Диссертация (Исследование оптического диэлектрического микрорезонатора для детектирования наночастиц), страница 11

Далее при помощи микрометрическойподачи зеркало 9 было подведено вплотную к исследуемому объекту. Следомсъёмный модуль был установлен в гнездо-держатель ласточкиного хвоста,который закреплен на микрометрической подаче 4 и зафиксирован винтами 2.67Важное значение имеют прижимные элементы 7, со сменным вкладышем,имеющим 5 регулировочных канавок для волокон с разными диаметрами.Расчёт показывает, что при использовании второй по счету канавки расстояниемежду волокном и прижимным валом не должно превышать 30 мкм. Стоитособоотметить,чтодлятомографическихисследованийкруглыхцилиндрических объектов необходимо использовать именно треугольныеканавки, так как они обеспечивают минимальное биение.Для уменьшения рефракции на краю исследуемого объекта необходимоподобрать иммерсионную жидкость с показателем преломления, близким кпоказателюпреломленияОДМР.Изучениепоказателяпреломленияиммерсионной жидкости на рефрактометре позволило оценить разностьпоказателей преломления Δn, которая составила не более 0,002.С точки зрения томографии фазовое изображение Δ(x,y) являетсяпроекцией, которая несет информацию о внутренней структуре в интегральнойформе при направлении зондирования вдоль оптической оси z:( p, y; )   (n( x, y, z )  nim )   ( p  x  cos( )  z  sin( ))dxdz,(8)где n(x,y,z)– трехмерное распределение показателя преломления ОДМР;α – угол поворота (вдоль оси y) при котором получена проекция.Результаты экспериментов приведены в таблице 9.

В таблице указаныдобротности ОДМР, а также разность показателей преломления внутреннейжилы и оболочки, полученной из спецификации для волокна SM600, а такжеизмеренной томографическим методом.Результатыэкспериментальныхисследованийпозволяютделатьследующие выводы. Томографические измерения показателя преломлениявнутри твердых тел позволяют определить изменения показателя преломленияс точностью 10-3- 10-4. Была получена партия ОДМР с известной добротностью,все эти образцы были исследованы томографическим методом; было выявлено,что внутренние неоднородности в центре ОДМР не влияют на его добротность.68Таблица9.Значениедобротностиипоказателейпреломленияисследуемой партии микрорезонаторовДобротность№ОДМРΔnволокнаΔnизм12.5∙1093.5∙10-32.0∙10-321.1∙1093.5∙10-31.5∙10-331.7∙1093.5∙10-31.0∙10-342.8∙1093.5∙10-31.5∙10-353.5∙1093.5∙10-32.5∙10-33.5 Выводы к главе 3Разработан томографический модуль, который вращает образецсминимальными биениями.

Оставшиеся биения устраняются при помощипрограммных средств.Подробно описан алгоритм обработки томограмм ОДМР, позволяющийреконструировать двумерную томограмму поперечного сечения ОДМР. Знаяпоказательпреломленияиммерсии,можноопределитьраспределениепоказателя преломления самого ОДМР.Томографическиеизмеренияпозволяютопределитьизмененияпоказателя преломления внутри твердых тел с точностью 10-3 — 10-4. Этопозволяет определять наличие внутренних неоднородностей показателяпреломления, а также определить значение показателя преломления ОДМР.69ГЛАВА 4 МЕТОДИКА ИЗГОТОВЛЕНИЯ РАСТЯНУТОГООПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА МЕТОДОМ ТЕРМИЧЕСКОГО НАГРЕВАДЛЯ СИСТЕМЫ СВЯЗИ С ОПТИЧЕСКИМ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИММИКРОРЕЗОНАТОРОМДетекторы на основе ОМДР становятся работоспособными только послевозбуждения в них высокодобротных мод «шепчущей галереи».

Инициироватьвысокодобротные моды возможно разными способами: при помощи призмы,дифракционной решетки на поверхности ОДМР и через загрязнения наповерхности ОДМР (в последнем случае добротность будет крайне мала).Большая часть способов связи основана на эффекте выпадения оптическогоизлучения при нарушении полного внутреннего отражения. Способ связи сиспользованием растянутого оптического волокна (в англоязычной литературеобычно используется термин tapered fiber) удобен в осуществлении связи сОДМР и позволяет легко изменять уровень энергии посредством продольногоперемещения растянутой части оптоволокна. Также подобная системапозволяет использовать источники лазерного излучения с волоконнымвыходом, что обеспечивает простоту соединения и отличную форму пучка навыходе из волокна, однако для длительного использования изделия необходимообеспечить требуемую жесткость и защиту от загрязнений.4.1 Методика изготовления растянутого оптического волокнаВ настоящей методике приводятся последовательно выполняемые ручныеоперации.

В качестве заготовки для вытягивания использовалось кварцевоеодномодовое оптическое волокно (ОВ) марки 980HP фирмы Thorlabs с рабочимдиапазоном длин волн 980-1600 нм, при этом номинальный диаметрсердцевины, составлял d1=3,6 мкм, а диаметр оболочки, d2=125 ± 15 мкм.Данное ОВ было выбрано по причине использования в ряде экспериментовлазерного излучения с длиной волны 1,06 и 1,5 мкм, обеспечивающего связь с70оптическими ОДМР. Крайне малые потери на данных длинах волн в ОДМР изплавленого кварца позволяют достигать высоких значений добротности.1.Передвытягиваниемволокнанеобходимоснятьзащитнуюполимерную оболочку и тщательно удалить все загрязнения с нагреваемойповерхности. Затем следует поместить заготовку в зажимные опоры срегулируемым усилием, подключить ее торцы к лазеру и фотодетектору ивручную установить преднатяжение ОВ.

Особое внимание необходимообратить на отсутствие проскальзывания ОВ, контролируемое с помощьюдатчика силы: в противном случае усилие в зажимной опоре увеличится.2. После выполнения описанных выше действий к ОВ постепенноподводится пламя горелки, уменьшающее вязкость кварца и натяжениеволокна. Так как качество РОВ в значительной степени зависит от температурыпламени горелки, следует произвести контроль температуры в зоне плавления.При превышении оптимальной температуры происходит испарение кварца, чтоухудшает качество поверхности, а при недостаточной температуре недостигается требуемая вязкость ОВ, что приводит либо к его обрыву, либо кзначительной неоднородности по толщине.

В таких случаях для регулировкитемпературы может потребоваться изменение положения сопла горелки ивысоты пламени. При достижении соответствующих выбранному режиму дляданного типа ОВ параметров натяжения и температуры можно переходить кследующему этапу методики.3.Наданномэтапевключаютмоторизированныеподвижки,регулирование скорости которых осуществляется с компьютера. В данномслучае вытягивание проводилось с постоянной скоростью 0,9 мм/мин. Важноотметить, что минимальные пульсации волокна обеспечиваются за счетпостоянства скорости.71Рисунок15.Графикизависимости:а—диаграммазависимостикоэффициента пропускания от времени вытягивания; б — криваязависимости натяжения волокна.На рисунке 15.а показано изменение коэффициента пропускания инатяжения ОВ после использования моторизированных подвижек: волокнопереходит в многомодовый режим,позволяющий получить характернуюкартину интерференции мод.4.

Одним из важных этапов данной методики является постепенный отводпламени горелки вниз на 5 − 10 мм. Его следует выполнять в момент началапульсации интенсивности сигнала пропускания, т.е. когда перетяжка уженачала образовываться, что позволит уменьшить деформацию утонченного ОВ.Обозначенное положение пламени по-прежнему обеспечивает достаточную72энергию для поддержания вязкости ОВ. Дальнейшее утончение волокнаприведет к постепенному уменьшению интенсивности биения и одномодовомурежиму пропускания.5.

Вытягивание следует прекратить по достижении минимальныхпульсаций интенсивности сигнала пропускания.После завершения растяжения и выключения источника нагреванеобходимо предотвратить провисание волокна под собственным весом спомощьюегоподтягиванияпередзакреплениемнавилке.Волокноподтягивается вручную посредством перемещения одной из подвижек нанебольшое расстояние, при этом для контроля за усилием на волокнеиспользуется датчик натяжения. Во избежание снижения коэффициентапропускания следует проследить, чтобы на поверхности РОВ не былозагрязнений, являющихся оптическими неоднородностями и приводящих крассеянию светового излучения в окружающую среду или переотражениюобратно в волокно.ПолученныеобразцыРОВисследовалисьвоптическомканалемикроскопа Leica DCM 3, при этом использовался объектив с увеличением 50крат и числовой апертурой 0,90.

Результаты измерений профиля РОВпредставлены на рисунке 16.Всоответствиисполученнымиизмерениямипривытягиванииформируется конусный профиль волокна с диаметром, уменьшающимся позакону, близкому к экспоненциальному, что обеспечивает согласование мод и,как следствие, малое отражение от растянутой области. При описанном вышережиме вытягивания и при условии работы опытного оператора наименьшийполученный диаметр перетяжки указанного РОВ составил 3,3 мкм. Разбросдиаметра перетяжки образцов РОВ составляет ± 0,1 мкм, что позволяетиспользовать РОВ в инфракрасном диапазоне длин волн.

Однако прииспользовании РОВ в видимом диапазоне подобный разброс может привести кувеличению количества брака.73Рисунок 16. Профиль растянутой части оптоволокна. Пo оси y отложендиаметр волокна. Во вставке представлено изображение перетяжкирастянутой части волновода d0 = 3,4 мкм.Важно отметить, что для обеспечения стабильной связи с ОДМРрастянутая часть оптоволокна должна иметь небольшую длину (порядка 3 − 5мм), что позволяет сохранять достаточную жесткость. Чтобы достичьтребуемой длины, следует использовать сменные сопла и изменять скоростьвытягивания, причем обеспечение минимальной длины происходит за счетсопла, изготовленного из одной иглы.