应用所述光学传感器的探测方法。本发明专利技术能够减少甚至于消除探测时温度漂移对光学传感器的影响，提高该光学传感器工作时的可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于双瓶状微型谐振腔的光学传感器
本专利技术涉及光学传感领域，具体地涉及一种双瓶状微型谐振腔、基于双瓶状微型谐振腔的光学传感器及应用该光学传感器的探测方法。
技术介绍
光学微型谐振腔，简称光学微腔(微腔)，因其具有极高的品质因子(Q)和极小的模式体积在高灵敏度传感领域得到了很广泛的应用。在微腔中激发出的光沿腔体内壁传输时会形成一种回音壁模式(Whisperinggallerymode，WGM)，支持光在腔内很多次传播并得到增强。当光波在腔内满足相位匹配的条件时，在腔内会产生共振，此共振的光具有很窄的谱线宽度，而且在透射谱中表现波谷的形态。假设微腔半径R＞＞λ，光在腔内产生共振的相位匹配条件为mλ/ns＝2πR，其中，ns为微腔的等效折射率，m为微腔共振状态下的角向模式数，λ为对应的共振波长。所以，当微腔的材料折射率或者几何尺寸发生改变时，谐振波长也会发生变化，所以，根据波长的偏移量大小来推出微腔特性的变化，进而得到环境特性的变化，这就是微腔用作传感的原理。原理上只要是能引起微腔尺寸、微腔折射率和外界环境折射率变化的物理量，我们都可以用微腔来对其进行传感探测。目前，微腔能够探测的物理量，包括环境折射率、温度、压力、位移、化学物质、气体或液体溶度、纳米粒子、电磁场等。在过去的二十年内，“赤道型WGM光学微腔”已经被广泛的研究，如微球腔(Microsphere)，微环腔(Microring)，微环芯腔(Microtoroid)和微盘腔(Microdisk)。尽管这些微腔展现了很高的Q值和较小的模式体积，但是它们与波导间的耦合调谐困难，尤其是球腔的椭偏率会影响系统的模式谱，另外它们的自由频谱范围(Freespectralrange，FSR)很大，难以在整个FSR范围内调谐。近年来，一种新型瓶状微腔受到广泛关注，此类微腔除了普通微腔的优势，还具有几大特有的优势。第一，瓶状微腔与波导间的耦合可很好地通过将瓶状微腔与锥形光纤接触完成，这降低了对系统的机械稳定性的要求。第二，瓶状微型谐振腔腔是一种高度扁长形状的高Q值WGM微型谐振腔，可形成一系列近等间隔的轴向模式。光在瓶口腔中的转折点之间不断往返，在两个转折点处形成增强的场区域。第三，赤道WGM微腔通常模式谱非常密，在传感领域应用比较困难，而瓶状微腔可通过改变轴向轮廓和设置截止点前设置阻碍来定向选择某些较低轴向模式的光谱，得到比较稀疏，容易识别的谱，这些特性为瓶状微腔在传感中的应用带来了极大的便利。然而在实际传感应用过程中，回音壁模式微腔的谐振频率对环境中的温度波动非常敏感，其传感探测必须在温控的条件下完成，这给实际微腔在传感中的应用带来了很大的困难，大大地增加了成本，不利于商业化的开发。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题为了至少解决谐振腔在各种传感应用中的温度漂移问题，本专利技术设计了一种具有两个回音壁模式光学微腔的谐振腔、以及利用该谐振腔的光学传感器、以及应用该光学传感器的探测方法。(二)技术方案本公开的一个方面提供了一种双瓶状微型谐振腔。所述双瓶状微型谐振腔包括两个回音壁模式光学微腔。所述两个回音壁模式光学微腔的轴线共线并且串联为一体，其中，所述两个回音壁模式光学微腔具有相同形状。可选地，所述两个回音壁模式光学微腔的形状为瓶状，其中，所述瓶状的轮廓沿轴向呈近似抛物线形变化；或者所述两个回音壁模式光学微腔的形状为空心泡状、球状或空心球状。可选地，所述两个回音壁模式光学微腔的材料是二氧化硅材料、高分子聚合物材料、半导体材料、和晶体材料中的任意一种或多种。本公开的另一方面提供了一种基于双瓶状微型谐振腔的光学传感器。所述光学传感器包括如上所述的双瓶状微型谐振腔、激光器、波导、以及光学探测仪。其中，所述波导的一端与所述激光器相连，另一端与所述光学探测仪相连，并且所述波导与所述双瓶状微型谐振腔耦合，所述波导与所述双瓶状微型谐振腔的耦合点位于所述两个回音壁模式光学微腔的结合点的位置。其中，所述双瓶状微型谐振腔用于将通过所述波导与所述双瓶状微型谐振腔之间的耦合而进入所述双瓶状微型谐振腔的激光，在所述两个回音壁模式光学微腔中分别形成回音壁式光学谐振以得到用于所述光学传感器探测的谐振光谱。所述波导用于接收所述激光器发射的激光，并通过所述耦合使激光进入所述双瓶状微型谐振腔，通过所述耦合获得所述谐振光谱，以及将所述谐振光谱输出至所述光学探测仪。可选地，所述光学传感器还包括偏振控制器。所述偏振控制器连接于所述激光器与所述波导之间，用于改变来自所述激光器发射的激光的偏振状态。可选地，所述波导与所述双瓶状微型谐振腔相接触。以及所述谐振光谱的类型包括洛伦茨共振型、或法诺共振型。可选地，所述波导包括锥形光纤波导、倾角光纤波导、或者棱镜波导。本专利技术的再一方面还提供了一种应用如上所述的光学传感器的探测方法。所述探测方法包括：调整所述波导相对于所述双瓶状微型谐振腔的位置，以在所述双瓶状微型谐振腔的所述两个回音壁模式光学微腔中分别形成回音壁式光学谐振；以所述两个回音壁模式光学微腔中的其中一个为参考腔、另一个为探测腔，在参考环境下对所述参考腔和所述探测腔的光学特性进行标定，获得所述参考腔和所述探测腔关系ΔM2＝kΔM1，其中：ΔM1为所述参考腔在所述参考环境下的谐振光学参数相对于在标准环境下的谐振光学参数的偏移量；ΔM2为所述探测腔在所述参考环境下的谐振光学参数相对于在所述标准环境下的谐振光学参数的偏移量，其中所述参考环境与所述标准环境仅温度不同；在所述参考腔外敷隔离层后将所述双瓶状微型谐振腔置于探测环境中，获得所述参考腔在与所述探测环境隔离的状态下的光学谐振参数相对于在所述标准环境下的谐振光学参数的偏移量ΔM3、以及所述探测腔在所述探测环境下的光学谐振参数相对于在所述标准环境下的谐振光学参数的偏移量ΔM4；以及基于ΔM＝ΔM4-kΔM3，获得所述探测环境的物理特性，其中，所述物理特性包括环境折射率、温度、压力、位移、化学物质、气体或液体溶度、纳米粒子、以及电磁场中的至少一个。可选地，所述探测方法的探测机制包括谐振波长偏移、谐振频率偏移、谐振模式展宽或谐振模式分裂。可选地，调整所述波导相对于所述双瓶状微型谐振腔的位置，包括将所述波导置于所述双瓶状微型谐振腔的所述两个回音壁模式光学微腔的结合点位置上。(三)有益效果本专利技术的一种基于双瓶状微型谐振腔的光学传感器，涉及双瓶状微型谐振腔、及基于此双瓶状微型谐振腔光学传感器以及探测方法，通过对两个回音壁模式光学微腔中形成的两个模式的谐振光学参数的差值处理，可减少甚至于消除光学传感器工作时温度漂移对系统的影响，提高该光学传感器工作时的可靠性。附图说明图1为根据本专利技术实施例的光学传感器的示意图；图2为应用本专利技术实施例的光学传感器的探测方法的流程图；图3为根据本专利技术实施例的双瓶状微型谐振腔的几何示意图及其重要参数；图4为拟合的双瓶状微型谐振腔的抛物线轮廓实施例示意图；图5为双瓶状微型谐振腔内回音壁模式的归一化强度图；图6为本专利技术实施例的光学传感器消除热效应工作原理图；符号说明：1-激光器、2-偏振控制器、3-波导、4-双瓶状微型谐振腔、5-光学探测仪具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术作进一步的详细本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双瓶状微型谐振腔，其特征在于，包括：两个回音壁模式光学微腔，所述两个回音壁模式光学微腔的轴线共线并且串联为一体；其中所述两个回音壁模式光学微腔具有相同形状。

【技术特征摘要】
1.一种双瓶状微型谐振腔，其特征在于，包括：两个回音壁模式光学微腔，所述两个回音壁模式光学微腔的轴线共线并且串联为一体；其中所述两个回音壁模式光学微腔具有相同形状。2.根据权利要求1所述的双瓶状微型谐振腔，其特征在于：所述两个回音壁模式光学微腔的形状为瓶状，所述瓶状的轮廓沿轴向呈近似抛物线形变化；或者所述两个回音壁模式光学微腔的形状为空心泡状、球状或空心球状。3.根据权利要求1或2所述的双瓶状微型谐振腔，其特征在于：所述两个回音壁模式光学微腔的材料是二氧化硅材料、高分子聚合物材料、半导体材料、和晶体材料中的任意一种或多种。4.一种基于双瓶状微型谐振腔的光学传感器，其特征在于，包括：根据权利要求1～3任意一项所述的双瓶状微型谐振腔；激光器；波导；以及光学探测仪；其中，所述波导的一端与所述激光器相连，另一端与所述光学探测仪相连，并且所述波导与所述双瓶状微型谐振腔耦合，所述波导与所述双瓶状微型谐振腔的耦合点位于所述两个回音壁模式光学微腔的结合点的位置；其中：所述双瓶状微型谐振腔用于将通过所述波导与所述双瓶状微型谐振腔之间的耦合而进入所述双瓶状微型谐振腔的激光，在所述两个回音壁模式光学微腔中分别形成回音壁式光学谐振以得到用于所述光学传感器探测的谐振光谱；所述波导用于接收所述激光器发射的激光，并通过所述耦合使激光进入所述双瓶状微型谐振腔，通过所述耦合获得所述谐振光谱，以及将所述谐振光谱输出至所述光学探测仪。5.根据权利要求4所述的光学传感器，其特征在于，还包括：偏振控制器，连接于所述激光器与所述波导之间，用于改变来自所述激光器发射的激光的偏振状态。6.根据权利要求4所述的光学传感器，其特征在于：所述波导与所述双瓶状微型谐振腔相接触；以及所述谐振光谱的类型...

【专利技术属性】
技术研发人员：王克逸，王梦宇，孟令俊，沈远，蔡柏林，张磊，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34