Кювета для возбуждения оптических мод шепчущей галереи в дисковых оптических диэлектрических микрорезонаторах в различных газовых и жидких средах
CUVETTE FOR EXCITATING OPTICAL WHISPERING GALLERY MODES IN DISK OPTICAL DIELECTRIC MICROCAVITIES IN VARIOUS GAS AND LIQUID ENVIRONMENTS

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно предназначено для измерения частотных характеристик оптических диэлектрических микрорезонаторов с модами типа шепчущей галереи в различных газовых и жидких средах.
Из уровня техники известен лазерный анализатор микрочастиц и биологических микрообъектов, в котором используется кювета, содержащая корпус с отверстием в верхнем торце, выполненный с возможностью заполнения исследуемой средой и снабженный боковыми окнами для ввода и вывода излучения (см. патент RU 2186362, G01N 15/02, опубл. 27.07.2002). Недостатком известного устройства является то, что отсутствует герметичный замкнутый объем, в связи с чем возникает взаимодействие со внешней средой, что приводит к изменению температуры. Также в этом устройстве кювета фиксируется не жестко, что приводит к дополнительным шумам и погрешности измерения.
Кювета жесткой конструкции с герметичным корпусом известна из документа RU 2308794, H01S 3/213, опубл. 20.10.2007. Однако в данном документе отсутствует использование микрорезонаторов с модами типа шепчущей галереи, которые позволяют существенно повысить точность измерения.
Использование микрорезонаторов с модами типа шепчущей галереи известны из US 2011306854 (A1), G01N 21/55, опубл. 15.12.2011. При этом необходимо поддерживать зазор между микрорезонатором и элементом связи, равным приблизительно четверти длины волны. Ширина данного зазора может варьироваться во время измерения. Причиной возникновения таких вариаций на звуковых частотах обычно являются внешние вибрации, а также изменение температуры. Недостатком данного изобретения является не возможность производить настройку оптимальных параметров связи с микрорезонатором непосредственно во время измерения, что приводит к высокой погрешности.
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков, а также обеспечение ввода и вывода оптического излучения в оптические диэлектрические микрорезонаторы с использованием различных элементов связи, такие как призмы, растянутое оптическое волокно, скошенный под углом и полированный торец оптоволокна и др., расположенные в герметичном объеме, в котором находится исследуемая среда, и при этом необходимо обеспечивать доступ к управлению системой позиционирования для повышения точности оптической юстировки микрорезонаторов внутри кюветы относительно элемента оптической связи. Также необходимо, для минимизации величины вариаций ширины зазора между элементом связи и микрорезонатором, соединения между деталями системы изготавливать как можно более жесткими и исключить размещение подвижных компонентов системы позиционирования в исследуемой среде, поскольку среда может оказывать отрицательное воздействие на детали. Технический результат заключается в том, что обеспечивается при наличии герметичного объема доступ к управлению системой позиционирования и повышение точности оптической юстировки микрорезонаторов внутри кюветы относительно элемента оптической связи. За счет предлагаемого изобретения существенно повышается точность измерения.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что кювета для оптических микрорезонаторов с модами типа шепчущей галереи, содержит корпус с отверстием в верхнем торце, выполненный с возможностью заполнения исследуемой средой, снабженный боковыми окнами для ввода и вывода излучения, также внутри корпуса с помощью крепежной лапки зафиксирован элемент оптической связи, напротив которого во фронтальной стенке корпуса выполнено окно для визуального наблюдения, а отверстие в верхнем торце снабжено патрубком, на котором в натяг установлен эластичный рукав для герметичного ввода системы позиционирования микрорезонаторов внутри кюветы и их оптической юстировки относительно элемента оптической связи.
На фиг. 1 представлено предлагаемое изобретение, внешний вид кюветы с использованием в качестве оптического элемента связи призмы.
Кювета содержит корпус 7 с отверстием в верхнем торце, снабженный боковыми окнами и фронтальным окном 13 для визуального наблюдения. Отверстие в верхнем торце снабжено патрубком, на котором в натяг установлен эластичный рукав 10 для герметичного ввода крепежного элемента 12 микрорезонаторов внутри кюветы системы позиционирования 11. Корпус 7 может быть изготовлен из целого куска дюралюминия. Патрубок выполнен в виде муфты 2, которая через прокладку прижимается к верхней поверхности кюветы с помощью винта 1 и лапки 3. Крепежный элемент 12 микрорезонаторов представляет собой цанговый зажим. Цанговый зажим 12 предназначен для фиксации микрорезонатора 14. Второй конец эластичного рукава надевается на обод 15 цангового зажима. Фронтальное окно 13 предназначено для визуального контроля позиционирования микрорезонаторов относительно элемента связи. Оно герметизируется прозрачной пластиной, которая, через прокладку, прижимается к корпусу кюветы винтами 8. В нижней части корпуса установлены штуцеры 9 для подвода и отвода исследуемой жидкой или газовой среды. В боковые окна вставлены клинья с фланцами 4, а элемент оптической связи выполнен в виде призмы 5, которая прижата к клиньям и зафиксирована с помощью крепежной лапки 6. Каждый клин 4 представляет собой деталь с отверстием, изготовленную, к примеру, из целого куска дюралюминия. Фланец клина винтами прижимается через прокладку к боковой поверхности корпуса кюветы. Отверстие в клине проходит через плоскость фланца и одну из граней клина. Края отверстия на данной грани образуют вертикальную плоскость, развернутую относительно фронтального окна кюветы на угол 45°. На эти плоскости, через прокладки, опирается призма 5 своими короткими гранями и прижимается лапкой 6, которая с помощью винта давит на длинную грань призмы. Лапка 6 имеет полированную зеркальную поверхность, которая наклонена от фронтального окна на 45° и позволяет наблюдать снизу микрорезонатор через фронтальное окно кюветы, с помощью микроскопа, расположенного горизонтально.
На фиг. 2 представлена кювета с использованием в качестве оптического элемента связи растянутого оптического волокна 16. Вилка 17, на которой закреплены концы растянутого участка волокна, фиксируется с помощью крепежной лапки 6. На место клиньев 4 в боковые окна установлены фланцы 18, в которые герметично вклеены концы указанного оптического волокна.
Третий вариант - использование кюветы с микрорезонаторами, в которых элемент связи основан на дифракционных решетках, например, изготовленных литографическим методом с дифракционной решеткой, нанесенной на волновод, или микрорезонаторов с дифракционной решеткой, нанесенной на саму поверхность микрорезонатора, боковые окна кюветы заглушаются пластинами через прокладки, а ввод и вывод оптического излучения осуществляется через фронтальное окно кюветы.
Изобретение используют следующим образом.
Кювета размещается на оптическом столе, рядом с трехкоординатной линейной подачей для грубого позиционирования микрорезонатора относительно элемента связи. Цанговый зажим, который удерживает образец микрорезонатора, прикреплен к трехкоординатной системе позиционирования через однокоординатную подачу с пьезоэлектрическим элементом. Пьезоподача обеспечивает тонкое выставление зазора между микрорезонатором и элементом связи.
Излучение вводится через одно из боковых окон, затем это излучение проходит через оптический элемент связи и выходит через второе боковое окно. Оптический микрорезонатор подводят на нужное расстояние к оптическому элементу связи для того, чтобы возник резонанс в микрорезонаторе. Выходящее излучение измеряется фотодиодом, и через АЦП характеристики излучения передаются на ЭВМ. Исследуемой средой меняются частотные характеристики оптических диэлектрических микрорезонаторов, тем самым осуществляется диагностика среды.
Исследуемая среда, жидкости или газы подаются в кювету через штуцеры 9. Таким образом, заявляемая кювета позволяет заполнять герметичный объем различными жидкостями и газами и осуществлять в создаваемой среде ввод и вывод лазерного излучения в оптический диэлектрический микрорезонатор с модами типа шепчущей галереи с помощью элементов связи различного типа, с возможностью юстировки системы непосредственно во время измерений. При этом, за исключением варианта с растянутым оптическим волокном, в конструкции кюветы не применяются клеевые соединения, что исключает возможность загрязнения исследуемой среды компонентами клея.
Литература
[1] N. Jokerst, М. Royal, S. Palit, L. Luan, S. Dhar, T. Tyler. Chip scale integrated microresonator sensing systems J. Biophoton. 2, № 4, 212-226 (2009).
[2] Страница в сети интернет http://www.techbriefs.com/component/content/article/3160