CN103738915B - 三维晶体光学回音壁微腔的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种三维晶体光学回音壁微腔的制备方法，包括对浸没在液体中的晶体进行飞秒激光选择性烧蚀和利用聚焦离子束研磨微腔侧壁。本发明方法制备的三维晶体光学回音壁微腔能将光通过腔体与外界面的连续全内反射限制在腔内，具有极高的表面光洁度，小的模式体积与高的品质因子。该方法适用于各种晶体材料和玻璃等。

Description

三维晶体光学回音壁微腔的制备方法

技术领域

本发明涉及飞秒激光加工，特别是一种三维晶体光学回音壁微腔的制备方法。

背景技术

光学回音壁微腔利用介质腔与周围环境之间在腔的边界处的连续全内反射把光长时间地限制在介质内，具有相当高的品质因子，在非线性光学，量子物理以及生物传感中有着重要的应用。所述的光学回音壁微腔采用晶体材料，称为晶体微腔，由于晶体本身的高纯度、高折射率、高稳定性以及很高的线性和非线性系数，晶体微腔备受关注。尽管在无定型玻璃中可以制得Q值高达10⁹的微腔，由于晶体材料可以提供很好的光学特性，比如说强的二阶非线性系数，很宽的透射窗口等，许多非线性光学效应只能在晶体微腔中实现。现阶段，人们主要利用机械研磨的办法制备晶体微腔（参考文献1：A.A.Savchenkov,et al,“Kilohertz optical resonances indielectric crystal cavities,”Phys.Rev.A70(5),051804(R)(2004)）。虽然说用机械研磨可以得到很高Q值晶体微腔，可这种方法很难做到的微腔光功能的集成并且制得的微腔难以小型化（尺寸几十到几微米）。

近年来，飞秒激光脉冲具有极短的脉冲宽度和极高的峰值功率，与物质相互作用时呈现出很强的非线性效应。它的多光子吸收机制可用来加工长脉冲无法加工的透明介质。由于飞秒脉冲作用时间极短，热效应非常小,因而大大提高了加工精度。利用飞秒激光直写技术，可以在透明材料内部实现三维立体微纳加工。利用飞秒激光微加工技术可以制备出基于聚合物的回音壁模式微腔（参见文献2：Z.-P.Liu,Y.Li,et al.,Applied Physics Letters,Vol.97,P211105,2010）。后来，利用飞秒微加工技术又可在透明材料（比如熔融石英）上成功制作出三维的高品质光学微腔（参见文献3：Jintian,Lin,et al.,Opt.EXPRESS,23April2012/Vol.20,No.9），但这种方法只局限于那些能被二氧化碳激光回流的玻璃介质材料，其原理是利用材料在其融融状态下的表面张力将其表面变光滑。相对于玻璃，晶体材料由于具有很高的非线性系数、极低的本征材料损耗以及耐久性和稳定性而被认为是更有吸引力的衬底。但回流技术对晶体不适用，比如说有些晶体对二氧化碳光束不吸收；而对它吸收的晶体由于迅速加热和冷却则会在内部生成无定向微晶，从而产生散射中心，这会大大影响晶体微腔的Q值。如何寻找一种合适的方案在晶体材料上制备三维的回音壁模式微腔是目前微腔光子学领域面临的重要问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服现有的飞秒激光微加工技术只能在可被回流的玻璃以及聚合物上制备微腔的局限性，提供一种三维晶体光学回音壁模式微腔的制备方法，该方法制备的三维光学回音壁模式的晶体微腔具有很高品质因子、耐用性好以及可应用材料广泛等优点。

本发明的技术方案如下：

一种三维晶体光学回音壁微腔的制备方法，其特点在于包括下列步骤：

1）飞秒激光烧蚀：

①所述的回音壁模式光学微腔由微盘和小支柱构成的对称结构，结构由设计确定：所述的小支柱直径为d、小支柱的高度为h、微盘的直径为D；微盘的厚度为T，激光烧蚀区最大直径为MD；

②将晶体固定在装有液体的样品槽中，液面低于晶体的上表面，然后将所述的样品槽固定在三维位移平台上，通过显微物镜将飞秒激光垂直聚焦在所述的晶体的下表面；

③预先对所述三维位移平台的运动进行编程，按编程驱动所述的三维位移平台做水平圆周远动，飞秒激光从晶体的下表面开始烧蚀，改变三维位移平台的中心轴与所述的飞秒激光光轴的距离，以改变所述的飞秒激光圆周烧蚀区域的直径，从微盘直径D外到激光烧蚀区最大直径MD之间的环形区域，烧蚀一层后，利用程序驱动所述的三维位移平台的上下运动，使烧蚀点保持在晶体与液体的接触面上；晶体与液体接触面上的液体在飞秒激光的作用下产生气泡，激光烧蚀晶体产生的碎屑被所述的气泡带走；同理烧蚀多层，得到具有厚度为T的微盘；

④然后再次改变三维位移平台的中心轴与所述的飞秒激光光轴的距离，使烧蚀区域到达小支柱直径d的边缘，经过多层烧蚀得到小支柱结构；当小支柱的高度达到h后，上述的三维位移平台的运动和飞秒激光烧蚀同步结束，得到一个晶体微腔；

⑤重复上述步骤②～④，在一个晶体上制备多个晶体微腔；

2）聚焦离子束侧壁研磨：

①将具有多个晶体微腔的晶体是上表面镀一层15～25nm的金薄膜；

②将镀膜后的晶体放入聚焦离子束系统的样品台上，调整样品台的方向使晶体的上表面正对离子束流方向，在离子束成像系统实时监控下，先用大束流的离子束对微腔的侧壁进行粗磨，粗磨后的侧壁粗糙度为亚微米量级；

③用小束流的离子束在微腔的侧壁进行细磨，经过细磨后的侧壁粗糙度为几纳米量级；得到侧壁光滑、高Q值的晶体微腔。

与现有技术相比较，本发明的优点在于：

1、突破了飞秒激光微加工技术只能制备基于聚合物和可被回流的玻璃的光学回音壁模式微腔的瓶颈，本发明可在晶体材料上制作三维高品质微腔，拓宽了衬底的种类；

2、微腔的侧面非常光滑：经过飞秒激光烧蚀后得到的微盘，边缘比较粗糙，而利用聚焦离子束研磨后明显改善了边缘的粗糙度，使得微腔的侧缘变得极为光滑，保证了高的品质因子；

3、利用激光的选择性烧蚀可以制备任意形状的三维结构图形，这为芯片的功能集成提供了一个有效的方法。

4、飞秒激光烧蚀允许对微盘的尺寸、支柱的高度进行自由选择，后续的聚焦离子束研磨还可以通过控制研磨条件实现对微腔尺寸的再次调整（主要是减少尺寸），这样就很方便在同一透明衬底上集成多个不同高度、不同尺寸的微腔。

附图说明

图1是本发明三维晶体光学回音壁模式微腔制备方法的流程示意图

图2是晶体样品上经过聚焦离子束研磨前后的三维光学回音壁模式微腔的显微图像

具体实施方式

下面通过实例和附图对本发明做进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明利用飞秒激光制备高品质因子的三维晶体微腔的方法流程示意图，现以氟化钙晶体为例来说明本发明方法，由图可见，本发明利用飞秒激光制备晶体微腔的方法，包括如下两步：

1）飞秒激光烧蚀：

设计小支柱直径40μm、微盘的直径100μm；小支柱的高度20μm，微盘的厚度10μm，激光烧蚀区最大直径为180μm；

将规格为10mm*5mm*1mm且上下表面抛光的氟化钙晶体用无水乙醇清洗上下表面，并将该晶体固定在装有去离子水的样品槽7中，水面低于晶体的上表面，然后将该样品槽7固定在三维位移平台上，通过显微物镜将飞秒激光垂直聚焦在所述的晶体的下表面，飞秒激光的脉宽约为40fs，频率1kHz，中心波长为800nm，物镜的数值孔径为0.9；

预先对所述三维位移平台的运动进行编程，按编程驱动所述的三维位移平台在水平面上做圆周远动，飞秒激光从晶体的下表面开始烧蚀，改变三维位移平台的中心轴与所述的飞秒激光光轴的距离，以改变所述的飞秒激光圆周烧蚀区域的范围，从微盘直径100μm外到激光烧蚀区最大直径180μm之间的环形区域，烧蚀一层后，利用程序驱动三维位移平台的上下运动使烧蚀点保持在晶体与液体的接触面上；

同理烧蚀多层，得到微盘的厚度为10μm；然后再次改变三维位移平台的中心轴与所述的飞秒激光光轴的距离使烧蚀区域到达小支柱直径40μm的边缘，经过多层烧蚀得到小支柱结构。当小支柱的高度达到20μm后，上述的三维位移平台的运动和飞秒激光烧蚀同步结束，得到晶体微腔。

2）聚焦离子束研磨：

在由1）得到的含有微盘5结构的晶体上表面镀一层约20nm厚的金薄膜，然后将镀膜后的晶体其放入聚焦离子束系统的样品室中，调整样品台方向使的上表面正对离子束方向，先用离子束流为30nA的离子束对样品侧壁进行粗磨，然后用离子束流为16nA的离子束对微盘侧壁进行精细研磨，最终得到侧壁光滑的晶体微腔直径约为90μm。在上述过程中用离子束成像系统实时监控研磨过程。

本发明方法适用于各种晶体、不可被回流的玻璃等衬底材料，利用飞秒激光制备三维晶体光学回音壁模式微腔时，只要对不同材料选择不同的飞秒激光烧蚀功率以及不同大小的离子束流即可。

Claims (1)

1.一种三维晶体光学回音壁微腔的制备方法，其特征在于包括下列步骤：

(1)飞秒激光烧蚀：

①所述的回音壁模式光学微腔由微盘和小支柱构成的对称结构，结构由设计确定：所述的小支柱直径为d、小支柱的高度为h、微盘的直径为D；微盘的厚度为T，激光烧蚀区最大直径为MD；

②将晶体固定在装有液体的样品槽中，液面低于晶体的上表面，然后将所述的样品槽固定在三维位移平台上，通过显微物镜将飞秒激光垂直聚焦在所述的晶体的下表面；

③预先对所述三维位移平台的运动进行编程，按编程驱动所述的三维位移平台做水平圆周远动，飞秒激光从晶体的下表面开始烧蚀，改变三维位移平台的中心轴与所述的飞秒激光光轴的距离，以改变所述的飞秒激光圆周烧蚀区域的直径，从微盘直径D外到激光烧蚀区最大直径MD之间的环形区域，烧蚀一层后，利用程序驱动所述的三维位移平台的上下运动，使烧蚀点保持在晶体与液体的接触面上；晶体与液体接触面上的液体在飞秒激光的作用下产生气泡，激光烧蚀晶体产生的碎屑被所述的气泡带走；同理烧蚀多层，得到具有厚度为T的微盘；

④然后再次改变三维位移平台的中心轴与所述的飞秒激光光轴的距离，使烧蚀区域到达小支柱直径d的边缘，经过多层烧蚀得到小支柱结构；当小支柱的高度达到h后，上述的三维位移平台的运动和飞秒激光烧蚀同步结束，得到一个晶体微腔；

⑤重复上述步骤②～④，在晶体上制备多个晶体微腔；

(2)聚焦离子束侧壁研磨：

⑥将具有多个晶体微腔的晶体上表面镀一层15～25nm的金薄膜；

⑦将镀膜后的晶体放入聚焦离子束系统的样品台上，调整样品台的方向使晶体的上表面正对离子束流方向，在离子束成像系统实时监控下，先用大束流的离子束对微腔的侧壁进行粗磨，粗磨后的侧壁粗糙度为亚微米量级；

⑧用小束流的离子束在微腔的侧壁进行细磨，经过细磨后的侧壁粗糙度为几纳米量级；得到侧壁光滑、高Q值的晶体微腔。