CN115464535A - 一种回音壁模式光学微型谐振腔制备装置及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种回音壁模式光学微型谐振腔制备装置及制备方法，制备装置包括同轴电机、样品传动轴、抛光台、抛光垫、以及盛装抛光液的抛光液滴管；制备方法是利用抛光液磨制样品直至样品的表面形貌达到既定的量化要求，制备的回音壁模式光学微型谐振腔，其固有品质因子与表面粗糙度均方根值负相关，且优于1010。本发明具有较大的普适性，尤其对于材料选择范围更大，谐振腔制备的成本也更低，也适用于修复回音壁模式光学微型谐振腔因表面受损(或受污染)而引起的谐振腔品质因子劣化效应。
Description
技术领域
本发明属于光学元器制备技术领域，具体涉及一种回音壁模式光学微型谐振腔制备装置及制备方法。
背景技术
回音壁模式光学微型谐振腔具有极小的模式体积和超高的品质因子，在非线性光学基础研究、微波光子学、光学传感、高稳定性频率参考等领域具有重要意义。目前，已有的回音壁模式光学微型谐振腔制备方法，主要通过电弧放电、火焰或激光熔融制备二氧化硅微型谐振腔，或通过单点金刚石车削制备材料硬度较低的微型谐振腔。
表面抛光虽然在上述制备方法中有所涉及，但未有明确的制备方案表明，仅通过表面抛光能够实现具有超高固有品质因子的回音壁模式光学微型谐振腔。同时，表面抛光受材料尺寸、硬度等固有参数的影响较小，成本较低。因此，有必要发展程式化的表面抛光技术方案，制备具有超高固有品质因子的回音壁模式光学微型谐振腔。
发明内容
为了解决上述问题，本发明在提供一种回音壁模式光学微型谐振腔制备装置及制备方法，
为了实现上述目的，本发明型采用以下技术方案：
一种回音壁模式光学微型谐振腔制备装置，包括同轴电机、样品传动轴、抛光台、抛光垫、以及盛装抛光液的抛光液滴管；其中样品传动轴与同轴电机安装在同一个水平面上，抛光垫放置在抛光台上，光学样品被夹持在样品传动轴上。
所述同轴电机类型包括气浮电机、轴承电机。
控制参量包括：同轴电机偏心率、转速、样品尺寸、材料硬度、抛光液颗粒度、抛光时间；
其中同轴电机偏心率须不大于0.1mm、转速可低于500转/分钟并保持不变、样品的尺寸直径为3-20mm、厚度为0.2-2mm，莫氏硬度小于9、使用统一颗粒度的抛光粉或者混合颗粒度的抛光粉、抛光时间多次循环进行。
一种回音壁模式光学微型谐振腔制备方法，利用抛光液磨制样品直至样品的表面形貌达到既定的量化要求，制备的回音壁模式光学微型谐振腔，其固有品质因子与表面粗糙度均方根值负相关，且优于1010。
所述制备方法包括如下步骤：
步骤1：将样品安装于样品传动轴；
步骤2：将样品传动轴安装于同轴电机上；
步骤3：选择抛光液颗粒度，制备抛光液；
步骤4：将抛光液匀速滴于抛光台上的抛光垫中；
步骤5：开启同轴电机，设置电机转速；
步骤6：调整抛光台的三维位移量，使抛光台上的抛光垫接近并接触样品外缘；
步骤7：设定时间长度，进行样品外缘抛光；
步骤8：重复步骤3-步骤7，依次完成样品的同轴初始化、外缘倒角、外缘粗抛光、外缘精细抛光；
步骤9：样品清洗，以及外缘的表面形貌表征；
步骤10：重复步骤8-步骤9，直至样品外缘的表面形貌达到既定的量化要求；
步骤11：搭建扫描激光光谱分析系统，测量光学微型谐振腔的品质因子。
在所述步骤8中，
同轴初始化和外缘倒角的操作为：控制抛光台，使抛光台上下前后移动，调整到合适的位置，使样品所受压力为30克左右，通过2000目的砂纸将样品形状磨削成与马达轴心同心的圆片，并磨削出V型倒角。磨削后样品外缘直径约为5毫米；
外缘粗抛光和精细抛光的操作为：采用不同颗粒度的抛光液进行多次抛光，首先对微腔进行抛光，消除磨削过程中出现的崩口和较大划痕；其次清洗微腔表面，更换新的抛光布和抛光液，再次对微腔进行抛光，消除上一颗粒度抛光过程中出现的划痕；最后清洗微腔表面，更换新的抛光布和抛光液，最后对微腔进行抛光，使得微腔表面粗糙度可达纳米量级；
在所述步骤10中，样品外缘的表面形貌达到既定的量化要求为样品的表面粗糙度均方根值达到1-nm量级，谐振腔整体圆度优于95％。
在所述步骤11中，激光扫描光谱分析系统包括：窄线宽可调谐激光器、激光功率调节器、光纤偏振控制器、锥型光纤、光电探测器、示波器，对于测得的谐振腔信号，对比理论模型进行数据拟合，拟合后获得谐振腔的固有品质因子和耦合品质因子，并以此计算负载品质因子。
谐振腔信号的理论表达式为：
其中：
式中erf(z)为误差函数。Vs为激光频率扫描速率，κ为谐振腔的总体损耗率，κe为耦合损耗率，s0是激光幅度，δ0是初始频率失谐量。
样品外缘表面形貌表征包括表面粗糙度分布、粗糙度均方根值和样品圆度；品质因子包括固有品质因子、耦合品质因子和负载品质因子。
制备工序完成后，通过酒精与无尘纸将微腔表面残余抛光料擦拭干净，通过白光干涉轮廓仪观察微腔表面无残留时，通过干涉式轮廓提取品外缘表面形貌表征信息；然后测试微腔品质因子，将扫频激光耦合进入制作出的微腔腔体中，再耦合出腔体来得到透射谱，对透射谱中的曲线进行拟合，便可得出该微腔的品质因子。得出的谐振腔固有品质因子与表面粗糙度均方根值负相关，且优于1010。
与现有技术相比，本发明具有以下优势：
1.本发明具有较大的普适性，尤其对于材料选择范围更大，谐振腔制备的成本也更低。
2.，本发明提出的方案也适用于修复回音壁模式光学微型谐振腔因表面受损(或受污染)而引起的谐振腔品质因子劣化效应。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明示出的微腔磨削抛光装置示意图；
图2为本发明磨削抛光过程中晶体薄片形状变化示意图；
图3为本发明中制备高品质因子回音壁模式微腔实物图；
图4为本发明中高品质因子回音壁模式微腔粗糙度；
图5为本发明中高品质因子回音壁模式微腔圆度表征；
图6为本发明中微腔透射谱测试系统图；
图7为本发明中回音壁模式微腔透射谱中衰荡曲线拟合图；
图中，1-同轴电机；2-样品传动轴；3-抛光台；4-抛光垫；5-抛光液滴管。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进一步的说明，但不应就此理解为本发明所述主题的范围仅限于以下的实施例，在不脱离本发明上述技术思想情况下，凡根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种修改、替换和变更，均包括在本发明的范围内。
参照图1-7，一种回音壁模式光学微型谐振腔制备装置，其特征在于：制备装置包括同轴电机1、样品传动轴2、抛光台3、抛光垫4、以及盛装抛光液的抛光液滴管5；其中样品传动轴2与同轴电机1安装在同一个水平面上，抛光垫4放置在抛光台3上，光学样品被夹持在样品传动轴2上。
所述同轴电机1类型包括气浮电机、轴承电机。
控制参量包括：同轴电机偏心率、转速、样品尺寸、材料硬度、抛光液颗粒度、抛光时间；
其中同轴电机偏心率须不大于0.1mm、转速可低于500转/分钟、样品的尺寸直径为3-20mm、厚度为0.2-2mm，莫氏硬度小于9、使用统一颗粒度的抛光粉或者混合颗粒度的抛光粉、抛光时间多次循环进行。
一种回音壁模式光学微型谐振腔制备方法，利用抛光液磨制样品直至样品的表面形貌达到既定的量化要求，制备的回音壁模式光学微型谐振腔，其固有品质因子与表面粗糙度均方根值负相关，且优于1010。
图1中，根据步骤1和步骤2将直径为10毫米，厚度为1毫米，材料纯度为99.99％的氟化镁晶体薄片，使用紫外固化胶固定在样品传动轴2上，让后将样品传动轴2夹持在马达轴承上，打开马达开关，给定转速为500转/分钟，测试马达与样品传动轴2的同心度.
图2中过程2，控制抛光台3，使抛光台3上下前后移动，调整到合适的位置，使晶体薄片所受压力为30克左右，通过2000目的砂纸将晶体薄片磨削成与马达轴心同心的圆片，并磨削出V型倒角。磨削后晶体薄片外缘直径约为5毫米。
根据步骤3，制备三种不同颗粒度的抛光液，即1300纳米，250纳米，50纳米。
图2中过程3，根据步骤4-8，采用不同颗粒度的抛光液进行多次抛光。首先，设置马达转速为500转/分钟，使用1300纳米颗粒度的抛光液对微腔进行抛光，在微腔两侧分别抛光15-25分钟，消除磨削过程中出现的崩口和较大划痕；其次，清洗微腔表面，更换新的抛光布，设置马达转速为300转/分钟，使用250纳米颗粒度的抛光液对微腔进行抛光，在微腔两侧分别抛光10-15分钟，消除上一颗粒度抛光过程中出现的划痕；再次清洗微腔表面，更换抛光布和50纳米颗粒度的抛光液，设置马达转速为300转/分钟，在微腔两侧分别抛光5-10分钟，即对微腔进行最终抛光，此时微腔表面粗糙度可达纳米量级，抛光完成的微腔如图3。
图3中，根据步骤9-10，将微腔表面残余抛光料清理掉，即通过酒精与无尘纸将微腔表面残余抛光料轻轻擦拭干净，通过白光干涉轮廓仪观察微腔表面，当表面无明显残留时制备工序完成；该步骤记录了轮廓仪所采集微腔表面粗糙度如图4，平均粗糙度为3.5纳米，采用干涉式轮廓仪也可提取微腔外缘的曲率信息，绕微腔外缘一周测得曲率分布如图5，分析该数据得出，微腔的圆度达到98.7％根据步骤11，测试微腔品质因子；制作出的微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，对透射谱中的曲线进行拟合即可得出该微腔的品质因子。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腔测试其品质因子。在本实例中，锥形光纤波导和微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与微腔之间的耦合间隙，将光耦合进入微腔，测试系统如图6，激光经过光衰减器和偏振控制器之后，通过锥形光纤耦合到微腔中，通过示波器获得透射谱。品质因子的测试采用锥形光纤将扫频激光耦合进入微腔中测试透射谱的方法，对于超高品质因子微腔，透射谱一般呈不对称的衰荡线型。
根据发明内容，对透射谱中的衰荡曲线进行理论公式拟合，获得微腔的固有光子寿命和耦合光子寿命，从而得到精确的品质因子。图7为微腔中某一谐振频率处实验测得的衰荡曲线以及理论拟合曲线。实验数据通过示波器数据采集并进了行归一化，拟合的重合度约为64％。根据曲线拟合可知该谐振频率处，微腔的固有品质因子为1.27×1010。
以上对本发明所提供的一种回音壁模式光学微型谐振腔制备装置及制备方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的结构及工作原理进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求保护的范围内。
Claims (10)
1.一种回音壁模式光学微型谐振腔制备装置，其特征在于：制备装置包括同轴电机(1)、样品传动轴(2)、抛光台(3)、抛光垫(4)、以及盛装抛光液的抛光液滴管(5)；其中样品传动轴(2)与同轴电机(1)安装在同一个水平面上，抛光垫(4)放置在抛光台(3)上，光学样品被夹持在样品传动轴(2)上。
2.根据权利要求1所述的回音壁模式光学微型谐振腔制备装置，其特征在于：所述同轴电机(1)类型包括气浮电机、轴承电机。
3.根据权利要求1所述的回音壁模式光学微型谐振腔制备装置，其特征在于，控制参量包括：同轴电机偏心率、转速、样品尺寸、材料硬度、抛光液颗粒度、抛光时间；
其中同轴电机偏心率须不大于0.1mm、转速可低于500转/分钟并保持不变、样品的尺寸直径为3-20mm、厚度为0.2-2mm，莫氏硬度小于9、使用统一颗粒度的抛光粉或者混合颗粒度的抛光粉、抛光时间多次循环进行。
4.一种回音壁模式光学微型谐振腔制备方法，其特征在于：利用抛光液磨制样品直至样品的表面形貌达到既定的量化要求，制备的回音壁模式光学微型谐振腔，其固有品质因子与表面粗糙度均方根值负相关，且优于1010。
5.根据权利要求4所述的回音壁模式光学微型谐振腔制备方法，其特征在于：所述制备方法包括如下步骤：
步骤1：将样品安装于样品传动轴(2)；
步骤2：将样品传动轴安装于同轴电机(1)上；
步骤3：选择抛光液颗粒度，制备抛光液；
步骤4：将抛光液匀速滴于抛光台(3)上的抛光垫(4)中；
步骤5：开启同轴电机(1)，设置电机转速；
步骤6：调整抛光台(3)的三维位移量，使抛光台(3)上的抛光垫(4)接近并接触样品外缘；
步骤7：设定时间长度，进行样品外缘抛光；
步骤8：重复步骤3-步骤7，依次完成样品的同轴初始化、外缘倒角、外缘粗抛光、外缘精细抛光；
步骤9：样品清洗，以及外缘的表面形貌表征；
步骤10：重复步骤8-步骤9，直至样品外缘的表面形貌达到既定的量化要求；
步骤11：搭建扫描激光光谱分析系统，测量光学微型谐振腔的品质因子。
6.根据权利要求5所述的回音壁模式光学微型谐振腔制备方法，其特征在于：在所述步骤8中，
同轴初始化和外缘倒角的操作为：控制抛光台(3)，使抛光台上下前后移动，调整到合适的位置，使样品所受压力为30克左右，通过2000目的砂纸将样品形状磨削成与马达轴心同心的圆片，并磨削出V型倒角。磨削后样品外缘直径约为5毫米；
外缘粗抛光和精细抛光的操作为：采用不同颗粒度的抛光液进行多次抛光，首先对微腔进行抛光，消除磨削过程中出现的崩口和较大划痕；其次清洗微腔表面，更换新的抛光布和抛光液，再次对微腔进行抛光，消除上一颗粒度抛光过程中出现的划痕；最后清洗微腔表面，更换新的抛光布和抛光液，最后对微腔进行抛光，使得微腔表面粗糙度可达纳米量级。
7.根据权利要求5所述的回音壁模式光学微型谐振腔制备方法，其特征在于：在所述步骤10中，样品外缘的表面形貌达到既定的量化要求为样品的表面粗糙度均方根值达到1-nm量级，谐振腔整体圆度优于95％。
8.根据权利要求5所述的回音壁模式光学微型谐振腔制备方法，其特征在于：在所述步骤11中，激光扫描光谱分析系统包括：窄线宽可调谐激光器、激光功率调节器、光纤偏振控制器、锥型光纤、光电探测器、示波器，对于测得的谐振腔信号，对比理论模型进行数据拟合，拟合后获得谐振腔的固有品质因子和耦合品质因子，并以此计算负载品质因子。
谐振腔信号的理论表达式为：
其中：
式中erf(z)为误差函数。Vs为激光频率扫描速率，κ为谐振腔的总体损耗率，κe为耦合损耗率，s0是激光幅度，δ0是初始频率失谐量。
9.根据权利要求5所述的所述的回音壁模式光学微型谐振腔制备方法，其特征在于：样品外缘表面形貌表征包括表面粗糙度分布、粗糙度均方根值和样品圆度；品质因子包括固有品质因子、耦合品质因子和负载品质因子。
10.根据权利要求5所述的回音壁模式光学微型谐振腔制备装置及制备方法，其特征在于：制备工序完成后，通过酒精与无尘纸将微腔表面残余抛光料擦拭干净，通过白光干涉轮廓仪观察微腔表面无残留时，通过干涉式轮廓提取品外缘表面形貌表征信息；然后测试微腔品质因子，将扫频激光耦合进入制作出的微腔腔体中，再耦合出腔体来得到透射谱，对透射谱中的曲线进行拟合，便可得出该微腔的品质因子。得出的谐振腔固有品质因子与表面粗糙度均方根值负相关，且优于1010。
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2022
- 2022-09-13 CN CN202211109681.6A patent/CN115464535A/zh not_active Withdrawn
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