CN106772721B - 一种高品质因子回音壁模微球腔的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种高品质因子回音壁模微球腔的制备方法，涉及光学谐振腔。包括以下步骤：1)将毫米级石英玻璃棒固定在旋转电机上；2)将毫米级石英玻璃棒顶端用CO2激光器剥蚀至所需微球腔大小的尺度，得微米级石英玻璃棒；3)用CO2激光器烧蚀掉微米级石英玻璃棒顶端多余的长度，再加热微米级石英玻璃棒，得原始回音壁模微腔；4)提高CO2激光器的输出功率，短时间灼烧原始回音壁模微腔，受热的微腔在表面张力的作用下自然形成球状，得到高品质因子回音壁模微球腔。可得到柱上微球腔，稳定性更好；可制备尺寸为190～700μm的微球腔，且品质因子高达108以上。

Description

一种高品质因子回音壁模微球腔的制备方法
技术领域
本发明涉及光学谐振腔，尤其是涉及一种高品质因子回音壁模微球腔的制备方法。
背景技术
微球腔因其具有超高的品质因子(通常在108以上)、丰富的回音壁模式、极小的模式体积等特点而被广泛应用于线性光学、非线性光学以及光学传感等领域的研究。如文献“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)”在实现激射的基础上进一步得到了宽度约为230nm的光频梳(optical frequency combs，OFCs)。
制作微球腔的方法有很多种。传统上，常采用光刻蚀方法来制作固相微腔，但这种方法工艺复杂，成本昂贵。还有用CO2激光器烧蚀石英光纤的末端来获得微球腔，如文献“L.Collot,V.Lefevre-Seguin，M.Brune，J.M.Raimond and S.Haroche,Europhys.Lett.23(5)，pp.327-334(1993)”，这种方法制备的微球腔通常直径在200μm以内，且尺寸难以控制，无法满足实验的需要；而且，由于微球腔是和光纤的末端相连，这种结构具有不稳定性，使得实验条件容易被外界环境所影响，实验现象具有偶然性。文献“F.Lissillour.L’effetlaser 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)”采用微波等离子体火靶技术通过加热熔化石英粉末得到微球腔，这种方法制备微球的优点是快速、方便且能够批量生产，但是得到的微球腔尺寸较小(直径为60～160μm)，且不能直接用于实验，需要进行微球的固定过程。
发明内容
本发明的目的是提供工艺简单、尺寸可控的一种高品质因子回音壁模微球腔的制备方法。
本发明包括以下步骤：
1)将毫米级石英玻璃棒固定在旋转电机上；
2)将毫米级石英玻璃棒顶端用CO2激光器剥蚀至所需微球腔大小的尺度，得微米级石英玻璃棒；
3)用CO2激光器烧蚀掉微米级石英玻璃棒顶端多余的长度，再加热微米级石英玻璃棒，得原始回音壁模微腔；
4)提高CO2激光器的输出功率，短时间灼烧原始回音壁模微腔，受热的微腔在表面张力的作用下自然形成球状，得到高品质因子回音壁模微球腔。
在步骤1)中，所述毫米级石英玻璃棒可采用超纯、羟基含量＜5ppm的石英玻璃棒。所述旋转电机的转速可为1000～60000r/min。
在步骤2)中，所述将毫米级石英玻璃棒顶端用CO2激光器剥蚀至所需微球腔大小的尺度可在二维精密步进电机帮助下，将毫米级石英玻璃棒顶端用CO2激光器剥蚀至所需微球腔大小的尺度，首先确定需要回音壁模微球腔的尺寸，然后根据所需尺寸将毫米级玻璃棒剥蚀至对应尺度；所述CO2激光器的输出功率可为7.5～8.75W。
在步骤3)中，所述烧蚀掉微米级石英玻璃棒顶端多余的长度可利用高温下玻璃材质的气化现象；烧蚀过程中CO2激光器的输出功率可为3.75W；所述再加热微米级石英玻璃棒的过程中CO2激光器的输出功率可为1.25～2W。
在步骤4)中，所述提高CO2激光器的输出功率可提高至2.5～3W。
与现有技术相比，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0.25～25W，功率调节精度为0.5％。本发明可得到柱上微球腔，稳定性更好；本发明可制备尺寸为190～700μm的微球腔，且品质因子高达108以上。
附图说明
图1为高品质因子回音壁模微球腔的制备装置原理图。
图2为高品质因子回音壁模微球腔的制备流程图。
图3为本发明实施例1(直径约为300μm)的高品质因子回音壁模微球腔的实物图。
图4为本发明实施例2(直径约为400μm)的高品质因子回音壁模微球腔的实物图。
图5为本发明实施例1(直径约为300μm)的高品质因子回音壁模微球腔的品质因子测试图，通过计算可知，该回音壁模微球腔在1550nm波长附近的品质因子约为3×108。
图6为本发明实施例2(直径约为400μm)的高品质因子回音壁模微球腔的品质因子测试图，通过计算可知，该回音壁模微球腔在1550nm波长附近的品质因子约为2.2×108。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
图1给出高品质因子回音壁模微球腔的制备装置原理图，其中红光激光器8、第一反射镜9、第二反射镜10、聚焦透镜6用于调节优化光路，且聚焦透镜6固定在二维精密步进电机上。将毫米级石英玻璃棒1固定在高速旋转电机7上；在二维精密步进电机帮助下，将毫米级石英玻璃棒1顶端用CO2激光器5剥蚀至所需微球腔大小的尺度，进而得到微米级石英玻璃棒2；用CO2激光器5烧蚀掉微米级石英玻璃棒2顶端多余的长度。小功率下加热微米级石英玻璃棒，得到原始回音壁模微腔3；提高CO2激光器5的输出功率，短时间灼烧原始回音壁模微腔3，受热的微腔在表面张力的作用下自然形成球状进而得到高品质因子回音壁模微球腔4。
实施例1
图2为本发明高品质因子回音壁模微球腔的基本工艺流程，包括以下步骤：
第一步，将毫米级石英玻璃棒固定在高速旋转电机上，电机的转速范围为1000～60000r/min。利用准直激光器(本发明用的是红光激光器)调节聚焦透镜与石英玻璃棒之间的距离，使焦点落在石英玻璃棒上；
第二步，设置高速旋转电机的转速为30000r/min。设置二维精密步进电机的运行距离和运行速度。运行距离设置为2mm，也即毫米级石英玻璃棒顶端被剥蚀长度为2mm；运行速度设置为1mm/s。确定所需微球腔的尺寸，如直径300μm。CO2激光器的输出功率约为7.5～8.75W。在二维精密步进电机帮助下，CO2激光器将毫米级石英玻璃棒顶端剥蚀至直径约为310μm(比所需尺寸大一些，因为后续操作会使玻璃棒直径轻微变小)，进而得到微米级石英玻璃棒；
第三步，关闭二维精密步进电机自动运行程序，将CO2激光器的输出功率调至3.75W。手调二维精密步进电机，用CO2激光器烧蚀掉微米级石英玻璃棒顶端多余的长度，剩余长度约为400μm。然后，将CO2激光器的输出功率调至1.25～2W，小功率下加热微米级石英玻璃棒30s左右，得到原始回音壁模微腔；
第四步，提高CO2激光器的输出功率至2.5～3W，短时间灼烧原始回音壁模微腔，如一次灼烧时间0.5s后关闭CO2激光器，然后再次灼烧，重复多次(一般3～5次)，直至受热的微腔在表面张力的作用下自然形成球状，进而得到直径约300μm的高品质因子回音壁模微球腔。
实施例1(直径约为300μm)的高品质因子回音壁模微球腔的实物图参见图3，实施例1(直径约为300μm)的高品质因子回音壁模微球腔的品质因子测试图参见图5，通过计算可知，该回音壁模微球腔在1550nm波长附近的品质因子约为3×108。
实施例2
图2为本发明高品质因子回音壁模微球腔的基本工艺流程，包括以下步骤：
第一步，将毫米级石英玻璃棒固定在高速旋转电机上，电机的转速范围为1000-60000r/min。利用准直激光器(本发明用的是红光激光器)调节聚焦透镜与石英玻璃棒之间的距离，使焦点落在石英玻璃棒上；
第二步，设置高速旋转电机的转速为20000r/min。设置二维精密步进电机的运行距离和运行速度。运行距离设置为2mm，也即毫米级石英玻璃棒顶端被剥蚀长度为2mm；运行速度设置为1mm/s。确定所需微球腔的尺寸，如直径400μm。CO2激光器的输出功率约为7.5～8.75W。
在二维精密步进电机帮助下，CO2激光器将毫米级石英玻璃棒顶端剥蚀至直径约为410μm(比所需尺寸大一些，因为后续操作会使玻璃棒直径轻微变小)，进而得到微米级石英玻璃棒；
第三步，关闭二维精密步进电机自动运行程序，将CO2激光器的输出功率调至3.75W。手调二维精密步进电机，用CO2激光器烧蚀掉微米级石英玻璃棒顶端多余的长度，剩余长度约为500μm。然后，将CO2激光器的输出功率调至1.25～2W，小功率下加热微米级石英玻璃棒30s左右，得到原始回音壁模微腔；
第四步，提高CO2激光器的输出功率至2.5～3W，短时间灼烧原始回音壁模微腔，如一次灼烧时间0.5s后关闭CO2激光器，然后再次灼烧，重复多次(一般3～5次)，直至受热的微腔在表面张力的作用下自然形成球状，进而得到直径约400μm的高品质因子回音壁模微球腔。
实施例2(直径约为400μm)的高品质因子回音壁模微球腔的实物图参见图4，实施例2(直径约为400μm)的高品质因子回音壁模微球腔的品质因子测试图参见图6，通过计算可知，该回音壁模微球腔在1550nm波长附近的品质因子约为2.2×108。

Claims (8)

1.一种因子回音壁模微球腔的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)将毫米级石英玻璃棒固定在旋转电机上；
2)将毫米级石英玻璃棒顶端用CO2激光器剥蚀至所需微球腔大小的尺度，得微米级石英玻璃棒；
3)用CO2激光器烧蚀掉微米级石英玻璃棒顶端多余的长度，再加热微米级石英玻璃棒，得原始回音壁模微腔；
4)提高CO2激光器的输出功率，短时间灼烧原始回音壁模微腔，受热的微腔在表面张力的作用下自然形成球状，得到因子回音壁模微球腔。
2.如权利要求1一种因子回音壁模微球腔的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述毫米级石英玻璃棒采用超纯、羟基含量＜5ppm的石英玻璃棒。
3.如权利要求1一种因子回音壁模微球腔的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述旋转电机的转速为1000～60000r/min。
4.如权利要求1一种因子回音壁模微球腔的制备方法，其特征在于在步骤2)中，所述将毫米级石英玻璃棒顶端用CO2激光器剥蚀至所需微球腔大小的尺度是在二维精密步进电机帮助下，将毫米级石英玻璃棒顶端用CO2激光器剥蚀至所需微球腔大小的尺度，首先确定需要回音壁模微球腔的尺寸，然后根据所需尺寸将毫米级玻璃棒剥蚀至对应尺度；所述CO2激光器的输出功率为7.5～8.75W。
5.如权利要求1一种因子回音壁模微球腔的制备方法，其特征在于在步骤3)中，所述烧蚀掉微米级石英玻璃棒顶端多余的长度是利用高温下玻璃材质的气化现象。
6.如权利要求1一种因子回音壁模微球腔的制备方法，其特征在于在步骤3)中，烧蚀过程中CO2激光器的输出功率为3.75W。
7.如权利要求1一种因子回音壁模微球腔的制备方法，其特征在于在步骤3)中，所述再加热微米级石英玻璃棒的过程中CO2激光器的输出功率为1.25～2W。
8.如权利要求1一种因子回音壁模微球腔的制备方法，其特征在于在步骤4)中，所述提高CO2激光器的输出功率是提高至2.5～3W。
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