CN105158851B - 聚焦离子束刻蚀加工的光学回音壁微腔结构及方法 - Google Patents
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Abstract
一种聚焦离子束刻蚀加工的光学回音壁微腔结构，包括光纤，光纤的周向侧壁上设置有平面，平面上设置有两个环形槽，两个环形槽同圆心，两个环形槽的轴向深度相同；两个环形槽之间的实心部分形成一环形凸起，所述环形凸起的径向宽度小于纤芯直径；环形凸起与纤芯相交；所述纤芯在环形凸起轴向方向上的位置位于环形凸起的轴向跨度范围内；所述环形凸起即形成光学回音壁微腔结构。本发明的有益技术效果是：提出了一种新结构的在纤型光学回音壁微腔结构，该结构的传感灵敏度较高，同时降低了回音壁谐振腔中非线性光学现象的阈值。
Description
技术领域
本发明涉及一种在纤型光学回音壁微腔结构，尤其涉及一种聚焦离子束刻蚀加工的光学回音壁微腔结构及方法。
背景技术
光学回音壁微腔通过介质腔边界的连续全反射将光限制在谐振腔内，因而其具有超高品质因子和超小模式体积的特性，在超高灵敏度传感、非线性光学、腔量子电动力学以及超低阈值激光器等领域具有重要的应用前景。
目前，可形成光学回音壁模式的微腔包括微球、微盘和微环等结构；这些谐振腔结构一般采用机械研磨、表面张力和飞秒激光脉冲等方式制作；其中，采用机械研磨方式制作出的谐振腔，由于受限于机械研磨工艺的工艺条件，谐振腔尺寸较大，难以实现小型化、集成化；飞秒激光微加工对材料的选择性较低，但其加工的回音壁谐振腔的表面粗糙度达数十甚至数百纳米，其品质因数通常不高于103量级；另外，无源微腔的回音壁模式一般通过三种方式激发和收集：棱镜、侧边抛磨光纤和拉锥光纤，棱镜和侧边抛磨光纤激发回音壁模式的效率低于拉锥光纤，但拉锥光纤的直径要求小于2微米而且拉锥光纤易受污染和空气扰动影响，且以上三种激发光学回音壁模式的系统均是分离的，因此整个系统的紧凑性和稳定性较低。虽然通过精确控制二氧化碳激光器的能量和位置可将拉锥光纤和微腔熔接成一体，但这种方式破坏了微腔边界本身的对称性结构，从而降低其品质因子。
光学回音壁微腔集成化的研究是其实用化的必然要求，通过在微光纤或腐蚀过的光子晶体光纤以及经过腐蚀的极薄壁毛细管等结构中填充各种材料的微球可实现集成的光学回音壁微腔，但微球填充的工艺十分复杂且对微球的材质（主要包括折射率和透明带宽）和尺寸有选择性，寻找一种高度集成化而且制作过程简单的方法是目前光学回音壁微腔领域中面临的重要问题。
发明内容
针对背景技术中的问题，本发明提出了一种聚焦离子束刻蚀加工的光学回音壁微腔结构，包括光纤，其创新在于：所述光纤的周向侧壁上设置有平面，所述平面与光纤轴向平行，平面与光纤的纤芯之间留有间距；所述平面上设置有两个环形槽，环形槽的轴向与所述平面垂直，两个环形槽同圆心，两个环形槽的轴向深度相同；两个环形槽之间的实心部分形成一环形凸起，所述环形凸起的径向宽度小于纤芯直径；环形凸起与纤芯相交；所述纤芯在环形凸起轴向方向上的位置位于环形凸起的轴向跨度范围内；所述环形凸起即形成光学回音壁微腔结构。
现有技术中也存在通过在光纤上设置环形槽来形成光学回音壁微腔结构的技术方案，但其光纤上仅有一个环形槽，这种结构的光学回音壁微腔结构只能对光场进行单向限制，光场分布较为分散，这种光学回音壁微腔的传感灵敏度较低。另外，由于光场分布较为分散，其非线性现象的阈值较高，因此激发回音壁模式所需的泵浦光功率较高；采用本发明方案后，环形凸起的内外均存在空气界面，这就能够将光场限制在环形凸起这一狭小的空间内，大大提高灵敏度，并且由于光场分布较为集中，其非线性现象的阈值也相对较低，激发回音壁模式所需的光功率也较低。
基于前述方案，本发明还提出了一种聚焦离子束刻蚀加工光学回音壁微腔结构的方法，所述光学回音壁微腔结构如前所述，其中所涉及到的两个环形槽分别记为内环形槽和外环形槽；具体的加工方法为：
1）采用聚焦离子束在光纤的周向侧壁上切削出平面，所述平面与光纤轴向平行，平面与光纤的纤芯之间留有间距；
2）调节光纤和A方向的相对位置，使A方向与光纤上的平面垂直，且A方向与光纤相交；沿A方向发射聚焦离子束，并使聚焦离子束聚焦于平面上；
3）传动光纤在第一圆周方向上平动，光纤沿第一圆周方向平动时，聚焦离子束在光纤上形成的圆形轨迹与光纤的纤芯相交，且圆形轨迹位于光纤范围内；
4）光纤在第一圆周方向上平动了多圈后，控制光纤驻停，然后传动光纤向靠近聚焦离子束发射端的方向平移一定距离，然后继续传动光纤沿第一圆周方向平动；
5）按步骤4）中方式操作多次，直至内环形槽加工完成；
6）调节光纤和A方向的相对位置，使A方向与光纤上的平面垂直，并且使A方向与平面的交点位于内环形槽的外侧，所述交点记为A点；沿A方向发射聚焦离子束，并使聚焦离子束聚焦于平面上；
7）传动光纤在第二圆周方向上平动；所述第二圆周方向的圆心与第一圆周方向的圆心相同，第二圆周方向的半径为步骤6）中A点至所述圆心的距离；光纤沿第二圆周方向平动时，聚焦离子束在光纤上形成的圆形轨迹位于光纤范围内；
8）光纤在第二圆周方向上平动了多圈后，控制光纤驻停，然后传动光纤向靠近聚焦离子束发射端的方向平移一定距离，然后继续传动光纤沿第二圆周方向平动；
9）按步骤8）中方式操作多次，直至外环形槽加工完成。
本发明的有益技术效果是：提出了一种新结构的在纤型光学回音壁微腔结构，该结构的传感灵敏度较高，同时降低了回音壁谐振腔中非线性光学现象的阈值。
附图说明
图1、本发明的加工原理示意图；
图2、图1中光学回音壁微腔结构位置处的局部放大图；
图中各个标记所对应的名称分别为：光纤1、纤芯2、聚焦离子束3、环形凸起4、内环形槽5、外环形槽6。
具体实施方式
一种聚焦离子束刻蚀加工的光学回音壁微腔结构，包括光纤1，其创新在于：所述光纤1的周向侧壁上设置有平面，所述平面与光纤1轴向平行，平面与光纤1的纤芯之间留有间距；所述平面上设置有两个环形槽，环形槽的轴向与所述平面垂直，两个环形槽同圆心，两个环形槽的轴向深度相同；两个环形槽之间的实心部分形成一环形凸起，所述环形凸起的径向宽度小于纤芯直径；环形凸起与纤芯相交；所述纤芯在环形凸起轴向方向上的位置位于环形凸起的轴向跨度范围内；所述环形凸起即形成光学回音壁微腔结构。
一种聚焦离子束刻蚀加工光学回音壁微腔结构的方法，所述光学回音壁微腔结构包括光纤1，所述光纤1的周向侧壁上设置有平面，所述平面与光纤1轴向平行，平面与光纤1的纤芯之间留有间距；所述平面上设置有两个环形槽，环形槽的轴向与所述平面垂直，两个环形槽同圆心，两个环形槽的轴向深度相同；两个环形槽之间的实心部分形成一环形凸起，所述环形凸起的径向宽度小于纤芯直径；环形凸起与纤芯相交；所述纤芯在环形凸起轴向方向上的位置位于环形凸起的轴向跨度范围内；所述环形凸起即形成光学回音壁微腔结构；两个环形槽分别记为内环形槽和外环形槽；
其创新在于：按如下方法在光纤1上加工出光学回音壁微腔结构：
1）采用聚焦离子束在光纤1的周向侧壁上切削出平面，所述平面与光纤1轴向平行，平面与光纤1的纤芯之间留有间距；
2）调节光纤1和A方向的相对位置，使A方向与光纤1上的平面垂直，且A方向与光纤1相交；沿A方向发射聚焦离子束，并使聚焦离子束聚焦于平面上；
3）传动光纤1在第一圆周方向上平动，光纤1沿第一圆周方向平动时，聚焦离子束在光纤1上形成的圆形轨迹与光纤1的纤芯相交，且圆形轨迹位于光纤1范围内；
4）光纤1在第一圆周方向上平动了多圈后，控制光纤1驻停，然后传动光纤1向靠近聚焦离子束发射端的方向平移一定距离，然后继续传动光纤1沿第一圆周方向平动；
5）按步骤4）中方式操作多次，直至内环形槽加工完成；
6）调节光纤1和A方向的相对位置，使A方向与光纤1上的平面垂直，并且使A方向与平面的交点位于内环形槽的外侧，所述交点记为A点；沿A方向发射聚焦离子束，并使聚焦离子束聚焦于平面上；
7）传动光纤1在第二圆周方向上平动；所述第二圆周方向的圆心与第一圆周方向的圆心相同，第二圆周方向的半径为步骤6）中A点至所述圆心的距离；光纤1沿第二圆周方向平动时，聚焦离子束在光纤1上形成的圆形轨迹位于光纤1范围内；
8）光纤1在第二圆周方向上平动了多圈后，控制光纤1驻停，然后传动光纤1向靠近聚焦离子束发射端的方向平移一定距离，然后继续传动光纤1沿第二圆周方向平动；
9）按步骤8）中方式操作多次，直至外环形槽加工完成。
Claims (2)
1.一种聚焦离子束刻蚀加工的光学回音壁微腔结构，包括光纤（1），其特征在于：所述光纤（1）的周向侧壁上设置有平面，所述平面与光纤（1）轴向平行，平面与光纤（1）的纤芯之间留有间距；所述平面上设置有两个环形槽，环形槽的轴向与所述平面垂直，两个环形槽同圆心，两个环形槽的轴向深度相同；两个环形槽之间的实心部分形成一环形凸起，所述环形凸起的径向宽度小于纤芯直径；环形凸起与纤芯相交；所述纤芯在环形凸起轴向方向上的位置位于环形凸起的轴向跨度范围内；所述环形凸起即形成光学回音壁微腔结构。
2.一种聚焦离子束刻蚀加工光学回音壁微腔结构的方法，所述光学回音壁微腔结构包括光纤（1），所述光纤（1）的周向侧壁上设置有平面，所述平面与光纤（1）轴向平行，平面与光纤（1）的纤芯之间留有间距；所述平面上设置有两个环形槽，环形槽的轴向与所述平面垂直，两个环形槽同圆心，两个环形槽的轴向深度相同；两个环形槽之间的实心部分形成一环形凸起，所述环形凸起的径向宽度小于纤芯直径；环形凸起与纤芯相交；所述纤芯在环形凸起轴向方向上的位置位于环形凸起的轴向跨度范围内；所述环形凸起即形成光学回音壁微腔结构；两个环形槽分别记为内环形槽和外环形槽；
其特征在于：按如下方法在光纤（1）上加工出光学回音壁微腔结构：
1）采用聚焦离子束在光纤（1）的周向侧壁上切削出平面，所述平面与光纤（1）轴向平行，平面与光纤（1）的纤芯之间留有间距；
2）调节光纤（1）和A方向的相对位置，使A方向与光纤（1）上的平面垂直，且A方向与光纤（1）相交；沿A方向发射聚焦离子束，并使聚焦离子束聚焦于平面上；
3）传动光纤（1）在第一圆周方向上平动，光纤（1）沿第一圆周方向平动时，聚焦离子束在光纤（1）上形成的圆形轨迹与光纤（1）的纤芯相交，且圆形轨迹位于光纤（1）范围内；
4）光纤（1）在第一圆周方向上平动了多圈后，控制光纤（1）驻停，然后传动光纤（1）向靠近聚焦离子束发射端的方向平移一定距离，然后继续传动光纤（1）沿第一圆周方向平动；
5）按步骤4）中方式操作多次，直至内环形槽加工完成；
6）调节光纤（1）和A方向的相对位置，使A方向与光纤（1）上的平面垂直，并且使A方向与平面的交点位于内环形槽的外侧，所述交点记为A点；沿A方向发射聚焦离子束，并使聚焦离子束聚焦于平面上；
7）传动光纤（1）在第二圆周方向上平动；所述第二圆周方向的圆心与第一圆周方向的圆心相同，第二圆周方向的半径为步骤6）中A点至所述圆心的距离；光纤（1）沿第二圆周方向平动时，聚焦离子束在光纤（1）上形成的圆形轨迹位于光纤（1）范围内；
8）光纤（1）在第二圆周方向上平动了多圈后，控制光纤（1）驻停，然后传动光纤（1）向靠近聚焦离子束发射端的方向平移一定距离，然后继续传动光纤（1）沿第二圆周方向平动；
9）按步骤8）中方式操作多次，直至外环形槽加工完成。
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