一种阶梯型波导微腔折射率传感器的制备方法

1.本发明属于光学传感领域，特别是涉及一种阶梯型波导微腔马赫-曾德传感器的制备方法。


背景技术：

2.波导微腔马赫-曾德干涉型传感器（以下简称波导微腔传感器）是近年来日益受到重视的一种传感器结构。该结构是通过将部分波导刻蚀成微腔，从而将信号一分为二，分别通过微腔及剩余波导传输，并在出射端汇合，从而实现干涉，并实现对微腔中物质的折射率变化的探测。该传感器的优势包括：结构紧凑、灵敏度高等。该结构既可以集成于平面波导中，也可以集成在光纤中，近年来，基于光纤结构的波导微腔传感器的发展尤为引人注目。
3.波导微腔传感器的最大优势在于其极高的灵敏度。然而，由于该型传感器的基本原理是双光束干涉，高的灵敏度往往伴随着较小的折射率探测范围。其原因是，该类传感器的透射谱是简单的周期震荡谱型，每当共振峰的光谱漂移量达到自由光谱范围（free spectrum range，fsr）的整数倍时，光谱将与原始光谱重合，从而导致无法判断共振峰的准确漂移量。
4.而在实际应用时，过大的fsr是不现实的，其原因在于：第一，过大的fsr会导致在宽谱光源的发射带宽内难以捕捉到可供参考的共振峰；第二，过大的fsr会导致干涉峰的3 db带宽增大，从而导致测量分辨率的下降。也就是说，在实际探测中，该型传感器可以精确测量较小折射率范围内的折射率变化，但无法测得任意待测液体的折射率准确值，这成为限制该类传感器实际应用的一个重要限制。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术的不足，本发明提供一种阶梯型波导微腔传感器的设计及制备方法。该方案所涉及的传感器结构可以集成到平面波导及光纤中，相对于现有的波导微腔型传感器，可以大幅扩展折射率测量范围，从而可以实现待测液体折射率的准确测量。
6.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种阶梯型波导微腔干涉型折射率传感器的制备方法：包括如下步骤：（1）采用飞秒激光刻写技术，在透明基底材料中刻写直条型单模波导；（2）采用微加工技术，将波导区域的一侧面制备阶梯型微腔，该阶梯型微腔结构，由两个长宽不一的矩形微腔组成，两微腔长度方向均沿波导传输方向，其垂直于波导传输方向上的两个矩形横截面各覆盖波导模场的一部分，且两个矩形横截面的总和未覆盖全部波导模场。
7.优选的，阶梯型微腔结构需贯穿波导的外表面，使腔内空间暴露于外界环境中。
8.优选的，所述阶梯型微腔的长度方向为平行于波导传输方向，其中长度较长的矩形微腔位于波导的外侧，长度较短的矩形微腔位于波导的内侧。
9.优选的，步骤（1）中，当透明基底材料替换为单模光纤时，无需额外刻写直条型波
导。
10.上述方法获得的微腔干涉器在制备光纤传感器方面的应用。
11.与现有技术相比，本发明能达到的有益效果是：由于干涉谱中的各共振峰变得容易辨识，相对于现有的波导微腔干涉型传感器，可以突破fsr对折射率探测范围的限制，从而可以在较大折射率变化范围内，准确读取液体的实际折射率数值。
附图说明
12.图1为本发明的阶梯型波导微腔传感器的立体结构示意图。
13.图2为本发明的阶梯型波导微腔传感器俯视示意图，箭头所示为参与干涉的三束光各自的传输路径。
14.图3为本发明的阶梯型波导微腔传感器的一个典型透射谱（d1=2.5 μm，d2=3.5 μm，l1=120 μm，l2=48 μm，液体折射率为1.35）；图4为本发明的阶梯型波导微腔传感器的传感效果示意图，其中结构参数与图3相同；图5为基于传统方案的石英玻璃波导微腔型折射率传感器的结构示意图；图6为基于传统方案的石英玻璃波导微腔型折射率传感器的一个典型透射谱（l1=120 μm，d1=4.5 μm，液体折射率为1.35）；图7为基于传统方案的石英玻璃波导微腔型折射率传感器的传感效果示意图，其中结构参数与图6相同。
15.图8为yag晶体双线波导微腔型折射率传感器的结构示意图（俯视图）。其中：，其中：1. 波导区；2. 波导样品的衬底区域或光纤包层；3. 微腔；4. 刻写区。
具体实施方式
16.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
17.实施例1:光纤阶梯型微腔折射率传感器的制备方法，步骤如下：（1）将一段包层直径为125 μm的单模石英光纤剥除涂覆层，并对表面进行清洁处理。基于已有的光纤纤芯构建微腔干涉结构，无需额外制备波导；（2）利用飞秒激光刻写技术，在石英光纤纤芯中刻写微腔3，微腔尺寸为：d1=2.5 μm，d2=3.5 μm，l1=120 μm，l2=48 μm。所使用的激光刻写参量如下：飞秒激光的中心波长为520 nm；重复频率为200 khz；脉冲能量为0.6 μj；扫描速度为200 μm/s；显微物镜的数值孔径为0.75；（3）利用10% hf水溶液腐蚀飞秒激光刻写的微腔区域，化学腐蚀条件为：常温，hf溶液浸泡石英玻璃10分钟，并辅助超声震荡。
18.实施例2:石英玻璃阶梯型波导微腔折射率传感器的制备方法，步骤如下：
（1）利用飞秒激光刻写技术，在石英玻璃材料内部深度80 μm处刻写直条型波导，所使用的激光刻写参量如下：飞秒激光的中心波长为520 nm；重复频率为200 khz；脉冲能量为0. 6 μj；扫描速度为200 μm/s；显微物镜的数值孔径为0.75；（2）利用飞秒激光刻写技术，在石英玻璃材料表面刻写微腔3，微腔尺寸为：深度为80 μm，d1=2 μm，d2=3 μm，l1=120 μm，l2=48 μm。所使用的激光刻写参量如下：飞秒激光的中心波长为520 nm；重复频率为200 khz；脉冲能量为0.6 μj；扫描速度为200 μm/s；显微物镜的数值孔径为0.75；（3）利用10% hf水溶液腐蚀飞秒激光刻写的微腔区域，化学腐蚀条件为：常温，hf溶液浸泡石英玻璃10分钟，并辅助超声震荡。为防止化学腐蚀过程损伤波导结构，在实际操作中也可将步骤1中的波导刻写过程调整至步骤2、3后实施。
19.实施例3：yag晶体阶梯型波导微腔折射率传感器的制备方法，步骤如下：（1）利用飞秒激光刻写技术，在yag晶体材料内部深度80 μm处刻写双线型波导，双线波导中心距离为20 μm，所使用的激光刻写参量如下：飞秒激光的中心波长为520 nm；重复频率为20 khz；脉冲能量为0.3 μj；扫描速度为50 μm/s；显微物镜的数值孔径为0.5；（2）利用飞秒激光刻写技术，在yag晶体材料表面刻写微腔3，微腔尺寸为：深度为80 μm，d1=7 μm，d2=8 μm，l1=120 μm，l2=48 μm。所使用的激光刻写参量如下：飞秒激光的中心波长为520 nm；重复频率为20 khz；脉冲能量为0.3 μj；扫描速度为50 μm/s；显微物镜的数值孔径为0.5；（3）利用10% hf水溶液腐蚀飞秒激光刻写的微腔区域，化学腐蚀条件为：常温，hf溶液浸泡晶体6分钟，并辅助超声震荡。为防止化学腐蚀过程损伤波导结构，在实际操作中也可将步骤1中的波导刻写过程调整至步骤2、3后实施。
20.其原理及特色在于：如图2中三个箭头所示，阶梯型微腔设计相当于把入射波导的功率一分为三，其中第一部分功率经历长度为l1+l2的腔，第二部分功率经历长度为l1的腔，第三部分经历剩余波导传输，因此该传感器的干涉效应来源于三束光的干涉，因此使透射谱受到调制，各个干涉峰变得易于辨识。另外，由于前两部分功率在微腔传输过程中，有效折射率随待测液体变化的幅度相同，会导致在液体折射率变化过程中，透射谱整体漂移而各个干涉峰的谱型不发生变化，因此可以在较大范围内识别某特征干涉峰的漂移量，从而可以实现液体折射率的准确读取。
21.对于石英玻璃波导，当d1=2.5 μm，d2=3.5 μm，l1=120 μm，l2=48μm时，所制备的阶梯型微腔传感器在1.35的液体折射率条件下，理论计算得到透射谱如附图3所示，可以看到，1440 nm附近的共振峰具有极高的辨识度。当液体折射率发生变化时，透射谱对应变化如图4所示，可见，当液体折射率经历从1.34至1.36的较大范围变化时，通过读取特征共振峰的位置，仍可以准确测得液体的实际折射率数值。
22.作为对比，将基于传统方案的石英玻璃波导微腔型干涉传感器的结构和效果图列出作为对比。其基本结构如图5所示。其中，仍然令l1=120 μm，并将d1设置为4.5 μm。在1.35的液体折射率条件下，其透射谱如图6所示，可见，其干涉谱呈周期性震荡特点，各共振峰的形状无明显差异，不具备可辨识特性，因此，只能测量较小范围内的折射率变化，无法测量
任意液体样品的实际折射率。其原因是，当共振峰的漂移量每增加一个fsr，则干涉谱会与原始光谱重合，导致无法辨认准确的光谱漂移量。例如，如图7所示，当液体折射率从1.345变化至1.355时，由于共振峰的漂移量已经超过fsr，从而导致无法分辨准确的峰位漂移，即无法准确测量液体折射率的实际大小。