CN113003531B - 一种实现频率调控的装置 - Google Patents
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Abstract
本文公开一种实现频率调控的装置，本发明实施例包括：微球腔、固定结构、光纤、三维位移平移台和控制器；其中，微球腔的连接支柱水平连接于一固定结构；光纤的第一端与三维位移平移台的压电陶瓷连接；光纤的纤芯与微球腔的连接支柱平行；控制器调控共振频率时，光纤的第二端与微球腔的顶点接触；控制器通过控制施加于压电陶瓷上的电压，控制经由光纤施加于微球腔的压力，以进行微球腔共振频率的调控；其中，第二端的端面为平整的截面；顶点为微球腔距离第二端最近的点。本发明实施例实现了微球腔的机械模式的共振频率调控。
Description
技术领域
本文涉及但不限于微纳光学技术，尤指一种实现频率调控的装置。
背景技术
回音壁模式光学微腔具有很高的品质因子(Q)和很小的模式体积(V)，是研究光与物质相互作用的理想平台。回音壁模式光学微腔的种类包括：微芯环腔、微球腔和微泡腔等；上述回音壁模式光学微腔中，微球腔的品质因子最高，且具有制作方便和可集成的有点，被广泛应用于激光光源、传感器等。在上述基础特征上，微球腔又增加了机械模式的自由度，逐渐形成腔光力学的子领域，并被逐步推向实际应用。
微球腔在实际应用中，由于单个光机械***中机械模式或光学模式频率不匹配，使得***可扩展性受到限制。一些光学模式的共振频率调控方法被提出，但是机械模式的共振频率调控比较少。这是因为微球腔的材料性质和腔体形状共同构成的边界条件使微球腔有固定且不定间距的共振频率。实现机械模式共振频率调控可以拓宽光机械***的应用场景，例如宽带机械调谐可以提供频率随需应变能力，对通信***或波长转换至关重要，增强调谐也有助于校准光-物质相互作用过程中的相位匹配问题等。目前，实现机械模式的共振频率调控的方式主要包括：空气静压，拉伸和温度调节。在一些情况下，上述方法能够提供有效的作用：如通过调节腔内空气压强可以实现空心微泡腔中较大的调谐跨度。但同时它们有着各自的不足之处：如温度调节需要较长的弛豫时间，不能满足实时调节的需求，同时因为有光热效应的参与也不适合在低温环境中的实验；拉伸调节的调频分辨率不高，只能实现比较粗糙的调频，且会引入较大的损耗；空气静压同样存在引入损耗的问题。因此，如何设计实现更为实用的机械模式的共振频率调控，成为一个有待解决的问题。
发明内容
以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。
本发明实施例提供一种实现频率调控的装置，能够实现微球腔的机械模式的共振频率调控。
本发明实施例提供一种实现频率调控的装置，包括：微球腔1、固定结构2、光纤3、三维位移平移台4和控制器5；其中，
微球腔1的连接支柱1-1水平连接于一固定结构2；
光纤3的第一端3-1与三维位移平移台4的压电陶瓷4-1连接；光纤3的纤芯与微球腔的连接支柱1-1平行；
控制器(5)调控共振频率时，光纤3的第二端3-2与微球腔的顶点接触；控制器5通过控制施加于压电陶瓷4-1上的电压，控制经由光纤3施加于微球腔1的压力，以进行微球腔1共振频率的调控；
其中，所述第二端3-2的端面为平整的截面；所述顶点为所述微球腔1距离所述第二端3-2最近的点。
在一种示例性实例中，所述连接支柱1-1的长度为：
50微米～150微米。
在一种示例性实例中，所述光纤3包括：
剥离保护层的光纤。
在一种示例性实例中，所述装置还包括光纤锥6，所述光纤锥6位于所述微球腔1的正上方或正下方。
在一种示例性实例中，所述光纤3与所述微球腔1的材料相同。
在一种示例性实例中，所述光纤3与所述微球腔1的尺寸处于相同量级。
在一种示例性实例中，所述装置还包括调整单元7，设置为：
在调控共振频率之前，调整微球腔1至预先设定的光学模式耦合位置。
在一种示例性实例中，所述控制器5是设置为：
通过控制施加于所述压电陶瓷4-1上的电压，控制所述第二端3-2的端面面向微球腔1的轴向位置及第二端3-2与微球腔1接触后施加于微球腔1的压力，以进行所述微球腔1的共振频率的调控。
本发明实施例包括：微球腔、固定结构、光纤、三维位移平移台和控制器；其中，微球腔的连接支柱水平连接于一固定结构；光纤的第一端与三维位移平移台的压电陶瓷连接；光纤的纤芯与微球腔的连接支柱平行；控制器调控共振频率时，光纤的第二端与微球腔的顶点接触；控制器通过控制施加于压电陶瓷上的电压，控制经由光纤施加于微球腔的压力，以进行微球腔共振频率的调控；其中，第二端的端面为平整的截面；顶点为微球腔距离所述第二端最近的点。本发明实施例设计实现了微球腔的机械模式的共振频率调控。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
图1为本发明实施例实现频率调控的装置的结构框图；
图2为本发明实施例实现微球腔共振频率调控的***的示意图；
图3为本发明实施例机械模式的中心频率的变化曲线图；
图4为本发明实施例机械模式的品质因子的变化曲线图；
图5为本发明实施例正弦函数下机械模式谱线的示意图；
图6为本发明实施例微球腔的共振频率的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机***中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
图1为本发明实施例实现频率调控的装置的结构框图，如图1所示，包括：微球腔1、固定结构2、光纤3、三维位移平移台4和控制器5(图中未示出)；其中，
微球腔1的连接支柱1-1水平连接于一固定结构2；
光纤3的第一端3-1与三维位移平移台4的压电陶瓷4-1连接；光纤3的纤芯与微球腔的连接支柱1-1平行；这里，光纤3的纤芯与微球腔的连接支柱1-1平行是指：光纤3的纤芯与微球腔的连接支柱1-1的轴心平行。
控制器5调控共振频率时，光纤3的第二端3-2与微球腔的顶点接触；控制器5通过控制施加于压电陶瓷4-1上的电压，控制经由光纤3施加于微球腔1的压力，以进行微球腔1共振频率的调控；
其中，第二端3-2的端面为平整的截面；顶点为微球腔1距离第二端3-2最近的点。
本发明实施例包括：微球腔、固定结构、光纤、三维位移平移台和控制器；其中，微球腔的连接支柱水平连接于一固定结构；光纤的第一端与三维位移平移台的压电陶瓷连接；光纤的纤芯与微球腔的连接支柱平行；控制器调控共振频率时，光纤的第二端与微球腔的顶点接触；控制器通过控制施加于压电陶瓷上的电压，控制经由光纤施加于微球腔的压力，以进行微球腔共振频率的调控；其中，第二端的端面为平整的截面；顶点为微球腔距离第二端最近的点。本发明实施例设计实现了微球腔的机械模式的共振频率调控。
在一种示例性实例中，本发明实施例微球腔包括以下任意一种：
将剥离保护层的一段光纤放在熔接机中，依靠放电将末端融化并依赖表面张力形成的球腔；
将剥离保护层的光纤竖着固定，一端挂上重物，通过二氧化碳(CO2)激光器将光纤加热拉细至合适长度后熔断，从末端将拉细的光纤向上加热融化成球形成的球腔；
片上微球腔。
在一种示例性实例中，本发明实施例中的三维位移平移台可以包括相关技术中已有的平移台，例如、型号为ANC300的平移台和Attocube的平移台。
在一种示例性实例中，本发明实施例连接支柱1-1的长度为：50微米～150微米。
在一种示例性实例中，本发明实施例光纤3包括：剥离保护层的光纤。本发明实施例通过保护层的剥离降低频率调整装置的损耗。
在一种示例性实例中，本发明实施例装置还包括光纤锥6，光纤锥6位于微球腔1的正上方或正下方。
本发明实施例通过光纤锥可以在调控微球腔共振频率过程中进行频率调谐。
在一种示例性实例中，本发明实施例光纤3与微球腔1的材料相同。
在一种示例性实例中，光纤3与微球腔1的材料可以不同，材料选择可以由本领域技术人员根据损耗信息进行选定。
在一种示例性实例中，本发明实施例光纤3与微球腔1的尺寸处于相同量级。本发明实施例通过尺寸处于相同量级的光纤3与微球腔1，实现了实时的微球腔共振频率的精确调控。
在一种示例性实例中，本发明实施例装置还包括调整单元7，设置为：
在调控共振频率之前，调整微球腔1至预先设定的光学模式耦合位置。
需要说明的是，本发明实施例调整单元7的调整过程涉及：三维位移平移台、光纤锥和微球腔；包括：将微球腔的连接支柱固定，调整其位置，使微球腔的赤道面靠近光纤锥。将任意波段的激光通过光纤锥与微球腔耦合，控制器给激光输入一个三角波的信号进行波长的扫频，观察到的透射谱是倒立的洛伦兹线型。通过调整三维位移平移台的位置以及光的偏振，使得透射谱的耦合深度最深且线宽最窄，即达到了预先设定的光学模式耦合位置。本发明实施例通过上述光学模式耦合位置的调整可以使光尽可能地进入到微球腔，从而高效地激发微球腔的机械模式。
在一种示例性实例中，本发明实施例控制器5是设置为：
通过控制施加于压电陶瓷4-1上的电压，控制第二端3-2的端面面向微球腔1的轴向位置及第二端3-2与微球腔1接触后施加于微球腔1的压力，以进行微球腔1的共振频率的调控。
本发明巧妙利用球体的高阶对称性质，设计了通过光纤第二端的端面施加轴向压力的方法，实现了微球腔的共振频率的调控，调控方式便于实现。
本发明实施例微球腔机械模式的共振频率的调控包括：
步骤201、固定微球腔1。将微球腔1固定在一固定结构2上，固定结构可以是用于对其他微球腔进行共振频率调控的三维位移平移台，微球腔1的连接支柱1-1水平且与固定结构的边沿垂直。微球腔1探出固定结构2的距离应尽量小(例如、50～150微米)以方便后面的轴向施压。调整平移台使微球腔在光纤锥6的正下方为耦合做准备。
步骤202、制备用于施加压力的光纤；将光纤剥离保护层并用切割机将截面切平，将光纤的第一端水平固定在微球腔1对侧的三维位移平移台4上。通过控制三维位移平移台4的位置，将光纤的第二端的端面置于微球腔的正前方；本发明实施例光纤的纤芯与微球腔的连接支柱平行；通过光纤为微球腔的位置设置，可以避免不必要的热光损；本发明实施例控制器调控共振频率时，光纤3的第二端3-2与微球腔的顶点接触。
本发明实施例，光纤3与微球腔1的材料相同且处于相同尺寸量级，考虑到杨氏模量一致，微球腔1的腔体形变过程中受到的阻力在一定程度上释放，使得调制过程中能最大程度减小引入的机械模式的损耗，实现低损调节。
步骤203、搭建观测光路。输入固定波长的激光，调整微球腔1至预先设定的光学模式耦合位置，使微球腔1共振频率的光尽量多地通过光纤锥耦合到微球腔的腔内用以激发力学模式。透射光经过探测器的采集后，输入到频谱仪中观测机械模式的信号。
步骤204、实现共振频率的调控。控制器控制三维位移平移台4的压电陶瓷4-1上的电压，从而改变固定在压电陶瓷4-1上的光纤3的第二端3-2沿微球腔的轴向的位置，进而给微球腔施加不同的压力，以实现共振频率的调控。在一种示例性实例中，本发明实施例可以输入任意波形的电压，以不同的速率进行调制，从而适应多场景的应用。
本发明实施例通过改变微球腔的形状引起的应力效应，实现了机械模式的共振频率的调控，调节过程低损耗，机械模式的品质因子几乎保持不变；能够实现0.2kHz(机械模式线宽4％)的高精度；可以以任意波形实时调节；可以实现多个周期重复性的调制，具有较高的对称性。
图2为本发明实施例实现微球腔共振频率调控的***的示意图，如图2所示，包括：伺服控制器(SERVO)、掺铒光纤放大器(EDFA)、可调光衰减器(VOA)、偏振控制器(PC)、功率计(PM)、光探测器(PD)、示波器(OSC)和实时频谱仪(RSA)。实线连线代表光纤通路，虚线连线对应于电学通路，为了使泵浦光充分地耦合进腔中，本发明实施例先进行光学模式的表征。先使激光器输出相对弱的激光，将调整伺服控制器使其输入频率为50Hz，峰峰值为2V的三角波到激光器控制器。移动固定微球腔的三维位移平移台，使其从下方靠近光纤锥，观察示波器中应当显示一个洛伦兹线型。通过调整耦合位置和偏振，找到一个耦合最深、线宽最窄的情况。通过洛伦兹拟合，即可得到微腔的共振波长和线宽(即损耗)。接下来将伺服控制器调整到失谐模式，即施加一个稳定的电压到激光器控制器上，稍微增大功率，会在实时频谱仪上看到一个洛伦兹线型。通过拟合得到机械模式的频率和线宽，完成微球腔机械模式的表征。
本发明实施例对机械模式的线性调制的反应进行了测试；如图2中的耦合部分三维渲染图，将一段平整的光纤的第二端的端面放在微球腔的对侧几微米的距离，注意将纤芯远离微球腔的顶点以减少热光效应的影响。将光纤固定在三维位移平移台上，其材料是压电陶瓷。控制光纤的第二端的端面沿着微球腔的轴向线性步进，记录不同电压下微球腔的机械模式的谱线，从中可以得到中心频率和线宽的情况。图3为本发明实施例机械模式的中心频率的变化曲线图，如图3所示，灰色原点是施加的电压值，黑色方框表示机械模式中心频率的变化，在一个周期的三角波电压调制下，在接触后的一段区域内，机械模式的中心频率与电压呈现比较好的线性关系(30-40s部分)，在压缩和收回调制过程中有比较好的对称性；本发明实施例可以同时测试得到多个周期有比较稳定的可重构性。图4为本发明实施例机械模式的品质因子的变化曲线图，如图4所示，灰色原点表示施加的电压值，，黑色方框表示机械模式品质因子的变化，在一个周期的三角波电压调制下，在整个接触过程中机械模式的品质因子几乎保持不变，在压缩和收回调制过程中有比较好的对称性；本发明实施例可以同时测试得到多个周期有比较稳定的可重构性。
本发明实施例对非线性函数调制进行了测试，为了将腔光力学体系真正用于实际的应用中，以正弦函数的调制进行演示。本发明实施例将使光纤作用于微球腔上，使其在比较好的线性调制区域；对光纤的第二端的端面下的三维位移平移台施加正弦函数的电压值。图5为本发明实施例正弦函数下机械模式谱线的示意图，图6为本发明实施例微球腔的共振频率的示意图，如图5和6所示，微球腔的共振频率与正弦函数呈现了相应的正弦反应，调制精度受到三维位移平移台精度的限制，在演示结果中可以达到0.2kHz(机械模式线宽的4％)。
“本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、***、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些组件或所有组件可以被实施为由处理器，如数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。”
Claims (8)
1.一种实现频率调控的装置，包括：微球腔(1)、固定结构(2)、光纤(3)、三维位移平移台(4)和控制器(5)；其中，
微球腔(1)的连接支柱(1-1)水平连接于一固定结构(2)；
光纤(3)的第一端(3-1)与三维位移平移台(4)的压电陶瓷(4-1)连接；光纤(3)的纤芯与微球腔的连接支柱(1-1)平行；
控制器(5)调控共振频率时，光纤(3)的第二端(3-2)与微球腔的顶点接触；控制器(5)通过控制施加于压电陶瓷(4-1)上的电压，控制经由光纤(3)施加于微球腔(1)的压力，以进行微球腔(1)共振频率的调控；
其中，所述第二端(3-2)的端面为平整的截面；所述顶点为所述微球腔(1)距离所述第二端(3-2)最近的点。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述连接支柱(1-1)的长度为：50微米～150微米。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光纤(3)包括：
剥离保护层的光纤。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括光纤锥(6)，所述光纤锥(6)位于所述微球腔(1)的正上方或正下方。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述光纤(3)与所述微球腔(1)的材料相同。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述光纤(3)与所述微球腔(1)的尺寸处于相同量级。
7.根据权利要求1～6任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括调整单元(7)，设置为：
在调控共振频率之前，调整微球腔(1)至预先设定的光学模式耦合位置。
8.根据权利要求1～6任一项所述的装置，其特征在于，所述控制器(5)是设置为：
通过控制施加于所述压电陶瓷(4-1)上的电压，控制所述第二端(3-2)的端面面向微球腔(1)的轴向位置及第二端(3-2)与微球腔(1)接触后施加于微球腔(1)的压力，以进行所述微球腔(1)的共振频率的调控。
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