[发明专利]尺寸可控的超薄高品质回音壁光学晶体微腔制备方法和定心装置

说明书

本发明提供一种尺寸可控的超薄高品质回音壁光学晶体微腔制备方法和定心装置，该方法包括：将晶体材料切割成圆片并用抛光盘研磨减薄晶体厚度；将光学晶体微腔坯料置于显微镜载物台上，调节载物台的二维调节旋钮，使光学晶体微腔坯料中心和物镜测微尺的原点重合；将底端粘附粘合剂的装夹杆贯穿装夹杆固定架顶端通孔，使装夹杆与物镜测微尺的原点对齐；调整装夹杆高度使光学晶体微腔坯料通过紫外线固化胶粘贴固定在装夹杆底端完成定心；将装夹杆从装夹杆固定架取下，对光学晶体微腔坯料外圆进行倒角处理；利用砂纸对光学晶体微腔片外圆表面进行研磨；对光学晶体微腔片进行抛光处理，基于抛光处理后的光学晶体微腔片得到光学晶体微腔。

技术领域

本发明涉及光学晶体微腔量子光学技术领域，尤其涉及一种尺寸可控的超薄高品质回音壁光学晶体微腔制备方法和定心装置。

背景技术

高品质因子回音壁光学谐振腔拥有极小的模式体积与极高的能量密度，是实现微波光子结构集成化应用的重要组成。利用高品质因子回音壁光学微腔芯片的线性滤波可与光电谐振腔结合实现集成化光电振荡器；光学微腔芯片的光子滤波功能应用于单频滤波、可调滤波、可重构滤波以及高阶滤波等应用场景；由各种低损耗非线性光学材料制成的回音壁光学微腔芯片具有极高的能量密度，使得其非线性效应种类繁多且阈值极低，广泛应用于非线性效应研究。此外，回音壁光学晶体微腔在腔量子光学、精密测量、高精传感、非线性动力学与腔光力学等多领域均有新颖且重要的研究，并且在实现更多更高水平的集成化系统工程化应用发展有巨大前景。

尽管回音壁光学微腔芯片的结构形式简单，然而要制备出高品质的光学微腔芯片却比较困难，要实现回音壁光学微腔的实用化和集成化应用，制备光学微腔芯片的品质因子和结构稳定性都极其重要。由于光学微腔芯片介质内低损耗是提升储能的关键，所以使用低损耗的材料进行光学微腔芯片制备是基础，同时光学微腔芯片的轮廓表面质量影响腔内光波的表面散射损耗，因此优化制备光学微腔芯片的表面粗糙度，提高其轮廓表面质量是实现高品质因子回音壁光学微腔芯片制备需要解决的关键难题之一。提高制备回音壁光学微腔芯片的品质因子，需要有效改善光学微腔芯片的表面光滑程度，目前国内外已经对提高回音壁光学微腔芯片品质因子进行了大量研究。

现有的一种制备光学微腔芯片的方法是利用二氧化碳激光器熔融制备光学微腔芯片，如图1所示，其利用二氧化碳激光器产生脉冲二氧化碳激光束3通过光学透镜2聚焦在光纤1上，使用位移台控制光纤相对于激光束束腰的位置，并以直流电动机控制速度绕光纤轴旋转，以实现精确对准，来通过加热熔融制备光学微腔芯片。通过采用受控电弧进行抛光，达到提高光学微腔芯片磨边的表面粗糙度的目的。这种利用二氧化碳激光器熔融制备光学微腔芯片方案能够在一定程度上提高光学微腔芯片的品质因子。但是，该方案仅能通过光纤材料制备光学晶体微腔，对制备材料构成了限制，同时光纤的尺寸也局限了制备光学晶体微腔的尺寸，这两点极大的限制了该制备方法的使用场景，无法满足各种材料、不同自由频谱范围光学微腔芯片的制作需求。并且，利用该方案制备光学微腔芯片时，加热熔融过程中重力作用可能造成的光学晶体微腔偏心，使得难以控制最终形状，引起光学晶体微腔的形状劣化，从而影响光学微腔芯片质量，限制光学微腔芯片制备的稳定性。此外，该方法制备的光学晶体微腔不易耦合，使用拉锥耦合方式对其耦合则抗干扰、抗震动性能差，难以搭建稳定的耦合模块，不适合工程化应用。

现有另一种制备光学微腔芯片的方法是光刻蚀法制备方法，该方法首先采用热氧化的方法在硅片上形成一层1-2微米的氧化硅薄膜；然后使用光刻工艺刻出光学微腔芯片的微盘形状，再用氢氟酸腐蚀氧化硅至硅表面，洗掉光刻胶后使用XeF₂气体选择性地刻蚀形成支撑光学微腔芯片的圆柱；最后利用CO₂激光使微盘熔化。利用表面张力可以形成微盘非常光滑的表面，提高品质因子Q，实现品质因子可高达10⁸的光学微腔芯片的制备。该方案中光刻蚀制备光学微腔芯片可以实现对微腔芯片结构的严格控制，并且经过后续的表面熔融，可以实现较高的品质因子，并且方便针对应用需求，设计不同的光学微腔芯片结构。但是，但是这种光学微腔芯片制备方法对光学微腔芯片的制备材料具有限制，并且加工光学微腔芯片尺寸一般在微米量级，所以这种方式加工的光学微腔芯片具有比较大的局限性。