本發(fā)明涉及光學(xué)諧振腔，尤其是涉及一種高品質(zhì)因子回音壁模微球腔的制備方法。

背景技術(shù)：

微球腔因其具有超高的品質(zhì)因子(通常在10⁸以上)、豐富的回音壁模式、極小的模式體積等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于線性光學(xué)、非線性光學(xué)以及光學(xué)傳感等領(lǐng)域的研究。如文獻(xiàn)“ChangLei Guo，Kai jun Che，Huiying Xu，Pan Zhang，Deyu Tang，Changyan Ren，Zhengqian Luo，and Zhiping Cai，Opt.Lett.41(12)，2576-2579(2016)”在實(shí)現(xiàn)激射的基礎(chǔ)上進(jìn)一步得到了寬度約為230nm的光頻梳(optical frequency combs，OFCs)。

制作微球腔的方法有很多種。傳統(tǒng)上，常采用光刻蝕方法來制作固相微腔，但這種方法工藝復(fù)雜，成本昂貴。還有用CO₂激光器燒蝕石英光纖的末端來獲得微球腔，如文獻(xiàn)“L.Collot,V.Lefevre-Seguin，M.Brune，J.M.Raimond and S.Haroche,Europhys.Lett.23(5)，pp.327-334(1993)”，這種方法制備的微球腔通常直徑在200μm以內(nèi)，且尺寸難以控制，無法滿足實(shí)驗(yàn)的需要；而且，由于微球腔是和光纖的末端相連，這種結(jié)構(gòu)具有不穩(wěn)定性，使得實(shí)驗(yàn)條件容易被外界環(huán)境所影響，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象具有偶然性。文獻(xiàn)“F.Lissillour.L’effet laser dans des microsphères de verre fluorédopées Néodymeet Erbium:Etude expérimentale de différents couplages et de largeurs de raie[D].Ph.D.thesis,Universitéde Rennes 1,France,2000(In French)”采用微波等離子體火靶技術(shù)通過加熱熔化石英粉末得到微球腔，這種方法制備微球的優(yōu)點(diǎn)是快速、方便且能夠批量生產(chǎn)，但是得到的微球腔尺寸較小(直徑為60～160μm)，且不能直接用于實(shí)驗(yàn)，需要進(jìn)行微球的固定過程。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供工藝簡單、尺寸可控的一種高品質(zhì)因子回音壁模微球腔的制備方法。

本發(fā)明包括以下步驟：

1)將毫米級(jí)石英玻璃棒固定在旋轉(zhuǎn)電機(jī)上；

2)將毫米級(jí)石英玻璃棒頂端用CO₂激光器剝蝕至所需微球腔大小的尺度，得微米級(jí)石英玻璃棒；

3)用CO₂激光器燒蝕掉微米級(jí)石英玻璃棒頂端多余的長度，再加熱微米級(jí)石英玻璃棒，得原始回音壁模微腔；

4)提高CO₂激光器的輸出功率，短時(shí)間灼燒原始回音壁模微腔，受熱的微腔在表面張力的作用下自然形成球狀，得到高品質(zhì)因子回音壁模微球腔。

在步驟1)中，所述毫米級(jí)石英玻璃棒可采用超純、羥基含量＜5ppm的石英玻璃棒。所述旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可為1000～60000r/min。

在步驟2)中，所述將毫米級(jí)石英玻璃棒頂端用CO₂激光器剝蝕至所需微球腔大小的尺度可在二維精密步進(jìn)電機(jī)幫助下，將毫米級(jí)石英玻璃棒頂端用CO₂激光器剝蝕至所需微球腔大小的尺度，首先確定需要回音壁模微球腔的尺寸，然后根據(jù)所需尺寸將毫米級(jí)玻璃棒剝蝕至對(duì)應(yīng)尺度；所述CO₂激光器的輸出功率可為7.5～8.75W。

在步驟3)中，所述燒蝕掉微米級(jí)石英玻璃棒頂端多余的長度可利用高溫下玻璃材質(zhì)的氣化現(xiàn)象；燒蝕過程中CO₂激光器的輸出功率可為3.75W；所述再加熱微米級(jí)石英玻璃棒的過程中CO₂激光器的輸出功率可為1.25～2W。

在步驟4)中，所述提高CO₂激光器的輸出功率可提高至2.5～3W。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果如下：

本發(fā)明所用的CO₂激光器輸出功率為0.25～25W，功率調(diào)節(jié)精度為0.5％。本發(fā)明可得到柱上微球腔，穩(wěn)定性更好；本發(fā)明可制備尺寸為190～700μm的微球腔，且品質(zhì)因子高達(dá)10⁸以上。

附圖說明

圖1為高品質(zhì)因子回音壁模微球腔的制備裝置原理圖。

圖2為高品質(zhì)因子回音壁模微球腔的制備流程圖。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例1(直徑約為300μm)的高品質(zhì)因子回音壁模微球腔的實(shí)物圖。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例2(直徑約為400μm)的高品質(zhì)因子回音壁模微球腔的實(shí)物圖。

圖5為本發(fā)明實(shí)施例1(直徑約為300μm)的高品質(zhì)因子回音壁模微球腔的品質(zhì)因子測試圖，通過計(jì)算可知，該回音壁模微球腔在1550nm波長附近的品質(zhì)因子約為3×10⁸。

圖6為本發(fā)明實(shí)施例2(直徑約為400μm)的高品質(zhì)因子回音壁模微球腔的品質(zhì)因子測試圖，通過計(jì)算可知，該回音壁模微球腔在1550nm波長附近的品質(zhì)因子約為2.2×10⁸。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。

圖1給出高品質(zhì)因子回音壁模微球腔的制備裝置原理圖，其中紅光激光器8、第一反射鏡9、第二反射鏡10、聚焦透鏡6用于調(diào)節(jié)優(yōu)化光路，且聚焦透鏡6固定在二維精密步進(jìn)電機(jī)上。將毫米級(jí)石英玻璃棒1固定在高速旋轉(zhuǎn)電機(jī)7上；在二維精密步進(jìn)電機(jī)幫助下，將毫米級(jí)石英玻璃棒1頂端用CO₂激光器5剝蝕至所需微球腔大小的尺度，進(jìn)而得到微米級(jí)石英玻璃棒2；用CO₂激光器5燒蝕掉微米級(jí)石英玻璃棒2頂端多余的長度。小功率下加熱微米級(jí)石英玻璃棒，得到原始回音壁模微腔3；提高CO₂激光器5的輸出功率，短時(shí)間灼燒原始回音壁模微腔3，受熱的微腔在表面張力的作用下自然形成球狀進(jìn)而得到高品質(zhì)因子回音壁模微球腔4。

實(shí)施例1

圖2為本發(fā)明高品質(zhì)因子回音壁模微球腔的基本工藝流程，包括以下步驟：

第一步，將毫米級(jí)石英玻璃棒固定在高速旋轉(zhuǎn)電機(jī)上，電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍為1000～60000r/min。利用準(zhǔn)直激光器(本發(fā)明用的是紅光激光器)調(diào)節(jié)聚焦透鏡與石英玻璃棒之間的距離，使焦點(diǎn)落在石英玻璃棒上；

第二步，設(shè)置高速旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為30000r/min。設(shè)置二維精密步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行距離和運(yùn)行速度。運(yùn)行距離設(shè)置為2mm，也即毫米級(jí)石英玻璃棒頂端被剝蝕長度為2mm；運(yùn)行速度設(shè)置為1mm/s。確定所需微球腔的尺寸，如直徑300μm。CO₂激光器的輸出功率約為7.5～8.75W。在二維精密步進(jìn)電機(jī)幫助下，CO₂激光器將毫米級(jí)石英玻璃棒頂端剝蝕至直徑約為310μm(比所需尺寸大一些，因?yàn)楹罄m(xù)操作會(huì)使玻璃棒直徑輕微變小)，進(jìn)而得到微米級(jí)石英玻璃棒；

第三步，關(guān)閉二維精密步進(jìn)電機(jī)自動(dòng)運(yùn)行程序，將CO₂激光器的輸出功率調(diào)至3.75W。手調(diào)二維精密步進(jìn)電機(jī)，用CO₂激光器燒蝕掉微米級(jí)石英玻璃棒頂端多余的長度，剩余長度約為400μm。然后，將CO₂激光器的輸出功率調(diào)至1.25～2W，小功率下加熱微米級(jí)石英玻璃棒30s左右，得到原始回音壁模微腔；

第四步，提高CO₂激光器的輸出功率至2.5～3W，短時(shí)間灼燒原始回音壁模微腔，如一次灼燒時(shí)間0.5s后關(guān)閉CO₂激光器，然后再次灼燒，重復(fù)多次(一般3～5次)，直至受熱的微腔在表面張力的作用下自然形成球狀，進(jìn)而得到直徑約300μm的高品質(zhì)因子回音壁模微球腔。

實(shí)施例1(直徑約為300μm)的高品質(zhì)因子回音壁模微球腔的實(shí)物圖參見圖3，實(shí)施例1(直徑約為300μm)的高品質(zhì)因子回音壁模微球腔的品質(zhì)因子測試圖參見圖5，通過計(jì)算可知，該回音壁模微球腔在1550nm波長附近的品質(zhì)因子約為3×10⁸。

實(shí)施例2

圖2為本發(fā)明高品質(zhì)因子回音壁模微球腔的基本工藝流程，包括以下步驟：

第一步，將毫米級(jí)石英玻璃棒固定在高速旋轉(zhuǎn)電機(jī)上，電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍為1000-60000r/min。利用準(zhǔn)直激光器(本發(fā)明用的是紅光激光器)調(diào)節(jié)聚焦透鏡與石英玻璃棒之間的距離，使焦點(diǎn)落在石英玻璃棒上；

第二步，設(shè)置高速旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為20000r/min。設(shè)置二維精密步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行距離和運(yùn)行速度。運(yùn)行距離設(shè)置為2mm，也即毫米級(jí)石英玻璃棒頂端被剝蝕長度為2mm；運(yùn)行速度設(shè)置為1mm/s。確定所需微球腔的尺寸，如直徑400μm。CO₂激光器的輸出功率約為7.5～8.75W。

在二維精密步進(jìn)電機(jī)幫助下，CO₂激光器將毫米級(jí)石英玻璃棒頂端剝蝕至直徑約為410μm(比所需尺寸大一些，因?yàn)楹罄m(xù)操作會(huì)使玻璃棒直徑輕微變小)，進(jìn)而得到微米級(jí)石英玻璃棒；

第三步，關(guān)閉二維精密步進(jìn)電機(jī)自動(dòng)運(yùn)行程序，將CO₂激光器的輸出功率調(diào)至3.75W。手調(diào)二維精密步進(jìn)電機(jī)，用CO₂激光器燒蝕掉微米級(jí)石英玻璃棒頂端多余的長度，剩余長度約為500μm。然后，將CO₂激光器的輸出功率調(diào)至1.25～2W，小功率下加熱微米級(jí)石英玻璃棒30s左右，得到原始回音壁模微腔；

第四步，提高CO₂激光器的輸出功率至2.5～3W，短時(shí)間灼燒原始回音壁模微腔，如一次灼燒時(shí)間0.5s后關(guān)閉CO₂激光器，然后再次灼燒，重復(fù)多次(一般3～5次)，直至受熱的微腔在表面張力的作用下自然形成球狀，進(jìn)而得到直徑約400μm的高品質(zhì)因子回音壁模微球腔。

實(shí)施例2(直徑約為400μm)的高品質(zhì)因子回音壁模微球腔的實(shí)物圖參見圖4，實(shí)施例2(直徑約為400μm)的高品質(zhì)因子回音壁模微球腔的品質(zhì)因子測試圖參見圖6，通過計(jì)算可知，該回音壁模微球腔在1550nm波長附近的品質(zhì)因子約為2.2×10⁸。