一種基于偶氮苯材料的光控回音壁模式產(chǎn)生系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】一種基于偶氮苯材料光致異構(gòu)特性的光控回音壁模式產(chǎn)生系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括寬帶光源，365nm紫外光源，紫外偏振片，用于產(chǎn)生倏逝場(chǎng)的錐形光纖及其夾持裝置U形架，鍍有偶氮苯薄膜的石英微球腔，三維調(diào)節(jié)架，顯微物鏡，CCD，連接用光纖及顯示裝置等。該系統(tǒng)在傳統(tǒng)微諧振腔-錐形光纖耦合系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)微諧振腔敏化處理，實(shí)現(xiàn)光控回音壁模式。此外，由于回音壁模式窄線寬特性及偶氮苯材料對(duì)紫外光的敏感性，該裝置可用于紫外光強(qiáng)度的精密測(cè)量。本發(fā)明可通過(guò)調(diào)節(jié)紫外光的強(qiáng)度、偏振態(tài)、改變微球腔大小、偶氮苯薄膜厚度等實(shí)現(xiàn)不同光學(xué)特性回音壁模式的產(chǎn)生，其具有結(jié)構(gòu)緊湊、可實(shí)現(xiàn)對(duì)回音壁模式光學(xué)特性的光控調(diào)諧、紫外光傳感靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種基于偶氮苯材料的光控回音壁模式產(chǎn)生系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微納光纖光學(xué)領(lǐng)域，本發(fā)明結(jié)合石英微諧振腔-錐形光纖耦合系統(tǒng)及偶氮苯材料的光敏特性，形成一種光控回音壁模式產(chǎn)生系統(tǒng)，并可用于對(duì)紫外光強(qiáng)度精密傳感。
【背景技術(shù)】
[0002]回音壁模式(WGM:Whispering Gallery Mode)是一種在圓對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)介質(zhì)中存在的特殊電磁波諧振模式。WGM光學(xué)微腔是一種具有高品質(zhì)因子而尺寸可與諧振光波波長(zhǎng)相比擬的光學(xué)微諧振腔。柱、盤(pán)、環(huán)、線、球等多種類(lèi)型的WGM微諧振腔都具有出色的光能量存儲(chǔ)能力。以微球腔為例，當(dāng)微球腔置于低于自身折射率環(huán)境中時(shí)，微球腔中的光波在大于臨界角的方向上不斷發(fā)生全反射，從而被約束在球內(nèi)。當(dāng)光波滿(mǎn)足相位匹配條件，即
= mJLCl)
時(shí)，將形成在微球腔內(nèi)傳播的本征模式，即WGM，其中neff為有效折射率，R為微球半徑，A為諧振波長(zhǎng),m為整數(shù)。光學(xué)微球腔特有的WGM使光場(chǎng)的大部分能量被封閉在球內(nèi)，而球外為局限于球表面附近的近場(chǎng)倏逝波，其光場(chǎng)振幅在矢徑方向呈指數(shù)下降，因此理想狀態(tài)下從球內(nèi)到球外的平均能流為零，這就使得WGM微球諧振腔具有極高的品質(zhì)因數(shù)和極小的模式體積。在WGM光譜中存在極窄的共振峰,而這些共振模的本征波長(zhǎng)僅取決于介電微球的幾何尺寸和折射率，這為探究非線性、量子光學(xué)等現(xiàn)象創(chuàng)造了有力條件，也為相關(guān)光子學(xué)器件的研發(fā)提供了可能。
[0003]偶氮苯材料的基本結(jié)構(gòu)為氮氮雙鍵(-N=N-)連接的苯環(huán)，存在反式(trans)和順式(cis)結(jié)構(gòu)的兩種異構(gòu)體,其中反式結(jié)構(gòu)為穩(wěn)定結(jié)構(gòu),在紫外光照射下,氮氮雙鍵會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，使其由反式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)轫樖浇Y(jié)構(gòu)，此過(guò)程即光致異構(gòu)化。順式結(jié)構(gòu)具有不穩(wěn)定性，易在可見(jiàn)光或熱作用下發(fā)生光致或熱致異構(gòu)化，重新變?yōu)榉词浇Y(jié)構(gòu)。通常情況下，兩種異構(gòu)體在偶氮苯材料中同時(shí)存在，二者間的轉(zhuǎn)化處于動(dòng)態(tài)平衡，其中反式結(jié)構(gòu)占主體，因此宏觀表現(xiàn)為對(duì)紫外光的敏感特性。
InfN=N.=== (J Q
當(dāng)偶氮苯分子從反式結(jié)構(gòu)變?yōu)轫樖疆悩?gòu)體時(shí)，其材料折射率將會(huì)降低，而且當(dāng)線偏振光照射偶氮苯材料時(shí)，雖然與偏振光垂直和平行的兩個(gè)方向?qū)?yīng)的折射率都會(huì)降低，但平行方向的降低速率大于垂直方向，因此偏振光照射會(huì)造成偶氮苯材料具有光學(xué)雙折射特性，且隨照射時(shí)間延長(zhǎng)，雙折射度將會(huì)增加并最終達(dá)到飽和。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是將偶氮苯材料的光致異構(gòu)特性與石英微球-錐形光纖耦合系統(tǒng)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)一種光控WGM產(chǎn)生系統(tǒng),即基于偶氮苯材料的光控WGM產(chǎn)生系統(tǒng)。該系統(tǒng)可用于紫外光強(qiáng)度的精密測(cè)量。
[0005]本發(fā)明提出的基于偶氮苯材料的光控回音壁模式產(chǎn)生系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括寬帶光源，365nm紫外光源，紫外偏振片，用于產(chǎn)生倏逝場(chǎng)的錐形石英光纖及其夾持裝置U形架，鍍有偶氮苯薄膜的石英微球腔，三維調(diào)節(jié)架，兩個(gè)顯微物鏡及與之相連的CCD，連接用光纖及顯示裝置等。
[0006]用于產(chǎn)生倏逝場(chǎng)的錐形石英光纖基于普通單模光纖拉錐技術(shù)制做，錐區(qū)直徑為微米量級(jí)，石英微球腔由錐形石英光纖尖端熔融得到，石英微球腔表面鍍有偶氮苯薄膜并通過(guò)U形架夾持于三維調(diào)節(jié)架上，傳導(dǎo)光纖的錐形區(qū)域固定于U形架中央；傳導(dǎo)光纖的一端連接寬帶光源，另一端與光纖光譜儀連接；
紫外光源提供365nm入射光，通過(guò)紫外偏振片照射鍍有偶氮苯薄膜的石英微球腔；兩個(gè)顯微物鏡分別從俯視和側(cè)視兩個(gè)方向觀察石英微球腔-錐形光纖耦合區(qū)域，以便于利用三維調(diào)節(jié)架進(jìn)行錐形光纖與石英微球腔相對(duì)空間位置的調(diào)節(jié)，兩個(gè)顯微物鏡同時(shí)連接顯示裝置。
[0007]所述的傳導(dǎo)光纖錐區(qū)直徑為I μ π?Ο μ m,石英微球諧振腔直徑為30 μ π?ΟΟ μ m，偶氮苯薄膜厚度為I μ m，材料為分散黃7 (Disperse Yellow 7，DY7)。
[0008]所述的光控WGM產(chǎn)生原理:當(dāng)365nm紫外光照射微球表面時(shí)，偶氮苯材料-N=N-鍵發(fā)生旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生反式-順式異構(gòu)化過(guò)程，造成微球腔表面折射率降低，而WGM諧振波長(zhǎng)與介電微球及外界的折射率有關(guān)，因此WGM諧振波長(zhǎng)會(huì)隨紫外光的強(qiáng)度或照射時(shí)間的變化發(fā)生漂移。當(dāng)線偏振紫外光微腔時(shí)，會(huì)造成偶氮苯材料薄膜產(chǎn)生光學(xué)雙折射特性，進(jìn)而影響WGM的光學(xué)特性，因此通過(guò)控制紫外光的偏振態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)WGM的調(diào)控。此外，通過(guò)制備不同錐腰尺寸的錐形光纖及不同直徑的石英微球腔，可得到具有不同光學(xué)特性的WGM。
[0009]由上述原理可知，此系統(tǒng)還可應(yīng)用于對(duì)紫外光強(qiáng)的傳感及測(cè)量，同時(shí)由于WGM具有極窄的諧振峰線寬特性，可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量。
[0010]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果:
本發(fā)明所述的光學(xué)WGM產(chǎn)生系統(tǒng)具有紫外光光控特性，在可見(jiàn)光或熱作用下WGM系統(tǒng)的光譜特性具有可恢復(fù)性，同時(shí)所提出基于偶氮苯材料的微球諧振腔敏化方案同樣適用于基于其它類(lèi)型微諧振腔的光學(xué)WGM產(chǎn)生系統(tǒng)，且由于WGM諧振峰的窄線寬特性，該系統(tǒng)還可用于對(duì)紫外光強(qiáng)的高精度傳感及測(cè)量。
[0011]
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1為偶氮苯的光致異構(gòu)過(guò)程示意圖。
[0013]圖2為本發(fā)明中偶氮苯材料DY7的結(jié)構(gòu)式，為雙偶氮鍵結(jié)構(gòu)。
[0014]圖3為本發(fā)明中基于偶氮苯材料的光控WGM產(chǎn)生系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖中:1.寬帶光源，2.365nm紫外光源，3.紫外偏振片，4.用于產(chǎn)生倏逝場(chǎng)的錐形光纖，5.夾持裝置U形架，6.鍍有偶氮苯薄膜的石英微球腔，7.三維調(diào)節(jié)架，8.兩套顯微物鏡及(XD，9.顯示器，10.光纖光譜儀
圖4為顯微物鏡觀察到的微球與錐形光纖耦合區(qū)域，(a)為側(cè)視圖，(b)為俯視圖。
[0016]圖5為熔融光纖尖端得到的直徑分別為35.13 μ m、75.23 μ m、97.98 μ m及130.53 μ m的石英微球。
[0017]圖6為傳導(dǎo)光纖錐腰直徑8 μ m、微球直徑72.53 μ m時(shí)測(cè)得的WGM系統(tǒng)透射光譜。
[0018]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0019]_
【具體實(shí)施方式】
[0020]如圖3所示，基于偶氮苯材料的光控回音壁模式產(chǎn)生系統(tǒng)。
[0021]本發(fā)明提出的光控WGM產(chǎn)生系統(tǒng)是基于石英微球腔-錐形光纖耦合系統(tǒng)與偶氮苯材料的光敏特性，通過(guò)在石英微球腔表面鍍偶氮苯薄膜，得到一種基于偶氮苯材料光致異構(gòu)特性的光控石英微球腔WGM產(chǎn)生系統(tǒng)。所述的光控WGM產(chǎn)生原理為當(dāng)紫外光照射微球表面時(shí)，偶氮苯材料-N=N-鍵發(fā)生旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生反式-順式異構(gòu)化過(guò)程，引起微球表面折射率降低，而WGM諧振波長(zhǎng)與微球及外界的折射率有關(guān)，因此WGM的諧振波長(zhǎng)會(huì)隨紫外光照的變化發(fā)生漂移。
[0022]圖1為偶氮苯光致異構(gòu)過(guò)程示意圖，紫外光照導(dǎo)致-N=N-鍵發(fā)生旋轉(zhuǎn)，由反式結(jié)構(gòu)變?yōu)轫樖浇Y(jié)構(gòu)，而順式結(jié)構(gòu)具有不穩(wěn)定性，易在可見(jiàn)光或熱的作用下發(fā)生光致或熱致異構(gòu)化，重新變?yōu)榉词浇Y(jié)構(gòu)。
[0023]圖2為本發(fā)明中偶氮苯材料DY7的結(jié)構(gòu)式，為雙偶氮鍵結(jié)構(gòu)。
[0024]圖3為本發(fā)明中基于偶氮苯材料的光控WGM產(chǎn)生系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]本發(fā)明提出的基于偶氮苯材料的光控回音壁模式產(chǎn)生系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括寬帶光源I，365nm紫外光源2，紫外偏振片3，用于產(chǎn)生倏逝場(chǎng)的錐形石英光纖4及其夾持裝置U形架5，鍍有偶氮苯薄膜的石英微球腔6，三維調(diào)節(jié)架7，兩套顯微物鏡及CXD 8 (8-1、8_ II)，，連接用光纖及顯示裝置9等。
[0026]用于產(chǎn)生倏逝場(chǎng)的的錐形石英光纖基于普通單模光纖拉錐技術(shù)制做，錐區(qū)直徑為微米量級(jí)，石英微球腔由錐形石英光纖尖端熔融得到，石英微球腔表面鍍有偶氮苯薄膜并夾持于三維調(diào)節(jié)架7上，傳導(dǎo)光纖的錐形區(qū)域固定于U形架中央；傳導(dǎo)光纖的一端連接寬帶光源1，另一端與光纖光譜儀10連接；
紫外光源2提供365nm入射光，通過(guò)紫外偏振片3照射鍍有偶氮苯薄膜的石英微球腔；兩套顯微物鏡(8- 1、8-1I)分別從俯視和側(cè)視兩個(gè)方向觀察石英微球腔-錐形光纖耦合區(qū)域，以便于利用三維調(diào)節(jié)架進(jìn)行錐形光纖與石英微球腔相對(duì)空間位置的調(diào)節(jié)，兩個(gè)顯微物鏡連接顯示裝置9。
[0027]圖4為顯微物鏡觀察到的微球與錐形光纖耦合區(qū)域，(a)為側(cè)視圖，(b)為俯視圖。
[0028]圖5為熔融光纖尖端得到的直徑分別為35.13 μ m、75.23 μ m、97.98 μ m及130.53 μ m的石英微球。
[0029]圖6為傳導(dǎo)光纖錐腰直徑8 μ m、微球直徑72.53 μ m時(shí)測(cè)得的WGM系統(tǒng)透射光譜。
通過(guò)測(cè)量透射光譜諧振峰的線寬，利用
【權(quán)利要求】
1.一種基于偶氮苯材料的光控回音壁模式產(chǎn)生系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括寬帶光源，365nm紫外光源，紫外偏振片，用于產(chǎn)生倏逝場(chǎng)的錐形石英光纖及其夾持裝置U形架，鍍有偶氮苯薄膜的石英微球腔，三維調(diào)節(jié)架，兩個(gè)顯微物鏡及與之相連的CCD，連接用光纖及顯示裝置； 用于產(chǎn)生倏逝場(chǎng)的錐形石英光纖基于普通單模光纖拉錐技術(shù)制做，錐區(qū)直徑為微米量級(jí)，石英微球腔由錐形石英光纖尖端熔融得到，表面鍍有偶氮苯薄膜夾持于三維調(diào)節(jié)架上，傳導(dǎo)光纖的錐形區(qū)域固定于U形架中央；錐形石英光纖通過(guò)普通單模光纖連接寬帶光源，另一端與光纖光譜儀連接； 紫外光源提供365nm入射光，通過(guò)紫外偏振片照射鍍有偶氮苯薄膜的石英微球腔；兩個(gè)顯微物鏡分別從俯視和側(cè)視兩個(gè)方向觀察石英微球腔-錐形光纖耦合區(qū)域，以便于利用三維調(diào)節(jié)架進(jìn)行錐形光纖與石英微球腔相對(duì)空間位置的調(diào)節(jié)，兩個(gè)顯微物鏡連接顯示裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光控回音壁模式產(chǎn)生系統(tǒng)，其特征在于所述石英微球腔表面的偶氮苯材料薄膜，膜厚為I微米，材料為分散黃7 (Disperse Yellow 7，DY7)，該薄膜接受紫外光照射時(shí)分子發(fā)生光致異構(gòu)現(xiàn)象，造成回音壁模式光學(xué)特性的改變。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光控回音 壁模式產(chǎn)生系統(tǒng)，其特征在于通過(guò)控制紫外光強(qiáng)度及照射時(shí)間，可使光致異構(gòu)過(guò)程得到控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)光控回音壁模式的產(chǎn)生。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光控回音壁模式產(chǎn)生系統(tǒng)，其特征在于當(dāng)紫外偏振光照射時(shí)，偶氮苯材料薄膜表現(xiàn)出雙折射特性，從而實(shí)現(xiàn)受紫外光偏振態(tài)控制的回音壁模式光譜特性。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光控回音壁模式產(chǎn)生系統(tǒng)，其特征在于所述回音壁模式產(chǎn)生系統(tǒng)可用于紫外光強(qiáng)度的高精度測(cè)量。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光控回音壁模式產(chǎn)生系統(tǒng)，其特征在于通過(guò)紫外光照射石英微球諧振腔使回音壁模式光譜特性改變后，還可通過(guò)可見(jiàn)光照射或加熱方式使石英微球諧振腔表面的偶氮苯材料薄膜特性回復(fù)到未經(jīng)紫外光照射的初始狀態(tài)，因此本發(fā)明提供的光控回音壁模式產(chǎn)生系統(tǒng)具有可恢復(fù)的光譜特性。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)所述的光控回音壁模式產(chǎn)生系統(tǒng),其特征在于所述的石英微球諧振腔敏化方法適用于包括微球、柱、盤(pán)、環(huán)、線和其它類(lèi)型能夠支持回音壁模式的微諧振腔，因此本發(fā)明提出的回音壁模式微諧振腔敏化方案具有很強(qiáng)的應(yīng)用擴(kuò)展性。
【文檔編號(hào)】G02B27/00GK103605207SQ201310629651
【公開(kāi)日】2014年2月26日 申請(qǐng)日期:2013年12月2日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月2日
【發(fā)明者】張昊, 劉波, 楊春雪, 梁鵠, 苗銀萍, 李月濤, 趙星, 王志, 劉艷格 申請(qǐng)人:南開(kāi)大學(xué)