[發明專利]三維晶體光學回音壁微腔的制備方法

有效

• 申請號: 201410002624.7
• 申請日: 2014-01-03
• 公開（公告）號: CN103738915A
• 公開（公告）日: 2014-04-23
• 發明（設計）人: 唐家雷;林錦添;程亞;何飛;喬玲玲
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海光學精密機械研究所
• 主分類號: B81C99/00
• 分類號: B81C99/00;B23K26/36;B23K26/00
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 張澤純

技術領域

本發明涉及飛秒激光加工，特別是一種三維晶體光學回音壁微腔的制備方法。

背景技術

光學回音壁微腔利用介質腔與周圍環境之間在腔的邊界處的連續全內反射把光長時間地限制在介質內，具有相當高的品質因子，在非線性光學，量子物理以及生物傳感中有著重要的應用。所述的光學回音壁微腔采用晶體材料，稱為晶體微腔，由于晶體本身的高純度、高折射率、高穩定性以及很高的線性和非線性系數，晶體微腔備受關注。盡管在無定型玻璃中可以制得Q值高達10⁹的微腔，由于晶體材料可以提供很好的光學特性，比如說強的二階非線性系數，很寬的透射窗口等，許多非線性光學效應只能在晶體微腔中實現。現階段，人們主要利用機械研磨的辦法制備晶體微腔（參考文獻1：A.A.Savchenkov,et?al,“Kilohertz?optical?resonances?in?dielectric?crystal?cavities,”Phys.Rev.A70(5),051804(R)(2004)）。雖然說用機械研磨可以得到很高Q值晶體微腔，可這種方法很難做到的微腔光功能的集成并且制得的微腔難以小型化（尺寸幾十到幾微米）。

近年來，飛秒激光脈沖具有極短的脈沖寬度和極高的峰值功率，與物質相互作用時呈現出很強的非線性效應。它的多光子吸收機制可用來加工長脈沖無法加工的透明介質。由于飛秒脈沖作用時間極短，熱效應非常小,因而大大提高了加工精度。利用飛秒激光直寫技術，可以在透明材料內部實現三維立體微納加工。利用飛秒激光微加工技術可以制備出基于聚合物的回音壁模式微腔（參見文獻2：Z.-P.Liu,Y.Li,et?al.,Applied?Physics?Letters,Vol.97,P211105,2010）。后來，利用飛秒微加工技術又可在透明材料（比如熔融石英）上成功制作出三維的高品質光學微腔（參見文獻3：Jintian,Lin,et?al.,Opt.EXPRESS,23April2012/Vol.20,No.9），但這種方法只局限于那些能被二氧化碳激光回流的玻璃介質材料，其原理是利用材料在其融融狀態下的表面張力將其表面變光滑。相對于玻璃，晶體材料由于具有很高的非線性系數、極低的本征材料損耗以及耐久性和穩定性而被認為是更有吸引力的襯底。但回流技術對晶體不適用，比如說有些晶體對二氧化碳光束不吸收；而對它吸收的晶體由于迅速加熱和冷卻則會在內部生成無定向微晶，從而產生散射中心，這會大大影響晶體微腔的Q值。如何尋找一種合適的方案在晶體材料上制備三維的回音壁模式微腔是目前微腔光子學領域面臨的重要問題。

發明內容

本發明要解決的技術問題在于克服現有的飛秒激光微加工技術只能在可被回流的玻璃以及聚合物上制備微腔的局限性，提供一種三維晶體光學回音壁模式微腔的制備方法，該方法制備的三維光學回音壁模式的晶體微腔具有很高品質因子、耐用性好以及可應用材料廣泛等優點。

本發明的技術方案如下：

一種三維晶體光學回音壁微腔的制備方法，其特點在于包括下列步驟：

1）飛秒激光燒蝕：

①所述的回音壁模式光學微腔由微盤和小支柱構成的對稱結構，結構由設計確定：所述的小支柱直徑為d、小支柱的高度為h、微盤的直徑為D；微盤的厚度為T，激光燒蝕區最大直徑為MD；

②將晶體固定在裝有液體的樣品槽中，液面低于晶體的上表面，然后將所述的樣品槽固定在三維位移平臺上，通過顯微物鏡將飛秒激光垂直聚焦在所述的晶體的下表面；

③預先對所述三維位移平臺的運動進行編程，按編程驅動所述的三維位移平臺做水平圓周遠動，飛秒激光從晶體的下表面開始燒蝕，改變三維位移平臺的中心軸與所述的飛秒激光光軸的距離，以改變所述的飛秒激光圓周燒蝕區域的直徑，從微盤直徑D外到激光燒蝕區最大直徑MD之間的環形區域，燒蝕一層后，利用程序驅動所述的三維位移平臺的上下運動，使燒蝕點保持在晶體與液體的接觸面上；晶體與液體接觸面上的液體在飛秒激光的作用下產生氣泡，激光燒蝕晶體產生的碎屑被所述的氣泡帶走；同理燒蝕多層，得到具有厚度為T的微盤；

④然后再次改變三維位移平臺的中心軸與所述的飛秒激光光軸的距離，使燒蝕區域到達小支柱直徑d的邊緣，經過多層燒蝕得到小支柱結構；當小支柱的高度達到h后，上述的三維位移平臺的運動和飛秒激光燒蝕同步結束，得到一個晶體微腔；

⑤重復上述步驟②～④，在一個晶體上制備多個晶體微腔；

2）聚焦離子束側壁研磨：

①將具有多個晶體微腔的晶體是上表面鍍一層15～25nm的金薄膜；