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0431-81702023
光學工程
飛秒激光蝕刻光纖微腔及其在光纖環衰蕩腔中的應用

摘要 為了實現在光纖環衰蕩腔(FLRD)系統中的微量氣體液體傳感,提出了利用飛秒激光微納加工的方法加工微流體傳感裝置。利用800nm的飛秒激光脈沖在普通980nm,1550nm的單模光纖上實現了直寫光學微腔,微腔的寬度達到4μm,深度80μm。將在單模光纖刻蝕的光學微腔成功應用于光纖環衰蕩腔系統之中。針對光纖環衰蕩腔的系統裝置,分析了該系統的探測原理,并對該系統應用于微流體吸收探測中所探測的衰蕩時間、損耗及待測流體濃度的關系進行理論推導。利用此系統,實現了對微量流體濃度的吸收譜高靈敏度探測。

關鍵詞 傳感器;光學微腔;飛秒激光;光纖環衰蕩腔光譜

1 引 言

      近年來,腔衰蕩光譜(CRDS:CavityRingdownSpectroscopy)技術由于具有極高靈敏度及分辨率,且不受光源波動的影響[1],這項新型光譜吸收技術已經得到了廣泛的關注與應用。CRDS技術不僅可以用于在氣體強吸收帶內進行氣體的微量探測,也可以通過部分加壓,實現對分子弱吸收的測量。同時 CRDS系統結構也在不斷發展。起初,CRDS系統是由兩個高反射鏡組成的光學諧振腔建立的起來的[2],通過探測腔內光強的衰落從而得到腔內的損耗信息。隨后,利用光纖及光纖器件所實現的衰蕩腔系統逐步發展起來。2002年,M.Gupta等[3]提出了利用光纖布拉格光柵對形成高反射率腔進行氣體吸收衰蕩光譜檢測。2007年,LiuBo等[4]應用光柵對衰蕩腔技術進行了溫度和壓力的傳感測量。2001年,G.Steward等[5]第一次提出了光纖環衰蕩腔系統,在系 統 中 插 入 腔 結 構,用 于 吸 收 測 量。Z.G.Tong以及 H.P.Loock等[6~8]利用光纖環衰蕩腔系統并在系統中插入微流體器件,實現了對微流量液體高靈敏度檢測。近期,又將光纖環衰蕩腔系統與毛細電泳法相結合,利用光纖環衰蕩腔系統進行吸收探測[9]。H.P.Loock等應用毛細十字管、微十字管、光纖接頭或光纖透鏡作為微流體腔插入系統中,然而這些器件因準直困難,制作麻煩,不易一次成型等缺點,因此不適用于大批量標準化生產。

      飛秒激光出現以來,人們利用其脈沖時間短、功率密度高以及可實現冷加工等特點,進行了飛秒激光超微細加工的理論與技術研究,實現了多種材料的亞微米級精度的精細加工和器件制備[10~12]。在生物、化學、材料等領域中,經常需要對流體進行操作,如 DNA 樣品的制備、聚合酶鏈式反應、電泳檢測等操作都是在液相環境中進行的。如果要將樣品制備、生化反應、結果檢測等步驟集成到生物芯片上,則實驗所用流體的量就從毫升、微升級降至皮升或納升級,這時功能強大的微流體裝置就顯得必不可少了[13]。2007年,HaiyiSun等[14]應用飛秒激光加工技術在光波導上刻制微流體腔,并提出在腔內注入液體進行微流體傳感。本文結合飛秒激光微加工技術,提出在普通單模光纖上制作微型光纖腔的方法。該方法有效地克服了以往光纖環衰蕩腔技術中微流體器件制作的不足。利用飛秒激光直寫方法,可制作腔長可控的微腔,操作簡便,適于批量制作。并且,將制作的光纖微腔成功地應用于光纖環衰蕩腔檢測系統之中。

2 微腔加工系統

      實驗裝置如圖1所示。其中,激光中心波長為800nm,脈沖寬度50fs,重復頻率為1kHz,最大輸出平均功率2W,對應單脈沖能量為2mJ。實驗中使用了多個可變中性衰減片以降低脈沖能量,從而達到最佳實驗結果。光束經顯微物鏡聚焦至樣品。使用物鏡為10×,NA 為0.25,三維平移臺移動精度1μm。實驗 中 使 用 的 樣 品 為 980(TheNo.46InstituteofCETC),1550單模光纖。通過計算機程序控制三維平移臺,使飛秒激光在光纖上直接蝕刻微腔。

 3 微腔加工過程

      在微腔加工之前,首先研究了飛秒激光輸出功率以及刻寫速度對微腔腔長及刻寫深度的影響。根據飛秒激光加工的閾值模型理論,飛秒激光加工的過程,主要是利用飛秒激光對材料的燒蝕作用,將飛秒激光聚焦在被加工材料的表面或體內產生燒蝕,以便達到加工目的。研究表明,從連續波到幾十皮秒脈寬,燒蝕過程是離子雪崩,且始于內部電子。在該脈沖范圍內,燒蝕閾值常常有很大偏離,能量在很大范圍內均可引起燒蝕。然而,對于給定的材料,飛秒脈沖的燒蝕閾值則是一個確定的值。飛秒激光只要能量密度達到一定值,就會發生燒蝕現象;低于該閾值,則不會。燒蝕從一個統計屬性變為一種確定行為。因此,對于飛秒激光脈沖,可以適當控制其激光能量密度,使脈沖中心在很小區域的能量超過燒蝕 閾 值,得 到 比 激 光 聚 焦 焦 點 還 要 小 的 特 征 結構[15]。

       在微腔加工過程中,首先將光纖涂敷層剝掉后將光纖固定在模板上,隨后將模板固定在3維位移平臺上;調整好刻蝕光路,使飛秒激光的焦點在模板表面,通過計算機控制三維平臺移動,對光纖進行刻蝕。最后,通過調整激光功率及刻蝕次數,加工不同寬度及不同深度的微腔。實驗中,飛秒激光系統加工參數如下:選擇數值孔徑0.25,放大倍數10×的物鏡;光纖直徑130μm;計劃刻蝕深度70~80μm。實驗發現,在保持其他條件不變的情況下,不斷降低激光輸出功率或提高刻寫速度,加工微腔的腔長將減小,刻 蝕 深 度 亦 逐 漸 變 淺。當 激 光 功 率 降 低 到0.05μJ時,顯微鏡下不能觀察到微腔。即在此能量下,飛秒激光已無法對光纖產生燒蝕作用。同時,保持激光輸出功率不變,通過增加飛秒激光刻寫次數,來增加微腔刻寫的深度。

       光纖經過飛秒激光燒蝕后,利用光學顯微鏡,可以觀察到刻蝕后的光纖側面被燒蝕的痕跡。利用上述方法,制作了一個燒蝕深度約80μm,纖芯處腔長為4μm的光纖微腔。圖2為光學顯微鏡下放大100倍的光纖微腔的顯微照片。圖中黑色部分為光纖,中間凹槽為刻蝕的微腔。

4 光纖微腔感測

4.1 光纖環衰蕩腔系統

       設計并構建的基于微腔的光纖環衰蕩腔系統如圖3所示,該系統的工作波長為1550nm。系統的工作原理如下:首先用電光調制器(Mod22212)對可調諧激光器(SantecTSL210)輸出的連續光進行調制,使 之 輸 出 脈 沖 寬 度 為20ns,重 復 頻 率 約 為1kHz的脈 沖 序 列。隨 后 脈 沖 序 列 經 耦 合 器 1 的1%輸 入 端 輸 入 由 兩 個1∶99耦 合 器 (LightcommTechnology)所構成的光纖環內,光脈沖在光纖環內每繞一周,即經過用于流體傳感的微腔一次,同時亦經耦合器2的1%輸出端有少部分光脈沖能量被環外的光電探測器(ThorlabsFAG4)以及電流放大器(ConquerOpticalTechnology)接收。最后,經光電轉換后,通過示波器觀察衰蕩譜,從譜中可以獲得關于光纖環內損耗,其中包括用于傳感的微腔內所探測物質的吸收損耗等的細致信息。

4.2 衰蕩腔系統理論分析

      衰蕩時間的定義為光脈沖的強度減小為其經光電探測器探測的初始光強的1/犲時所用的時間。通過計算衰蕩譜的衰蕩時間來對光纖環內的損耗進行測量,因為衰蕩時間僅與腔內損耗有關。可以用單e指數函數來表示探測器探測光強衰蕩譜

其中分別表示光脈沖的輸入及輸出光強,τ 即為衰蕩時間,光纖環衰蕩腔內總損耗與衰蕩時間的關系為

其中T 為光脈沖經過光纖環一周所需時間,A表示環內損耗,C0為光在光纖中的傳播速度。

在衰蕩腔內引入飛秒激光加工普通單模光纖形成的微腔作為傳感單元,進行微流體傳感時,經分析可以得出衰蕩腔內的總損耗分為環內的固有損耗A,以及外部損耗B。其中,參數A主要包括光纖環中兩個耦合器的損耗,光脈沖在長度為6.67m的衰蕩環中的傳輸損耗。外部插入損耗主要是由微腔本身的損耗 -lnT以及微腔內的氣體和液體對光的吸收所引入的吸收損耗ad。因此,(2)式可表示為

其中n表示單模光纖纖芯折射率c表示光在真空中的傳播速度,由朗伯-比爾定律

其中α為物質的吸收系數,ε為吸收物質的摩爾消光系數,c為物質的摩爾濃度。于是,(3)式可改寫為

4.3 光纖微腔感測實驗

      利用上述制作的微腔,可以進行衰蕩譜感測實驗。對二甲亞砜(DMSO)中的樣品 DDCI的濃度進行了探測。實驗表明,以 DMSO 作為溶劑,在1550nm波段其透光率接近100%,利用 FLRD系統可以探測強吸收溶質 DDCI的濃度。光纖環衰蕩腔插入微腔前后衰蕩譜的變化如圖4所示。

       由以上實驗得到的衰蕩譜并根據e指數函數(1)式,擬合得到圖4中微腔插入前后的衰蕩時間分別為144.6ns和80.3ns。在光纖環衰蕩腔系統中插入微 腔,導 致 環 內 損 耗 增 大。 實 驗 表 明,隨 著DDCI濃度的增高,腔內吸收損耗增大,而相應的衰蕩時間則變小。

5 結 論

       利用飛秒激光加工技術,在光纖上刻蝕了一種可應用于光纖環衰蕩腔系統的微流量吸收腔,制作的腔長可控制在5μm以內,從而使光纖環衰蕩腔系統可應用于微量流體(氣體、液體)的高精度定量檢測變為可能。并且,提出的光纖微腔制作方法具有高重復性、一次成型、制作簡便、易于檢測等特點,設計并實施的微腔流體檢測系統可應用于微米量級的吸收檢測,這種新方法和新技術可廣泛應用于微痕量光傳感領域。

 

 

 

 

 


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