CN117102972A - 一种碟片型晶体回音壁腔的制备装置及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碟片型晶体回音壁腔的制备装置及制备方法，属于光学材料加工技术领域。包括加工小工具，加工小工具上表面设有用以加工晶体回音壁样品的凹槽，凹槽的槽底部曲率半径略小于晶体回音壁样品的半径，用于晶体回音壁腔的磨砂和抛光加工，晶体回音壁样品已完成铣磨成型；待磨砂、待抛光的晶体回音壁样品分别放置在加工小工具的凹槽内，晶体回音壁腔样品顶部垂直设置有固定其自身的样品固定杆，加工小工具底部通过传动轴连接有同轴电机；利用加工小工具对晶体回音壁腔进行细磨、粗抛和精抛，实现对晶体回音壁腔的加工。其使用方便，材料适用范围大，能够显著降低制备成本，缩短制备周期。
Description
技术领域
本发明涉及一种碟片型晶体回音壁腔的制备装置及制备方法，属于光学材料加工技术领域。
背景技术
近年来基于回音壁模式(Whispering Gallery Mode，WGM)的光学谐振腔具有极高的品质因数(Q值)、极小的模式体积、极窄的谱线宽度、工艺简单和可集成等特点而成为研究热点，被广泛地用于光的线性和非线性研究，例如光学滤波、非线性光学、腔量子电动力学、高灵敏度的传感探测、低阈值激光器等领域。近年来基于WGM模式的光学谐振腔在光学、生物医学、化学等诸多领域都展现出了较高的学术价值和广泛的应用前景，成为当前光学研究和应用领域的一个热点。
光学回音壁腔可采用多种材料制备而成，例如早期的液滴型光学回音壁腔，由于液体表面张力作用从而形成了极光滑的回音壁腔表面，因此可直接实现极高的Q值，但是，液滴作为光学回音壁腔在发展的过程中存在一些问题，液体蒸发速度快、尺寸和形状控制不好、形成的回音壁腔不稳定、实用性较低，极大地阻碍了基于液滴谐振型回音壁模式光学腔的实际应用。近年来，各种固态光学回音壁腔的制备技术得到了快速发展，如利用电极放电或CO2激光来熔融石英光纤或石英棒，可制备出微球型、微柱型、微泡型等不同类型的光学回音壁腔，这些制备方法工艺相对简单，能够在保证高Q值的同时实现回音壁腔的重复使用，使光学回音壁腔在各个领域的实际应用成为了可能。但基于电极放电或CO2激光熔融方式制备的回音壁腔形貌不易控制，此外容易产生复杂密集的模式光谱等问题，同时回音壁腔较小的体积也使其容易受到温度、振动等环境因素干扰，在实际应用中出现了一系列问题。最近几年，随着微纳加工、半导体芯片制备技术的发展，借助半导体CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)工艺的超高加工精度，以单晶硅等材料为基底材料，可制备出SiN，Si，SiO2，LiNbO3等波导型WGM光学回音壁腔。该类型回音壁腔可与片上其他光学原件实现高度集成化的芯片级光子器件，实现批量化生产，但其固有的材料损耗及制作工艺问题等决定了器件的品质因数(Q值)局限于104～107量级，较难实现超高Q值回音壁腔的制备，此外，目前CMOS工艺所需的设备和工艺复杂、投入成本极高，给其大规模应用带来了一定挑战。
相比于石英玻璃、硅等材料，光学晶体材料具有光学透过率高、透射光谱范围宽等良好的光学特性，是当前超高Q值光学回音壁谐振腔的理想材料之一。光学晶体回音壁腔以高光学质量晶体为材料，常见的如氟化物晶体(CaF2，MgF2等)、铌酸锂、蓝宝石等，通过光学精密加工方法能够在加工过程中精细控制回音壁谐振腔的表面形貌，实现纳米量级粗糙度的光滑表面。目前，晶体回音壁腔能够实现大于109的超高Q值，极高Q值使得晶体回音壁腔能够实现极强的场增强效应，通常腔内光功率密度相较入射光可提升几万至百万倍以上，因此晶体回音壁腔能够大幅度降低各类光学非线性效应的阈值；另一方面，晶体材料本征优异的热机械性能可以大幅度缓解晶体回音壁谐振腔内高功率密度下引起的热致不稳定性以及机械模式对光场的扰动，使晶体回音壁谐振腔在光学、物理、化学等诸多领域都展现出非常高的应用价值。目前超高Q值晶体回音壁腔的主要制备方法是使用单点金刚石超精密车床，在对机床和加工环境进行严格控制的条件下，利用金刚石刀具直接单点车削加工出纳米量级精度、符合一定光学质量要求的碟片型晶体回音壁腔，这种加工方法的优点可以对腔体的表面形貌进行精确控制，能够根据不同的需求来设计参数，但单点金刚石加工完成后晶体表面粗糙度大概在十到几十纳米量级，还无法实现大于109的超高Q值晶体回音壁腔制备，所以在车削加工完成后还需要进一步利用精密光学抛光的方法对回音壁腔体表面进行进一步加工，从而实现纳米量级低粗糙度的超高Q值晶体回音壁腔的制备。由于单点金刚石超精密车床价格十分昂贵，同时对加工环境有非常高的要求，这使得超高Q值碟片型晶体回音壁腔的制备门槛高，单个器件加工成本高昂，制约了其广泛应用。
发明内容
针对现有技术的不足，提供一种碟片型晶体回音壁腔的制备装置及制备方法，能够克服现有制备技术对设备和环境的高要求，同时降低加工成本，制备出具有低粗糙度和高品质因数(Q值)的碟片型晶体回音壁腔。
为实现上述技术目的，本发明的一种碟片型晶体回音壁腔的制备装置及制备方法，包括加工小工具，加工小工具上表面设有用以加工晶体回音壁样品的凹槽，凹槽的槽底部曲率半径略小于晶体回音壁样品的半径，用于晶体回音壁腔的磨砂和抛光加工，晶体回音壁样品已完成铣磨成型；待抛光的晶体回音壁样品设置在加工小工具的凹槽内，晶体回音壁腔样品顶部垂直设置有固定其自身的样品固定杆，加工小工具底部通过传动轴连接同轴电机。
进一步，加工小工具由不锈钢、黄铜、或铝合金制成；
一种碟片型晶体回音壁腔的制备装置的制备方法，其步骤如下：
首先对晶体回音壁腔样品进行铣磨成型；
成型后，将晶体回音壁腔样品通过固定杆置于加工小工具的凹槽内，加工小工具通过传动轴固定在同轴电机上，在加工小工具内依次更换不同粒径型号的金刚砂，开启同轴电机，通过传动轴带动加工小工具旋转，实现对回音壁腔进行细磨加工；
细磨加工完成后，取出金刚砂后在加工小工具的凹槽内壁涂覆抛光胶，然后利用金刚石微粉配置的抛光液对细磨后的晶体回音壁腔样品进行粗抛和精抛加工；
精抛完成后，利用去离子水、丙酮、无水乙醇对完成精抛加工的晶体回音壁腔样品进行清洗，最终得到低表面粗糙度的高品质因数碟片型晶体回音壁腔，高品质因数的Q值大于1012。
进一步，所述晶体回音壁腔样品为CaF2、MgF2、YAG、碳化硅、金刚石、蓝宝石。
进一步，所述的抛光胶由沥青和松香根据4:6配置，采用模压成型方式制备。
进一步，对回音壁腔进行细磨加工使用的金刚砂依次采用W14、W10、W7三种型号金刚砂进行打磨.
进一步，，将细磨后的晶体回音壁腔置于制备装置的加工小工具内，选择平均粒径为2μm的金刚石微粉配置的抛光液进行粗抛，去除晶体表面大的麻点和划痕等明显缺陷，同时抛光过程中选择同轴电机的转速为20-60r/min。
进一步，将粗抛后的晶体回音壁腔分别选择平均粒径约为1μm和0.5μm的金刚石微粉抛光液进行精抛，同时选择同轴电机的转速为10-50r/min，抛光过程中利用手动方式或者控制摆轴对晶体回音壁腔的抛光角度进行小幅度调整。
有益效果：
基于传统光学加工工艺，开发了一种碟片型晶体回音壁腔的制备装置及制备方法，能够制备出具有低表面粗糙度和高品质因数(Q值)的碟片型晶体回音壁腔。与目前主流的单点金刚石超精密车床加工方法不同，本发明利用制备装置中的加工小工具结合不同型号金刚砂等磨砂材料以及金刚石微粉等抛光材料对铣磨成型后的晶体回音壁谐振腔进行磨砂和精密光学抛光加工，克服了现有制备技术对设备和环境的高要求，对加工设备和操作人员技能要求低，对材料适用范围大，能够显著降低制备成本，缩短制备周期，有利于推动并实现高品质因数晶体回音壁腔在光学非线性研究、超窄线宽光源、高精度传感、光电对抗等领域各个领域的应用。
附图说明
图1为本发明制备装置的结构示意图。
图2为本发明实施例中制备的MgF2晶体回音壁腔与粗糙度测量结果图；图a为加工好的MgF2晶体回音壁腔实物图；图b为白光干涉仪下的晶体回音壁腔干涉图；图c为表面粗糙度数据。
附图标记：1.加工小工具，2.传动轴，3.同轴电机，4.固定杆，5.晶体回音壁样品。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
为获得低粗糙度且具有高品质因数(Q值)的晶体回音壁腔，本发明提供了一种碟片型晶体回音壁腔的制备装置及制备方法，包括以下步骤：
所述制备装置包括加工小工具1、传动轴2、同轴电机3、样品固定杆4，所述加工小工具1是一种基于黄铜的凹槽型加工工具，槽底部曲率半径略小于晶体回音壁腔材料的半径，用于晶体回音壁谐振腔的磨砂和抛光加工过程；
将晶体回音壁腔材料5进行铣磨成型；
将铣磨成型后的晶体回音壁腔通过固定杆4置于制备装置的加工小工具1内，加工小工具1通过传动轴2固定在同轴电机3上，在加工小工具内1依次采用W14、W10、W7三种型号金刚砂对回音壁腔进行细磨加工；
将细磨加工后的晶体回音壁腔进行清洗并干燥；
将由沥青和松香比例为4:6配置的抛光胶涂覆在制备装置中加工小工具1的凹槽内壁，抛光胶采用模压成型方式制备，涂覆抛光胶后凹槽底部曲率半径略小于晶体回音壁腔体半径；
将细磨后的晶体回音壁腔置于制备装置的加工小工具1内，选择平均粒径为2μm的金刚石微粉配置的抛光液进行粗抛，去除晶体表面大的麻点和划痕等明显缺陷，同时抛光过程中选择同轴电机3的转速为20-60r/min；
将粗抛后的晶体回音壁腔分别选择平均粒径约为1μm和0.5μm的金刚石微粉抛光液进行精抛，同时选择同轴电机3的转速为10-50r/min，抛光过程中利用手动方式或者控制摆轴对晶体回音壁腔的抛光角度进行小幅度调整；
将精抛后的晶体回音壁腔利用去离子水、丙酮、无水乙醇至少清洗3次，最终得到低表面粗糙度和高品质因数Q值的碟片型晶体回音壁腔。
实施例1
本实施例的碟片型晶体回音壁腔为MgF2。
首先准备MgF2晶体5，晶体直径5.5mm，晶体厚度0.8mm；对晶体进行铣磨加工成型，其中铣磨过程中每次进刀量约0.02mm，晶体加工后的中心厚度及精度控在±0.1mm。但不限于此，本领域的技术人员，可以根据实际情况，对铣磨过程中的进刀量进行合理的调整，避免在铣磨过程中由于晶体硬度相对较高而发生碎裂。
接着，将由黄铜制成的加工小工具1的表面加工凹槽，凹槽的直径为6mm，底部曲率半径略小于晶体回音壁腔体半径。将MgF2晶体回音壁腔5通过固定杆4置于制备装置的加工小工具1内，然后将加工小工具1固定在同轴电机3的传动轴2上，在加工小工具1内依次使用W14、W10、W7三种型号的金刚砂对MgF2晶体进行细磨，对细磨加工完成后的晶体回音壁腔清洗并干燥。但不限于此，本领域的技术人员，可以根据实际情况，对金刚砂的型号选择进行合理的调整。
接着，将由黄铜制成的加工小工具1的表面加工凹槽并于凹槽内壁涂覆抛光胶；涂覆抛光胶后凹槽直径为5.6mm，槽底部曲率半径略小于晶体回音壁腔体半径；凹槽内壁涂覆的抛光胶由沥青和松香比例为4:6配置，抛光胶采用模压成型方式制备。但不限于此，本领域的技术人员，可以根据抛光过程中温度、主轴速度等抛光条件和抛光要求不同，调整沥青和松香的比例来调控抛光胶的软硬度，从而进一步提高抛光效果；同时可以根据实际情况对抛光胶的制备方法进行合理的选择，以实现和晶体边缘轮廓较好的匹配。
接着，将细磨完成后的MgF2晶体回音壁腔5置于制备装置的加工小工具1内；根据晶体回音壁腔的大小和形状选择同轴电机3的转速为40r/min；在20-25℃的工作环境下，利用平均粒径为2μm的金刚石微粉配置的抛光液对细磨后的MgF2晶体回音壁腔5进行粗抛。
粗抛完成后，将MgF2晶体回音壁腔5分别依次利用平均粒径约为1μm和0.5μm的金刚石微粉配置的抛光液进行精抛，利用手动方式或者控制摆轴对MgF2晶体角度进行小幅度调整，其中调整主轴转速为20r/min。但不限于此，本领域的技术人员，在精抛过程中需要根据实际情况对主轴转速、温度、样品角度等条件进行合理的调整，同时由于抛光过程中可能引入的周期性结构，因此根据实际情况控制摆轴对晶体角度进行小幅度调整。
精抛完成后，将制备好的MgF2晶体回音壁腔5利用去离子水、丙酮、无水乙醇清洗5次，最终得到低表面粗糙度和具有极高Q值的碟片型MgF2晶体回音壁腔5，如图2a所示。利用白光干涉仪对制备好的晶体回音壁腔进行测试，图2b是在光学轮廓仪下得到的MgF2晶体回音壁腔5边缘白光干涉图像，从图中可以观察到清晰明显的干涉椭圆环，且椭圆环具有很大的长轴/短轴比，表明精抛后的MgF2晶体回音壁腔5具备较好的粗糙度水平，同时边缘曲率半径较小，有利于抑制高阶模式振荡。图2c是测量得到的粗糙度数据，经过对数据拟合处理，得到MgF2晶体回音壁腔5平均表面粗糙度Ra约为2.0nm。粗糙度测量结果表明，加工的MgF2晶体回音壁腔5具有良好的表面质量，理论可以实现的Q值大于1012。本发明提出的加工方法完全满足极高Q值晶体回音壁腔对加工质量的要求，并且降低了加工成本，提高了加工效率。
实施例2
本实施例的碟片型晶体回音壁腔为CaF2。
首先准备CaF2晶体5，晶体直径5.5mm，晶体厚度0.8mm；对晶体进行铣磨加工成型，其中铣磨过程中每次进刀量设为0.02mm，晶体加工后的中心厚度及精度要求在±0.1mm。但不限于此，本领域的技术人员，可以根据实际情况，对铣磨过程中的进刀量进行合理的调整，避免在铣磨过程中由于晶体硬度相对较高而发生碎裂。
接着，将由黄铜制成的加工小工具1的表面加工凹槽，凹槽的直径为6mm，底部曲率半径略小于晶体回音壁腔体半径。将CaF2晶体回音壁腔5通过固定杆4置于制备装置的加工小工具1内，然后将加工小工具1固定在同轴电机3的传动轴2上，在加工小工具1内依次使用W14、W10、W7三种型号的金刚砂对CaF2晶体进行细磨，对细磨加工完成后的晶体回音壁腔清洗并干燥。但不限于此，本领域的技术人员，可以根据实际情况，对金刚砂的型号选择进行合理的调整。
接着，将由黄铜制成的加工小工具1的表面加工凹槽并于凹槽内壁涂覆抛光胶；涂覆抛光胶后凹槽直径为5.6mm，底部曲率半径略小于晶体回音壁腔体半径；凹槽内壁涂覆的抛光胶由沥青和松香比例为4:6配置，抛光胶采用模压成型方式制备。但不限于此，本领域的技术人员，可以根据抛光过程中温度、主轴速度等抛光条件和抛光要求不同，调整沥青和松香的比例来调控抛光胶的软硬度，从而进一步提高抛光效果；同时可以根据实际情况对抛光胶的制备方法进行合理的选择，以实现和晶体边缘轮廓较好的匹配。
然后，将细磨完成后的CaF2晶体回音壁腔5置于制备装置的加工小工具1内，根据晶体回音壁腔的大小和形状选择同轴电机3的转速为60r/min；在20-25℃的工作环境下，利用平均粒径为2μm的金刚石微粉配置的抛光液对细磨后的CaF2晶体回音壁腔5进行粗抛。
然后，将粗抛后的CaF2晶体回音壁腔5分别利用平均粒径约为1μm和0.5μm的金刚石微粉配置的抛光液进行精抛，利用手动方式或者控制摆轴对CaF2晶体回音壁腔5抛光角度进行小幅度调整，其中调整主轴转速为25r/min。但不限于此，本领域的技术人员，在精抛过程中需要根据实际情况对主轴转速、温度、样品角度等条件进行合理的调整。
最后，将精抛完成后的CaF2晶体回音壁腔5利用去离子水、丙酮、无水乙醇对样品清洗3次，最终得到高Q值碟片型CaF2晶体回音壁腔。
综上实施例，本发明基于传统光学加工工艺，开发了一种碟片型晶体回音壁腔的制备装置及制备方法，能够制备出具有低表面粗糙度和高品质因数Q值的碟片型晶体回音壁腔。与目前主流的单点金刚石超精密车床加工方法不同，本发明利用制备装置中的小工具结合不同型号金刚砂等磨砂材料以及金刚石微粉等抛光材料对铣磨成型后的晶体回音壁腔进行磨砂和精密光学抛光加工，克服了现有制备技术对设备和环境的高要求，对加工设备和操作人员技能要求低，对材料适用范围大，能够显著降低制备成本，缩短制备周期，有利于推动并实现高品质因数晶体回音壁腔在各个领域的应用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种碟片型晶体回音壁腔的制备装置，其特征在于：包括加工小工具(1)，加工小工具(1)上表面设有用以加工晶体回音壁样品(5)的凹槽，凹槽的槽底部曲率半径略小于晶体回音壁样品(5)的半径，用于晶体回音壁腔的磨砂和抛光加工，晶体回音壁样品(5)已完成铣磨成型；待抛光的晶体回音壁样品(5)设置在加工小工具(1)的凹槽内，晶体回音壁腔样品(5)顶部垂直设置有固定其自身的样品固定杆(4)，加工小工具(1)底部通过传动轴(2)连接有同轴电机(3)。
2.根据权利要求1所述的一种碟片型晶体回音壁腔的制备装置，其特征在于，加工小工具(1)由不锈钢、黄铜、或铝合金制成。
3.一种使用权利要求1所述碟片型晶体回音壁腔的制备装置的制备方法，其特征在于步骤如下：
首先对晶体回音壁腔样品(5)进行铣磨成型；
成型后，将晶体回音壁腔样品(5)通过固定杆(4)置于加工小工具(1)的凹槽内，加工小工具(1)通过传动轴(2)固定在同轴电机(3)上，在加工小工具(1)内依次更换不同粒径型号的金刚砂，开启同轴电机(3)，通过传动轴(2)带动加工小工具(1)旋转，实现对回音壁腔进行细磨加工；
细磨加工完成后，取出金刚砂后在加工小工具(1)的凹槽内壁涂覆抛光胶，然后利用金刚石微粉配置的抛光液对细磨后的晶体回音壁腔样品(5)进行粗抛和精抛加工；
精抛完成后，利用去离子水、丙酮、无水乙醇对完成精抛加工的晶体回音壁腔样品(5)进行清洗，最终得到低表面粗糙度的高品质因数碟片型晶体回音壁腔，高品质因数的Q值大于1012。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述晶体回音壁腔样品(5)为CaF2、MgF2、YAG、碳化硅、金刚石、蓝宝石材料。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述的抛光胶由沥青和松香根据4:6配置，采用模压成型方式制备。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，对回音壁腔进行细磨加工使用的金刚砂依次采用W14、W10、W7三种型号金刚砂进行打磨。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，将细磨后的晶体回音壁腔置于制备装置的加工小工具(1)内，选择平均粒径为2μm的金刚石微粉配置的抛光液进行粗抛，去除晶体表面大的麻点和划痕等明显缺陷，同时抛光过程中选择同轴电机(3)的转速为20-60r/min。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，将粗抛后的晶体回音壁腔分别选择平均粒径约为1μm和0.5μm的金刚石微粉抛光液进行精抛，同时选择同轴电机(3)的转速为10-50r/min，抛光过程中利用手动方式或者控制摆轴对晶体回音壁腔的抛光角度进行小幅度调整。
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