[发明专利]基于偶氮苯集成的光控回音壁模式微腔奇异点调控系统

说明书

基于偶氮苯集成的光控回音壁模式微腔奇异点调控系统，包括可调谐激光器，偏振控制器，1×2光开关，光环形器，基于偶氮苯集成的回音壁模式微腔，光电探测器，示波器，532nm激光器等。所述系统通过在单模光纤表面涂覆一层偶氮苯薄膜，并刻蚀两个缺陷引起正反向传输回音壁模式之间的耦合，通过调节532nm激光功率密度的方式改变偶氮苯折射率可实现对系统奇异点状态的调控。此外通过对两个缺陷填充液体还可实现液体折射率传感，且传感性能不受环境温度、气压等的影响。同时通过调节偶氮苯材料的折射率，还可实现液体折射率传感范围的调控。本发明具有调控方式简单、灵活、调谐手段可拓展性强、结构稳定、鲁棒性强等优点。

技术领域

本发明涉及光纤微纳传感技术领域，通过在普通单模光纤表面涂覆偶氮苯薄膜同时引入两个缺陷的方式控制正反方向传输回音壁模式之间的耦合，形成一种光控回音壁模式微腔奇异点调控系统，并可实现传感范围可控的高灵敏度液体折射率传感。

背景技术

光学回音壁模式(Whispering-gallery modes，WGMs)微腔是一种新型的光学谐振腔，光在微腔的内壁边界处连续发生全反射，若微腔周长对应的光程等于光波波长的整数倍则光场会相干增强，可保持极低的损耗在微腔内稳定存在。光学回音壁模式具有品质因数高、模式体积小、灵敏度高、快速响应、易于集成等优点，在微纳传感领域具有广阔的应用场景。

与传统回音壁模式微腔相比，处于奇异点状态的微腔本征频率分裂与外界扰动的平方根成正比，因此处于奇异点的微腔系统对外界微小的扰动具有更高的灵敏度，可以实现精密探测。2014年，JanWiersig从理论上论证了相较于普通的回音壁模式微腔，处于奇异点状态的微腔具有更高的传感灵敏度(Wiersig J.“Enhancing the sensitivity offrequency and energy splitting detection by using exceptional points:application to microcavity sensors for single-particle detection”,PhysicalReview Letters,2014,112(20):203901.)。2017年Lan Yang等人利用存在散射子微扰的回音壁微腔构建奇异点系统并进行了对纳米颗粒的传感，从实验上验证了上述理论的正确性(Chen W,Kaya Ozdemir S,Zhao G,Wiersig J,Yang L.“Exceptional points enhancesensing in an optical microcavity”,Nature,2017,548(7666):192-196.)。2018年，杨照华等人也提出一种基于散射粒子调控回音壁微腔的奇异点系统，可实现对振动测量的灵敏度增强，从而能够实现对微弱振动的准确测量，拓宽了待测振动值的测量范围，并申请了相关国家发明专利(一种光学回音壁式微型谐振腔的振动测量方法及系统，专利号：CN108426631B，授权公开日：2020年6月26日)。2020年，Xiaoxue Jin等人提出了基于椭圆散射子和圆形散射子的方式调控回音壁微腔系统奇异点状态的方案，降低了系统的复杂程度(Xiao-Xue J,Gao Y-P,Shi-Hui Z,Wang T-J,Wang C.“The particle induced modesplitting and exceptional points in whispering-gallery mode microcavity”,IEEEPhotonics Journal,2020,12(6):6803414.)。然而，以上奇异点制备方案中均基于外界散射子的方式，需要精密光学调控平台，同时对环境要求极高，调控手段非常困难，成本极高。为了解决以上困难，有必要开发一种结构简单、易于调控的回音壁模式微腔奇异点调控系统。