基于偶氮苯集成的光控回音壁模式微腔奇异点调控系统技术方案

基于偶氮苯集成的光控回音壁模式微腔奇异点调控系统，包括可调谐激光器，偏振控制器，1

【技术实现步骤摘要】
基于偶氮苯集成的光控回音壁模式微腔奇异点调控系统


[0001]本专利技术涉及光纤微纳传感
，通过在普通单模光纤表面涂覆偶氮苯薄膜同时引入两个缺陷的方式控制正反方向传输回音壁模式之间的耦合，形成一种光控回音壁模式微腔奇异点调控系统，并可实现传感范围可控的高灵敏度液体折射率传感。

技术介绍

[0002]光学回音壁模式(Whispering
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gallery modes，WGMs)微腔是一种新型的光学谐振腔，光在微腔的内壁边界处连续发生全反射，若微腔周长对应的光程等于光波波长的整数倍则光场会相干增强，可保持极低的损耗在微腔内稳定存在。光学回音壁模式具有品质因数高、模式体积小、灵敏度高、快速响应、易于集成等优点，在微纳传感领域具有广阔的应用场景。
[0003]与传统回音壁模式微腔相比，处于奇异点状态的微腔本征频率分裂与外界扰动的平方根成正比，因此处于奇异点的微腔系统对外界微小的扰动具有更高的灵敏度，可以实现精密探测。2014年，JanWiersig从理论上论证了相较于普通的回音壁模式微腔，处于奇异点状态的微腔具有更高的传感灵敏度(Wiersig J.“Enhancing the sensitivity of frequency and energy splitting detection by using exceptional points:application to microcavity sensors for single
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particle detection”,Physical Review Letters,2014,112(20):203901.)。2017年Lan Yang等人利用存在散射子微扰的回音壁微腔构建奇异点系统并进行了对纳米颗粒的传感，从实验上验证了上述理论的正确性(Chen W,Kaya Ozdemir S,Zhao G,Wiersig J,Yang L.“Exceptional points enhance sensing in an optical microcavity”,Nature,2017,548(7666):192
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196.)。2018年，杨照华等人也提出一种基于散射粒子调控回音壁微腔的奇异点系统，可实现对振动测量的灵敏度增强，从而能够实现对微弱振动的准确测量，拓宽了待测振动值的测量范围，并申请了相关国家专利技术专利(一种光学回音壁式微型谐振腔的振动测量方法及系统，专利号：CN108426631B，授权公开日：2020年6月26日)。2020年，Xiaoxue Jin等人提出了基于椭圆散射子和圆形散射子的方式调控回音壁微腔系统奇异点状态的方案，降低了系统的复杂程度(Xiao
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Xue J,Gao Y
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P,Shi
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Hui Z,Wang T
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J,Wang C.“The particle induced mode splitting and exceptional points in whispering
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gallery mode microcavity”,IEEE Photonics Journal,2020,12(6):6803414.)。然而，以上奇异点制备方案中均基于外界散射子的方式，需要精密光学调控平台，同时对环境要求极高，调控手段非常困难，成本极高。为了解决以上困难，有必要开发一种结构简单、易于调控的回音壁模式微腔奇异点调控系统。
[0004]偶氮苯分子基本结构为氮氮双键(
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N＝N
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)连接的苯环，存在顺式(cis)和反式(trans)两种异构体，其中反式结构在通常情况下为稳定结构。在适当波长光的照射下，氮氮双键会发生旋转，导致偶氮苯分子由反式结构转变为顺式结构，即发生所谓的光致异构化过程。当偶氮苯分子从反式结构变为顺式异构体时，伴随有偶氮苯材料折射率的改变。在
通常情况下，以上两种异构体在偶氮苯材料中同时存在，而多数偶氮苯分子处于反式结构，因此宏观表现为偶氮苯材料折射率对外界光强的敏感特性。偶氮苯分子光致异构过程如下所示：
[0005][0006]当532nm波长的光照射在偶氮苯薄膜时，偶氮苯分子会发生反式
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顺式异构化过程，引起偶氮苯薄膜的折射率改变。基于此特性可以提出一种新型的结构简单、易于调控的回音壁模式微腔奇异点调控系统。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的为解决目前构建奇异点系统普遍存在的系统结构复杂、集成化程度低、系统状态难于调控的问题，提出一种基于偶氮苯集成的光控回音壁模式微腔奇异点调控系统，为控制系统的奇异点状态提供一种简便有效的理想解决方案。
[0008]为实现上述目的，本专利技术提供了如下技术方案：
[0009]基于偶氮苯集成的光控回音壁模式微腔奇异点调控系统，所述系统包括可调谐激光器，偏振控制器，1
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2光开关，光环形器，基于偶氮苯集成的回音壁模式微腔，光电探测器，示波器，532nm激光器，拉锥光纤，连接用普通单模光纤和DC跳线。
[0010]用于产生倏逝场的拉锥光纤基于普通单模光纤拉锥技术制作，锥区直径为微米量级，基于偶氮苯集成的回音壁模式微腔由普通单模光纤表面涂覆一层偶氮苯材料薄膜(偶氮苯材料也可以使用其它类型折射率可控的聚合物功能材料替换)，并利用飞秒激光在薄膜表面刻蚀两个缺陷构成；可调谐激光器发出的激光借由普通单模光纤经过偏振控制器、第一1
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2光开关和第一光环形器后通过连接在两个光环形器之间的拉锥光纤耦合到回音壁模式微腔中，然后再经过第二光环形器和第二1
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2光开关被光电探测器接收并转化为电信号，再经DC跳线接入示波器中得到透射谱。
[0011]偶氮苯薄膜上的两个缺陷引起正向与反向传输回音壁模式之间的耦合，从而导致本征频率分裂，通过调节532nm激光器功率密度的方式改变偶氮苯折射率能够实现对系统耦合状态的调节，当两个模式的本征频率发生简并时，便可调控出奇异点状态，此时示波器上的透射谱中劈裂的本征频率重新合并为一个。
[0012]本专利技术所用的单模光纤基底材料为纯石英，其在1550nm处的折射率为1.444，单模光纤直径为125μm，单模光纤表面涂覆的偶氮苯层厚度为2μm，偶氮苯折射率的调控范围为1.489至1.49，偶氮苯材料为乙基橙(Ethyl Orange,EO)和聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol,PVA)的混合物，其中乙基橙的质量百分比为2wt％。飞秒激光刻蚀缺陷的深度为0.5μm，宽度为0.44μm。
[0013]通过对激光刻蚀的两个缺陷填充液体材料，奇异点微腔系统还可实现对液体折射率的感测，当填充液体折射率发生变化时，微腔中会出现频率劈裂现象，基于对频率劈裂程度的监测可实现液体折射率传感。由于奇异点附近的本征频率复平方根拓扑效应，工作于奇异点附近的该系统具有更高的折射率传感灵敏度。由于缺陷填充折射率敏感本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于偶氮苯集成的光控回音壁模式微腔奇异点调控系统，其特征在于该系统包括可调谐激光器，偏振控制器，1
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2光开关，光环形器，基于偶氮苯集成的回音壁模式微腔，光电探测器，示波器，532nm激光器，拉锥光纤，连接用普通单模光纤和DC跳线；用于产生倏逝场的拉锥光纤基于普通单模光纤拉锥技术制作，锥区直径为微米量级，基于偶氮苯集成的回音壁模式微腔由普通单模光纤表面涂覆一层偶氮苯薄膜，并利用飞秒激光在薄膜表面刻蚀两个缺陷构成；可调谐激光器发出的激光借由普通单模光纤经过偏振控制器、第一1
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2光开关和第一光环形器后通过连接在两个光环形器之间的拉锥光纤耦合到回音壁模式微腔中，然后再经过第二光环形器和第二1
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2光开关被光电探测器接收并转化为电信号，再经DC跳线接入示波器中得到透射谱；偶氮苯薄膜上的两个缺陷引起正向与反向传输回音壁模式之间的耦合，从而导致本征频率分裂，通过调节532nm激光器功率密度的方式改变偶氮苯折射率能够实现对系统耦合状态的调节，当两个模式的本征频率发生简并时，便可调控出奇异点状态，此时示波器上的透射谱中劈裂的本征频率重新合并为一个。2.根据权利要求1所述的基于偶氮苯集成的光控回音壁模式微腔奇异点调控系统，其特征在于所述单模光纤基底材料为纯石英，其在1550nm处的折射率为1.444，单模光纤直径为125μm，单模...

【专利技术属性】
技术研发人员：张昊，龚中华，范淼森，林炜，刘波，刘艳格，王志，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：