一种可用于宽谱低损耗光学导波的冰微纳光纤的制作方法

1.本发明涉及了用于光子集成和器件领域的一种低损耗传输可见光的微纳光学光纤，尤其是涉及了一种可用于宽谱低损耗光学导波的冰微纳光纤。


背景技术：

2.冰是地球上最为丰富，最为重要的固体物质之一，在物理化学、生命科学、地质天文、环境气候等领域有着广泛的研究及应用价值。由于冰与水在紫外至近红外区域具有极低的光学吸收率，在光学显微、紫外光刻等领域常被作为一种良好的光学介质使用。此外，利用拉曼光谱、近红外吸收光谱、和频振动光谱等光学手段对冰本身物理化学性质具有探测灵敏度高、背景噪声低以及无需侵入等优点，一直受到广泛的关注与应用。
3.然而，当前研究均局限于空间光与大尺寸块状冰的相互作用，存在光场约束能力弱、光与物质相互作用不强以及光学系统复杂等缺点，限制了冰在物理化学特性研究的发展与在光学器件方向的应用。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种可用于宽谱低损耗光学波导的冰微纳光纤，以简单的光学系统，提高光场的约束能力，增强光与物质相互作用。宽谱可达475nm
‑
600nm。
5.为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：
6.本发明包括光源、石英单模光纤、石英光纤拉锥过渡区、石英光纤拉锥的拉伸部分、冰微纳光纤；光源和石英单模光纤的一端连接，石英单模光纤另一端经石英光纤拉锥过渡区和石英光纤拉锥的拉伸部分连接，石英光纤拉锥的拉伸部分紧贴耦合布置在冰微纳光纤的输入端；所述的冰微纳光纤是在冰微纳光纤支撑物末端由水蒸气生长为冰形成。
7.宽谱光由光源发出，依次经过石英单模光纤、石英光纤拉锥过渡区，石英光纤拉锥的拉伸部分后耦合进入冰微纳光纤中。
8.所述的石英光纤拉锥的拉伸部分的输出端和紧贴耦合的冰微纳光纤的输入端在同一直线布置。
9.所述冰微纳光纤支撑物为钨丝探针。
10.所述的石英光纤拉锥的拉伸部分直径小于石英单模光纤的直径，石英光纤拉锥过渡区将石英光纤拉锥的拉伸部分直径和石英单模光纤的直径之间过渡连接。
11.所述的石英单模光纤、石英光纤拉锥过渡区和石英光纤拉锥的拉伸部分均是由一根石英光纤按照以下方式制备而成：将石英光纤在氢氧焰下加热熔融后，从两端拉伸使得石英光纤的中部的直径变细，石英光纤的直径变细的中部部位两侧形成锥形过渡区，然后在石英光纤的中部剪断获得，以较细均匀的一段作为石英光纤拉锥的拉伸部分，和原始直径一致的一段作为石英单模光纤，其余位于中间直径变化过渡的一段作为石英光纤拉锥过渡区。
12.所述冰微纳光纤通过高压电诱导方法在
‑
50℃左右以空气中水蒸气为原料在冰微
纳光纤支撑物末端生长制备形成，结构为单晶。
13.所述石英光纤的拉伸部分直径为1μm。
14.所述冰微纳光纤结构直径为0.8
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10μm，长度为10
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1000μm。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
16.(1)本发明的冰微纳光纤在整个可见光区域波导损耗小于0.03db/cm；
17.(2)通过倏逝场耦合的方式，使用全光纤结构，简单、便捷地将光导入冰微纳光纤中；
18.(3)利用一维微纳波导对光场的强约束特性，极大提高了光场与冰的相互作用；
19.(4)本发明提出的冰微纳光纤结构为基于冰的特性研究以及光子器件的应用提供了全新、高效地平台。
附图说明
20.图1是本发明宽谱低损耗光学导波的冰微纳光纤的结构示意图；
21.图中，1
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光源、2
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石英单模光纤、3
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石英光纤拉锥过渡区、4
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石英光纤拉锥的拉伸部分、5
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冰微纳光纤、6
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冰微纳光纤支撑物。
22.图2是制备冰微纳光纤的生长装置示意图；
23.图中，6
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冰微纳光纤支撑物、7
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连接冰微纳光纤与高压电源的导线、8
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高压电源、9
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圆弧形金属电极、10
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连接金属电极与大地的导线、11
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大地、12
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生长腔外壁外表面、13
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生长腔外壁内表面、14
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生长腔内壁外表面、15
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生长腔内壁内表面、16
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液氮注入口、17
‑
氮气出口、18
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热电偶。
24.图3是直径为4.4μm，长度200μm的冰微纳光纤传导可见光区域475nm、500nm、525nm、550nm、575nm、600nm单色光的表面散射结果图。
25.图4是暗背景下直径为5.4μm冰微纳光纤传导525nm单色光，距离输出端275μm长度范围内冰微纳光纤表面散射强度的结果图。
具体实施方式
26.为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的示例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.如图1所示，具体实施包括光源1、石英单模光纤2、石英光纤拉锥过渡区3、石英光纤拉锥的拉伸部分4、冰微纳光纤5；光源1和石英单模光纤2的一端连接，石英单模光纤2另一端经石英光纤拉锥过渡区3和石英光纤拉锥的拉伸部分4连接，石英光纤拉锥的拉伸部分4紧贴耦合布置在冰微纳光纤5的输入端；冰微纳光纤5是在冰微纳光纤支撑物6末端由水蒸气生长为冰形成。
28.宽谱光由光源1发出，依次经过石英单模光纤2、石英光纤拉锥过渡区3，石英光纤拉锥的拉伸部分4后通过倏逝场耦合进入冰微纳光纤5中。本发明的冰微纳光纤能够以小于0.03db/cm的波导损耗高效传输可见波段光波。
29.石英单模光纤2、石英光纤拉锥过渡区3、石英光纤拉锥的拉伸部分4、冰微纳光纤5
沿同一直线布置。
30.冰微纳光纤支撑物6为钨丝探针。
31.石英光纤拉锥的拉伸部分4直径小于石英单模光纤2的直径，石英光纤拉锥过渡区3将石英光纤拉锥的拉伸部分4直径和石英单模光纤2的直径之间过渡连接。
32.石英单模光纤2、石英光纤拉锥过渡区3和石英光纤拉锥的拉伸部分4均是由一根石英光纤按照以下方式制备而成：将石英光纤在氢氧焰下加热熔融后，从两端拉伸使得石英光纤的中部的直径变细，石英光纤的直径变细的中部部位两侧形成锥形过渡区，然后在石英光纤的中部剪断获得，以较细均匀的一段作为石英光纤拉锥的拉伸部分4，和原始直径一致的一段作为石英单模光纤2，其余位于中间直径变化过渡的一段作为石英光纤拉锥过渡区3。
33.冰微纳光纤5通过高压电诱导方法在
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50℃左右以空气中水蒸气为原料在冰微纳光纤支撑物6末端生长制备形成，结构为单晶。
34.具体制备工艺过程如下：生长装置如图2所示，冰微纳光纤支撑物6通过导线7与高压电源8相连接，圆弧形金属电极9紧贴生长腔内壁内表面15并通过导线10与大地11相连。生长装置外壳上端设有液氮注入口16和氮气出口17，内设有热电偶18。制备冰微纳光纤时，从生长装置外壳的液氮注入口16倒入生长腔外壁内表面13与生长腔内壁外表面14之间，液氮迅速气化为氮气从氮气出口17挥发，并使生长装置内温度降低。当由热电偶18测得冰微纳光纤支撑物6附近的温度处于
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50℃左右时，开启高压电源8，冰微纳光纤支撑物6尖端附近的水分子在高压电场的诱导下将快速凝结，生长成直径为0.8
‑
10μm，长度为10
‑
1000μm的冰微纳光纤。
35.具体实施进行冰微纳光纤在可见区域的宽谱透过特性测试，结果如图3所示，可见区域波长分别为475nm、500nm、525nm、550nm、575nm、600nm的单色光，通过倏逝场耦合的方式进入直径为4.4μm，长度为200μm的冰微纳光纤中。
36.从图3中可以看出，当上述具有代表性六种波长的单色光通过该冰微纳光纤时，除输出端点外，表面无强烈散射点，表明冰微纳线在可见区域具有低的波导损耗和高的透过率。
37.本发明估测冰微纳光纤在可见光区域的波导损耗，如图4所示，将波长525nm的单色光通过倏逝场耦合的方式导入直径为5.4μm的冰微纳光纤中，并在暗背景的环境下收集冰微纳光纤沿长度方向的表面散射强度。
38.选取一段无明显受到污染的冰微纳光纤区域，如虚线框所示的一段长度50μm的冰微纳光纤区间，比较其散射强度与输出端散射强度，可得到冰微纳光纤的波导损耗小于0.03db/cm。