三維晶體光學(xué)回音壁微腔的制備方法
【專利摘要】一種三維晶體光學(xué)回音壁微腔的制備方法，包括對(duì)浸沒在液體中的晶體進(jìn)行飛秒激光選擇性燒蝕和利用聚焦離子束研磨微腔側(cè)壁。本發(fā)明方法制備的三維晶體光學(xué)回音壁微腔能將光通過腔體與外界面的連續(xù)全內(nèi)反射限制在腔內(nèi)，具有極高的表面光潔度，小的模式體積與高的品質(zhì)因子。該方法適用于各種晶體材料和玻璃等。
【專利說明】三維晶體光學(xué)回音壁微腔的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及飛秒激光加工，特別是一種三維晶體光學(xué)回音壁微腔的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光學(xué)回音壁微腔利用介質(zhì)腔與周圍環(huán)境之間在腔的邊界處的連續(xù)全內(nèi)反射把光長(zhǎng)時(shí)間地限制在介質(zhì)內(nèi)，具有相當(dāng)高的品質(zhì)因子，在非線性光學(xué)，量子物理以及生物傳感中有著重要的應(yīng)用。所述的光學(xué)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(wěn)定性以及很高的線性和非線性系數(shù)，晶體微腔備受關(guān)注。盡管在無定型玻璃中可以制得Q值高達(dá)IO9的微腔，由于晶體材料可以提供很好的光學(xué)特性，比如說強(qiáng)的二階非線性系數(shù)，很寬的透射窗口等，許多非線性光學(xué)效應(yīng)只能在晶體微腔中實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)階段，人們主要利用機(jī)械研磨的辦法制備晶體微腔(參考文獻(xiàn)1:A.A.Savchenkov, etal, “Kilohertz optical resonances in dielectric crystal cavities, ^Phys.Rev.A70 (5), 051804 (R) (2004))。雖然說用機(jī)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)。
[0003]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(zhì)相互作用時(shí)呈現(xiàn)出很強(qiáng)的非線性效應(yīng)。它的多光子吸收機(jī)制可用來加工長(zhǎng)脈沖無法加工的透明介質(zhì)。由于飛秒脈沖作用時(shí)間極短，熱效應(yīng)非常小，因而大大提高了加工精度。利用飛秒激光直寫技術(shù)，可以在透明材料內(nèi)部實(shí)現(xiàn)三維立體微納加工。利用飛秒激光微加工技術(shù)可以制備出基于聚合物的回音壁模式微腔(參見文獻(xiàn)2:Z.-P.Liu, Y.Li, et al., AppliedPhysics Letters, Vol.97，P211105, 2010)。后來，利用飛秒微加工技術(shù)又可在透明材料(t匕如熔融石英)上成功制作出三維的高品質(zhì)光學(xué)微腔(參見文獻(xiàn)3 Jintian, Lin, et al.，Opt.EXPRESS, 23April2012/Vol.20，N0.9)，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(zhì)材料，其原理是利用材料在其融融狀態(tài)下的表面張力將其表面變光滑。相對(duì)于玻璃，晶體材料由于具有很高的非線性系數(shù)、極低的本征材料損耗以及耐久性和穩(wěn)定性而被認(rèn)為是更有吸引力的襯底。但回流技術(shù)對(duì)晶體不適用，比如說有些晶體對(duì)二氧化碳光束不吸收；而對(duì)它吸收的晶體由于迅速加熱和冷卻則會(huì)在內(nèi)部生成無定向微晶，從而產(chǎn)生散射中心，這會(huì)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(xué)領(lǐng)域面臨的重要問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有的飛秒激光微加工技術(shù)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(xué)回音壁模式微腔的制備方法，該方法制備的三維光學(xué)回音壁模式的晶體微腔具有很高品質(zhì)因子、耐用性好以及可應(yīng)用材料廣泛等優(yōu)點(diǎn)。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0006]一種三維晶體光學(xué)回音壁微腔的制備方法，其特點(diǎn)在于包括下列步驟:[0007]I)飛秒激光燒蝕:
[0008]①所述的回音壁模式光學(xué)微腔由微盤和小支柱構(gòu)成的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)由設(shè)計(jì)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(qū)最大直徑為MD ；
[0009]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(tái)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；
[0010]③預(yù)先對(duì)所述三維位移平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行編程，按編程驅(qū)動(dòng)所述的三維位移平臺(tái)做水平圓周遠(yuǎn)動(dòng)，飛秒激光從晶體的下表面開始燒蝕，改變?nèi)S位移平臺(tái)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(qū)域的直徑，從微盤直徑D外到激光燒蝕區(qū)最大直徑MD之間的環(huán)形區(qū)域，燒蝕一層后，利用程序驅(qū)動(dòng)所述的三維位移平臺(tái)的上下運(yùn)動(dòng)，使燒蝕點(diǎn)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(chǎn)生氣泡，激光燒蝕晶體產(chǎn)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；
[0011]④然后再次改變?nèi)S位移平臺(tái)的中心軸與所述的飛秒激光光軸的距離，使燒蝕區(qū)域到達(dá)小支柱直徑d的邊緣，經(jīng)過多層燒蝕得到小支柱結(jié)構(gòu)；當(dāng)小支柱的高度達(dá)到h后，上述的三維位移平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)和飛秒激光燒蝕同步結(jié)束，得到一個(gè)晶體微腔；
[0012]⑤重復(fù)上述步驟②?④，在一個(gè)晶體上制備多個(gè)晶體微腔；
[0013]2)聚焦離子束側(cè)壁研磨:
[0014]①將具有多個(gè)晶體微腔的晶體是上表面鍍一層15?25nm的金薄膜；
[0015]②將鍍膜后的晶體放入聚焦離子束系統(tǒng)的樣品臺(tái)上，調(diào)整樣品臺(tái)的方向使晶體的上表面正對(duì)離子束流方向，在離子束成像系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控下，先用大束流的離子束對(duì)微腔的側(cè)壁進(jìn)行粗磨，粗磨后的側(cè)壁粗糙度為亞微米量級(jí)；
[0016]③用小束流的離子束在微腔的側(cè)壁進(jìn)行細(xì)磨，經(jīng)過細(xì)磨后的側(cè)壁粗糙度為幾納米量級(jí)；得到側(cè)壁光滑、高Q值的晶體微腔。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0018]1、突破了飛秒激光微加工技術(shù)只能制備基于聚合物和可被回流的玻璃的光學(xué)回音壁模式微腔的瓶頸，本發(fā)明可在晶體材料上制作三維高品質(zhì)微腔，拓寬了襯底的種類；
[0019]2、微腔的側(cè)面非常光滑:經(jīng)過飛秒激光燒蝕后得到的微盤，邊緣比較粗糙，而利用聚焦離子束研磨后明顯改善了邊緣的粗糙度，使得微腔的側(cè)緣變得極為光滑，保證了高的品質(zhì)因子；
[0020]3、利用激光的選擇性燒蝕可以制備任意形狀的三維結(jié)構(gòu)圖形，這為芯片的功能集成提供了一個(gè)有效的方法。
[0021]4、飛秒激光燒蝕允許對(duì)微盤的尺寸、支柱的高度進(jìn)行自由選擇，后續(xù)的聚焦離子束研磨還可以通過控制研磨條件實(shí)現(xiàn)對(duì)微腔尺寸的再次調(diào)整(主要是減少尺寸)，這樣就很方便在同一透明襯底上集成多個(gè)不同高度、不同尺寸的微腔。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是本發(fā)明三維晶體光學(xué)回音壁模式微腔制備方法的流程示意圖
[0023]圖2是晶體樣品上經(jīng)過聚焦離子束研磨前后的三維光學(xué)回音壁模式微腔的顯微圖像
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面通過實(shí)例和附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0025]先請(qǐng)參閱圖1，圖1是本發(fā)明利用飛秒激光制備高品質(zhì)因子的三維晶體微腔的方法流程示意圖，現(xiàn)以氟化鈣晶體為例來說明本發(fā)明方法，由圖可見，本發(fā)明利用飛秒激光制備晶體微腔的方法，包括如下兩步:
[0026]I)飛秒激光燒蝕:
[0027]設(shè)計(jì)小支柱直徑40 μ m、微盤的直徑100 μ m ;小支柱的高度20 μ m，微盤的厚度10 μ m,激光燒蝕區(qū)最大直徑為180 μ m ；
[0028]將規(guī)格為且上下表面拋光的氟化鈣晶體用無水乙醇清洗上下表面，并將該晶體固定在裝有去離子水的樣品槽7中，水面低于晶體的上表面，然后將該樣品槽7固定在三維位移平臺(tái)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，飛秒激光的脈寬約為40fs，頻率1kHz，中心波長(zhǎng)為800nm，物鏡的數(shù)值孔徑為0.9 ；
[0029]預(yù)先對(duì)所述三維位移平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行編程，按編程驅(qū)動(dòng)所述的三維位移平臺(tái)在水平面上做圓周遠(yuǎn)動(dòng)，飛秒激光從晶體的下表面開始燒蝕，改變?nèi)S位移平臺(tái)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(qū)域的范圍，從微盤直徑100 μ m外到激光燒蝕區(qū)最大直徑180 μ m之間的環(huán)形區(qū)域，燒蝕一層后，利用程序驅(qū)動(dòng)三維位移平臺(tái)的上下運(yùn)動(dòng)使燒蝕點(diǎn)保持在晶體與液體的接觸面上；
[0030]同理燒蝕多層，得到微盤的厚度為ΙΟμπι;然后再次改變?nèi)S位移平臺(tái)的中心軸與所述的飛秒激光光軸的距離使燒蝕區(qū)域到達(dá)小支柱直徑40 μ m的邊緣，經(jīng)過多層燒蝕得到小支柱結(jié)構(gòu)。當(dāng)小支柱的高度達(dá)到20μπι后，上述的三維位移平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)和飛秒激光燒蝕同步結(jié)束，得到晶體微腔。
[0031]2)聚焦離子束研磨:
[0032]在由I)得到的含有微盤5結(jié)構(gòu)的晶體上表面鍍一層約20nm厚的金薄膜，然后將鍍膜后的晶體其放入聚焦離子束系統(tǒng)的樣品室中，調(diào)整樣品臺(tái)方向使的上表面正對(duì)離子束方向，先用離子束流為30nA的離子束對(duì)樣品側(cè)壁進(jìn)行粗磨，然后用離子束流為16nA的離子束對(duì)微盤側(cè)壁進(jìn)行精細(xì)研磨，最終得到側(cè)壁光滑的晶體微腔直徑約為90 μ m。在上述過程中用離子束成像系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控研磨過程。
[0033]本發(fā)明方法適用于各種晶體、不可被回流的玻璃等襯底材料，利用飛秒激光制備三維晶體光學(xué)回音壁模式微腔時(shí)，只要對(duì)不同材料選擇不同的飛秒激光燒蝕功率以及不同大小的離子束流即可。
【權(quán)利要求】
1.一種三維晶體光學(xué)回音壁微腔的制備方法，其特征在于包括下列步驟: (1)飛秒激光燒蝕: ①所述的回音壁模式光學(xué)微腔由微盤和小支柱構(gòu)成的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)由設(shè)計(jì)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(qū)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(tái)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(yù)先對(duì)所述三維位移平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行編程，按編程驅(qū)動(dòng)所述的三維位移平臺(tái)做水平圓周遠(yuǎn)動(dòng)，飛秒激光從晶體的下表面開始燒蝕，改變?nèi)S位移平臺(tái)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(qū)域的直徑，從微盤直徑D外到激光燒蝕區(qū)最大直徑MD之間的環(huán)形區(qū)域，燒蝕一層后，利用程序驅(qū)動(dòng)所述的三維位移平臺(tái)的上下運(yùn)動(dòng)，使燒蝕點(diǎn)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(chǎn)生氣泡，激光燒蝕晶體產(chǎn)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?nèi)S位移平臺(tái)的中心軸與所述的飛秒激光光軸的距離，使燒蝕區(qū)域到達(dá)小支柱直徑d的邊緣，經(jīng)過多層燒蝕得到小支柱結(jié)構(gòu)；當(dāng)小支柱的高度達(dá)到h后，上述的三維位移平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)和飛秒激光燒蝕同步結(jié)束，得到一個(gè)晶體微腔； ⑤⑥重復(fù)上述步驟②?④，在晶體上制備多個(gè)晶體微腔； (2)聚焦離子束側(cè)壁研磨: ①將具有多個(gè)晶體微腔的晶體是上表面鍍一層15?25nm的金薄膜； ②將鍍膜后的晶體放入聚焦離子束系統(tǒng)的樣品臺(tái)上，調(diào)整樣品臺(tái)的方向使晶體的上表面正對(duì)離子束流方向，在離子束成像系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控下，先用大束流的離子束對(duì)微腔的側(cè)壁進(jìn)行粗磨，粗磨后的側(cè)壁粗糙度為亞微米量級(jí)； ③用小束流的離子束在微腔的側(cè)壁進(jìn)行細(xì)磨，經(jīng)過細(xì)磨后的側(cè)壁粗糙度為幾納米量級(jí)；得到側(cè)壁光滑、高Q值的晶體微腔。
【文檔編號(hào)】B23K26/00GK103738915SQ201410002624
【公開日】2014年4月23日 申請(qǐng)日期:2014年1月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月3日
【發(fā)明者】唐家雷, 林錦添, 程亞, 何飛, 喬玲玲 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所