УСТАНОВКА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ОПТИЧЕСКИХ МИКРОРЕЗОНАТОРОВ
APPARATUS FOR PRODUCING OPTICAL MICRORESONATORS

Изобретение относится к области фотоники, а именно к установкам для производства оптических элементов на основе оптического волокна, и может быть использовано для изготовления высокодобротных микрорезонаторов сферической формы с широким диапазоном получаемых размеров.
2
Из уровня техники известна установка для производства микрезонаторов из заготовок высокочистого плавленого кварца, состоящая из СО лазера, фокусирующего объектива, системы отражающих зеркал, подставки для крепления заготовок, набора защитных экранов и микроскопа (см. Савченков А.А. Оптические высокодобротные мини и микрорезонаторы в прецизионных измерениях: дис. канд. физ.-мат.наук: 01.04.01. - М., 2000, с. 59-61.). Недостатком данной установки является локальный нагрев заготовки и невозможность достижения равномерного теплового поля в области заготовки. При увеличении размера лазерного пятна происходит расфокусировка пучка на заготовке, и мощность излучения, которая нагревает поверхность, значительно уменьшается. По этой причине сложно изготовить микрорезонатор диаметром более 300 мкм. Использование лазера диктует требование использовать защитные поглощающие экраны. При этом излучение в инфракрасном спектре невидимо человеческому глазу, что подвергает опасности работе оператора, как удаленно, так и при работе с микроскопом. Поверхность микрорезонатора, произведенного на данной установке, имеет высокую неоднородность, при этом сферичность изготовленных микрорезонаторов, как правило, невысока. Недостатком также является образование налета или замутненности на поверхности микрорезонаторов.
2
Из уровня техники также известна установка для производства микрорезонаторов из оптического волокна с использованием СО лазера (см. Toropov N.A., Sumetsky М. Permanent matching of coupled optical bottle resonators with better than 0.16 GHz precision // Optics Letters., Vol. 41, №10, 2016. pp. 2278-2281). Достоинством установки является возможность изготовления микрорезонаторов из заготовок коммерческого оптического волокна, что обеспечивает высокую повторяемость результата. Резонансные частоты таких резонаторов отличаются не более чем 0,1 ГГц. Использование лазера при производстве микрорезонаторов позволяет избежать загрязнений поверхности, что позволяет производить резонаторы с высокой добротностью. Однако, значительным недостатком такой установки является очень низкий диапазон воспроизведения размеров микрорезонаторов, сопоставимый с диаметром оптического волокна.
Кроме того, известна установка, где в качестве нагревательного элемента используется плазматрон (см. Алексеев P.O., Савинков В.И., Атрощенко Г.Н., Шахгильдян Г.Ю., Палеари А., Мартин И., Сигаев В.Н. Синтез оптических микрорезонаторов с модами шепчущей галереи // Успехи в химии и химической технологии, Т. 14, №7. 2015. С. 10-12). Исходным материалом для производства здесь выступает мелкодисперсный порошок иттриевоалюмосиликатного стекла. Плазматрон позволяет получить высокую температуру дуги (8000-10000°С), и в высокотемпературной плазме мелкодисперсные песчинки получают форму сферы. Таким образом, главным достоинством является производительность установки. Относительные отклонения микросфер, получаемых на данной установке, не превышают 0,1%. Недостатком известной установки является отсутствие системы крепления микрорезонаторов, в результате чего после производства неизбежны касания поверхности микросферы о детали установки и другие микрорезонаторы. В результате чего качество поверхности микросфер уменьшается, что, в свою очередь, сильно ограничивает максимальную добротность. Диапазон получаемых размеров на установке также невысок: от 20 до 100 мкм.
9
Наконец, из уровня техники известна установка, в составе которой используется газовая горелка и микроскоп (Городецкий М.Л. Оптические микрорезонаторы с гигантской добротностью. Москва: Физматлит, 2011. С. 324-327.). Газовая горелка подает горючую смесь к соплу, диаметром в несколько десятков микрон. Пламя, получаемое таким образом, представляет собой горячий ламинарный поток, т.е. формирует высокооднородное тепловое поле. Заготовкой для термообработки в данной установке выступает стержень из высокочистого кварца: он позиционируется относительно пламени под углом, и вращается, в результате чего образуется микросфера. Для контроля оператором процесса плавления кварцевого стержня в составе установки используется инструментальный микроскоп со светофильтром. Основным достоинством установки является возможность получения микрорезонаторов с достаточно большим радиусом (более 1 мм). Из-за низкой кривизны поверхности микрорезонатора, уменьшаются потери на рассеяние в окружающую среду, и добротность таких резонаторов может достигать порядка Q=10. Однако, существенным недостатком установки является недостаточная автоматизация ее узлов. Кроме того, она плохо приспособлена для работы с заготовками, выполненными из оптического волокна. По этой причине повторяемость диаметров микрорезонаторов зависит от оператора установки и не превышает 90%. Отсутствие направляющих для подачи заготовки влияет на несимметричность микрорезонатора и кварцевой ножки, на которой он крепится к стержню. Наличие лишь одного сопла вызывает необходимость располагать заготовку под углом, что ведет к деформации ножки микрорезонатора. Ввиду данной несимметричности возбуждаемые моды шепчущей галереи могут иметь только высокие индексы моды. В таких резонаторах моды шепчущей галереи имеют большой объем моды, что может быть недопустимо для применения микрорезонаторов в качестве элементов фотоники.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является установка для производства оптических микрорезонаторов, содержащая механическую подвижку с держателем заготовки оптического волокна и устройство нагрева ее свободного конца (см. патент CN 103197380, кл. G02B 6/255, опубл. 10.07.2013). Известная установка имеет высокую степень автоматизации, позволяющую получить неплохую повторяемость. Однако использование для нагрева электрической дуги не позволяет получить достаточную однородность теплового поля и достичь требуемой степени сферичности, а значит, и добротности микрорезонатора.
Технической проблемой является устранение указанных недостатков и создание простой в изготовлении и использовании установки, позволяющей получать высокодобротные микрорезонаторы сферической формы с широким диапазоном размеров, а также высокой воспроизводимостью и повторяемостью. Технический результат заключается в повышении качества получаемых миркрорезонаторов за счет повышения однородности теплового поля, обеспечивающего формирование сферического микрорезонатора на конце заготовки оптического волокна. Поставленная проблема решается, а технический результат достигается тем, что в установке для производства оптических микрорезонаторов, содержащей механическую подвижку с держателем заготовки оптического волокна и устройство нагрева ее свободного конца, устройство нагрева выполнено в виде газовой горелки, снабженной, по меньшей мере, двумя соплами, направленными под острым углом к оси установленной в держателе заготовки в сторону ее свободного конца. Сопла предпочтительно установлены в кинематических оправках с возможностью изменения угла наклона относительно оси заготовки. Установка снабжена единым вертикальным основанием, на котором закреплены устройство нагрева и механическая подвижка, причем подвижка выполнена моторизированной и установлена с возможностью вертикального перемещения держателя. Устройство нагрева предпочтительно выполнено в виде электролизной газовой горелки. Сопла предпочтительно выполнены в виде загибов на конце металлических трубок, большая часть которых расположена поперечно к оси заготовки. Установка предпочтительно снабжена камерой с микрообъективом, расположенным напротив свободного конца заготовки. Держатель заготовки предпочтительно образован корпусом, подвижной губкой и поджимающим ее упругим элементом.
На фиг. 1 представлен общий вид предлагаемой установки;
на фиг. 2 - направления движения механической подвижки;
на фиг. 3 - держатель заготовки оптического волокна;
на фиг. 4 - разрез А-А по фиг. 3.
Предлагаемая установка для производства оптических микрорезонаторов 1 снабжена единым вертикальным основанием 2, на котором закреплены автоматизированная механическая подвижка 3 с держателем 4 заготовки 5 одномодового оптического волокна и устройство нагрева ее свободного конца. Размещение всех элементов установки на едином вертикальном основании 2 позволяет исключить появление дополнительных погрешностей изготовления, обусловленных механическими вибрациями, и формирует условия для образования симметричной сферической капли на конце заготовки 5.
Устройство нагрева выполнено в виде электролизной газовой горелки (на чертежах не показана), снабженной патрубками 6, соединенными, по меньшей мере, двумя соплами 7, направленными под острым углом к оси установленной в держателе 4 заготовки 5 в сторону ее свободного конца (таким образом, направление суммарного потока горячего газа, по существу, противоположно действию силы гравитации, что также способствует повышению сферичности изготавливаемого микрорезонатора 1). Сопла 7 выполнены в виде загибов под 90° на конце металлических трубок (например, медицинских игл), большая часть которых расположена поперечно к оси заготовки 4, и установлены в кинематических оправках 8 с возможностью изменения угла наклона относительно оси заготовки 5. Основным преимуществом установки является использование двухсопельной системы с возможностью точной юстировки положений каждого сопла 7 относительно заготовки 5, благодаря чему формируется равномерный градиент нагрева и происходит образование капли с высокой степенью сферичности. Возможно использование и большего количества сопел 7, но при этом трудоемкость юстировки потока пламени возрастает за счет сложности обеспечения одинакового потока и направления горячей струи, и значительно увеличивается вероятность изгиба ножки микрорезонатора 1 в процессе производства.
Подвижка 3 выполнена моторизированной и установлена с возможностью вертикального перемещения держателя 4 с возможностью тонкой микрометрической подачи. Крепление держателя 4 на моторизированной подвижке 3 позволяет осуществлять строго дозированную подачу заготовки 5 в область нагрева, за счет чего достигается повторяемость и воспроизводимость геометрических параметров микрорезонатора 1. Увеличение диаметра микрорезонатора 1 происходит равномерно и пропорционально внесению заготовки 5 в пламя из сопел 7. Именно сочетание автоматизированной подачи заготовки и ее нагрев пламенем двухсопельной горелки позволили достичь неожиданный технический результат - значительное повышение качества получаемого продукта. При этом предлагаемая установка позволяет увеличивать диаметр микро резонатора в пределах до 1 мм.
Установка снабжена камерой с микрообъективом 9, расположенным напротив свободного конца заготовки 5. Камера фокусируется в области нагрева и позволяет оператору точно установить начальное положение заготовки 5 относительно сопел 7, а также контролировать процесс образования капли, совмещая процесс производства с процедурой контроля.
Держатель 3 образован корпусом, подвижной губкой 10 и поджимающим ее упругим элементом 11, обеспечивающим формирование необходимого усилия, для удержания заготовки 4 без ее деформации. Такая конструкция держателя 3, после образования на конце волокна микрорезонатора 1, обеспечивает возможность его безопасного извлечения с ножкой без касаний с элементами конструкции.
Предлагаемая установка работает следующим образом.
Заготовку 5 одномодового оптического волокна освобождают от пластиковой оболочки и фиксируют в держателе 4. Электролизную смесь от горелки подают по патрубкам 6 к соплам 7 и формируют однородную область нагрева. После чего с помощью механической подвижки 3 вводят свободный конец заготовки 5 в область нагрева на время, достаточное для формирования капли необходимого размера. Процесс контролируют с помощью камеры с микрообъективом 9 и, в случае необходимости, корректируют положение сопел поворотом оправок 8. По завершении формирования микрорезонатора 1 требуемого размера, перемещением подвижки 3 выводят заготовку 5 из зоны нагрева и помещают микрорезонатор 1 в герметичную тару или используют его по назначению.
Таким образом, предлагаемое изобретение благодаря описанным конструктивным особенностям позволяет значительно повысить качество производимых микрорезонаторов за счет повышения однородности теплового поля, а также повторяемости и воспроизводимости диаметров микрорезонаторов, расширения диапазона производства диаметров микрорезонаторов, уменьшения несимметричность их поверхности, защиты ее от касаний и загрязнений, уменьшения вклада ошибки оператора, а также повышает безопасность производства микрорезонаторов.