一种超高品质因子回音壁模式微棒腔制备方法与流程

本发明属于光学器件技术领域，具体涉及一种超高品质因子回音壁模式微棒腔制备方法。

背景技术：

回音壁模式光学微腔具有极小的模式体积、超高品质因子等优势，从而在线性及非线性光学研究、微波光子学应用、高灵敏度传感应用等邻域被广泛采用。近十年来，基于回音壁模式光学微腔产生光学频率梳并进行应用成为一种可选择的产生光学频率梳的方式。光频梳的产生依赖于精密加工设备及抛光工艺，如文献“frequencycombgenerationincrystallinemgf2whispering-gallerymoderesonators[c],europeanquantumelectronicsconference2011,papereg1-2”验证的，在晶体微腔中产生光频梳可采用品质因子高达10⁹的氟化镁晶体腔。

经科研人员探索，现如今已有多种加工光学微腔的方法。如文献“fabricationandanalysisopticalmicrospherecavitybasedonhighqerbiumdoped[c],nems2013,957-960(2013)”，传统上，可用电弧放电或co2激光器加热熔融光纤末端形成微球腔，这种加工方法尺寸较小且难以控制，无法满足一些需大尺寸微腔的应用场合。同时，这种微球腔与脆弱的光纤末端连接在一起，结构上不够稳定，容易受到环境扰动的影响。此外，晶体腔的加工目前多采用机械化学抛光或微纳加工的方法，前者耗时极长且依赖于操作者的经验，可重复性差；后者表面粗糙度目前无法做到纳米级，品质因子不高，不能满足线性与非线性光学的研究要求。

技术实现要素：

鉴于采用电弧放电熔融光纤末端制备出的回音壁模式光学微球腔在结构上不具有稳定性且形状无法精确控制；采用化学机械抛光方法制备的晶体腔结构上可控制，但加工耗时过长且严重依赖于操作人员的经验。本发明提供一种制作快速且尺寸、面型可定制的超高品质因子回音壁模式微棒腔的加工平台和方法。

本发明采用的技术方案为：一种超高品质回音壁模式微棒腔制备方法，包括以下步骤：

步骤1)将直径为毫米级的石英预制棒夹持在气浮轴承上进行转动；

步骤2)调节co2激光器焦点至预制棒表面；

步骤3)调大co2激光器功率，逐步移动三维移动台，熔融一圈后形成一个烧蚀圆环；

步骤4)移动三维移动台至下一个位置，继续烧蚀另一个圆环；

步骤5)加大co2激光器功率，在两环之间短时间加热，熔融的石英会在表面张力的作用下自然形成超光滑的表面，在两环之间即可得到品质因子达10⁹量级的微棒腔。

进一步地，在步骤1)中，所述直径为毫米级石英预制棒为用原材料纯度达到99.9999％的石英制成的圆棒。

进一步地，在步骤1)中，所述气浮轴承转速达500～1000转/分钟。

进一步地，在步骤3)中，所述三维移动台达纳米级精度，所述co2激光器功率可调范围为0～40w。

进一步地，在步骤3)中，所述调大co2激光器功率，逐步移动三维移动台，熔融一圈后形成一个烧蚀圆环，是调节co2激光器功率至20w并移动气浮轴承靠近激光焦点直至熔融切割出深0.5毫米的沟槽。

进一步地，在步骤4)中，所述移动三维移动台至下一个位置，继续烧蚀另一个圆环，移动激光焦点位置离上一个熔融出的沟槽距离为0.3～1毫米。

进一步地，在步骤5)中，所述加大co2激光器功率为增加co2激光器功率至30w。

进一步地，在步骤5)中，所述在两环之间短时间加热为将激光器焦点置于两环之间突出的部分加热30秒。

进一步地，在步骤5)中，所述在两环之间即可得到品质因子达10⁹量级的微棒腔为直径0.5～8毫米，两环间距0.1～10毫米，品质因子达到10⁹量级的回音壁模式光学微腔。

进一步地，在步骤5)中，所述在两环之间即可得到品质因子达10⁹量级的微棒腔，品质因子检测采用锥形光纤波导将扫频激光耦合进入微棒腔中测试透射谱的方法，对透射谱中的谐振峰采用洛伦兹线形拟合计算品质因子。

与现有技术相比较，本发明的有益效果如下：

本发明所用的co2激光器输出功率为0～40w，三维移动平台运行精度为500nm/脉冲。本发明可得到制作快速且具有高稳定性、超高品质因子、面型可定制等优势的微棒腔。超高品质因子有利于进行非线性光学的研究；面型可控即可对微棒腔的结构色散进行控制，有利于光学频率梳的产生与调控；高稳定性有利于微棒腔应用的器件化封装。本发明制备的微棒腔尺寸为直径1～7mm、两环间距0.3～1mm，负载品质因子可达10⁸以上。

附图说明

图1为超高品质因子回音壁模式微棒腔的加工平台系统装置原理图；

图2为本发明加工实例(直径2.5mm，两环间距0.3mm)的超高品质因子回音壁模式微棒腔的实物图；

图3为本发明加工实例测试出的谐振谱线图，扫频激光中心波长为1550nm，扫频范围为0.2nm；

图4为本发明加工实例的超高品质因子回音壁模式微棒腔测试出的单个谐振峰图，计算出，该微棒腔在1550nm波长附近的负载品质因子可达1.52x10⁸。

图中标号：1-空气压缩泵，2-除油除湿系统，3-三维亚微米平移台，4-气浮轴承，5-石英预制棒，6-循环水系统，7-功率控制系统，8-co2激光器，9-硒化锌透镜。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施范例，进一步阐述本发明。应注意以下具体实施方式仅仅用于阐述本发明，并不用于限制本发明的作用范围。

本发明的加工平台包含如下器件：co2激光器、硒化锌透镜、气浮轴承、三维移动台、供气系统、除油除湿系统、循环水系统、功率控制系统。其中气浮轴承用于夹持石英预制棒进行转动；co2激光器作为激光光源发出波长在10um附近的连续激光，经硒化锌透镜聚焦后集中于石英预制棒上；三维移动台上安装气浮轴承，可带动气浮轴承和石英预制棒进行三维移动；供气系统和除油除湿系统用于供给气浮轴承压力稳定且干净的气流，减少轴承运转过程中的抖动；循环水系统和功率控制系统分别用于co2激光器的温度控制和功率调节。

本发明提出的加工方法包括以下步骤：

1)将直径为1～7毫米的光学级石英预制棒夹持在气浮轴承上进行转动；

2)调节co2激光器焦点至预制棒表面；

3)调大co2激光器功率，逐步移动三维移动台，熔融一圈后形成一个烧蚀圆环；

4)移动三维移动台至下一个位置，继续烧蚀另一个圆环；

5)加大co2激光器功率，在两环之间短时间加热，熔融的石英会在表面张力的作用下自然形成超光滑的表面，在两环之间即可得到品质因子达10⁹量级的微棒腔。

在步骤1)中，所述直径为1～7毫米的光学级石英预制棒原材料为纯度达到99.9999％的石英。所述气浮轴承转速达500～1000转/分钟。

在步骤3)中，所述三维移动台达亚微米级精度，所述co2激光器功率可调范围为0～40w。所述调大co2激光器功率，逐步移动三维移动台，熔融一圈后形成一个烧蚀圆环，是调节co2激光器功率至20w并移动气浮轴承靠近激光焦点直至熔融切割出深0.5cm的沟槽。

在步骤4)中，所述移动三维移动台至下一个位置，继续烧蚀另一个圆环，移动激光焦点位置离上一个熔融出的沟槽距离为0.3～1mm。

在步骤5)中，所述加大co2激光器功率为增加co2激光器功率至30w。所述在两环之间短时间加热为将激光器焦点置于两环之间剩余的部分加热30秒。所述熔融的石英会在表面张力的作用下自然成超光滑的表面是依据石英这种非晶体结构物质在高温下熔融会挥发且冷凝后在表面张力作用下表面可达纳米级光滑程度的特性。所述两环之间即可得到高品质因子的微棒腔为直径1～7mm，两环间距0.3～1mm，品质因子达到10⁹量级的回音壁模式光学微腔。

制作出的微棒腔可通过将扫频激光耦合进入腔体中，再耦合出腔体来得到透射谱，对透射谱中的谐振峰进行洛伦兹线形拟合即可得出该微棒腔的品质因子。常用的耦合方式有棱镜耦合、倾角光纤耦合和锥形光纤耦合。本发明中采用锥形光纤耦合方式对加工出的微棒腔测试其品质因子。实际工作中，锥形光纤波导和微棒腔之间的耦合通过调节高精度三维移动平台来控制锥形光纤波导与微腔之间的耦合间隙，将光耦合进入微腔。要实现锥形光纤内光能量的高效率耦合，微棒腔与锥形光纤需满足高效耦合的尺寸匹配，要求锥形光纤满足单模传输条件，这样才能满足相位匹配时大部分的光能量都能耦合进入微腔。实际测试中使用的锥形光纤锥腰处直径约2.4um，锥形光纤直接贴合微棒腔表面，这种耦合方式测出的负载品质因子会比本征品质因子小一个数量级。

图1给出超高品质因子回音壁模式微棒腔的加工平台系统装置原理图。其中气泵1、除油除湿系统2用于供给气浮轴承4压力稳定、洁净的空气，气浮轴承4安装在三维移动台3上，可进行亚微米级的运动控制。1～7mm的石英预制棒5夹持在气浮轴承4上进行转动，转速500～1000转/分钟。co2激光器8发出的激光经过硒化锌透镜9聚焦后，焦点落在石英预制棒上，焦点附近温度急剧升高从而熔融石英并气化挥发，石英预制棒转动后形成切割圆环。所用co2激光器8最大功率为40w且功率可调，循环水系统6将去离子水循环泵入激光器中进行制冷，功率控制系统7根据设定的功率对co2激光器进行功率调整。

实施加工实例

图2为加工出的一超高品质因子微棒腔，具体加工步骤如下：

第一步，打开加工平台电源和气泵，等待除尘除湿且气压恒定的空气流将气浮轴承浮起后，将直径为3毫米的石英预制棒夹持在气浮轴承上，给定转速为1000转/分钟；打开co2激光器，调节焦点至石英棒上，给定功率30w；

第二步，控制三维纳米移动台移动石英棒前后移动，削减石英预制棒的直径至预设的尺寸；

第三步，设置气浮轴承转速为500转/分钟，设置三维纳米移动台移动速度为50mm/min。调整co2激光器焦点至需要切割第一个环的位置处，调整co2激光器功率至20w，控制三维纳米移动台带动石英预制棒逐步靠近co2激光器，直至熔融切割出的环深度到0.5毫米；

第四步，控制三维纳米移动台带动石英预制棒移动0.3毫米到下一个需要切割环的位置处，逐步控制石英棒靠近co2激光器，直至熔融切割出环深度为0.5毫米，此时两环之间形成初始回音壁模式微棒腔；

第五步，控制石英棒移动到co2激光器焦点置于两环之间，停止运行三维纳米移动台。调节co2激光器至30w，加热两环之间部分30秒，中间部分石英受热熔融后在气浮轴承的旋转带动下均匀流动在外层圆周上，停止加热后，熔融的石英在表面张力的作用下凝固为表面光洁度达纳米量级的外层，此时在两环之间即可得到超高品质因子的回音壁模式微棒腔。