CN104868351B - 一种调节回音壁模式微腔共振频率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种调节回音壁模式微腔共振频率的方法，包括以下步骤：提供一回音壁模式微腔，测试该回音壁模式微腔的共振波长，并选择该回音壁模式微腔的模式；确定一目标波长；以及采用一热回流装置对所述回音壁模式微腔进行热回流处理来实现调节所述回音壁模式微腔的共振频率，该热回流装置包括一激光器，该激光器射出激光照射在所述回音壁模式微腔上，该热回流处理过程具体包括：固定热回流的时间同时逐步加大所述激光器的输出功率，或者固定所述激光器的输出功率同时逐步增加热回流的时间；以及观察回音壁模式微腔共振波长的变化，直到所述回音壁模式微腔的目标波长与共振波长的差值的绝对值小于所述回音壁模式微腔的模式的线宽。
Description
技术领域
本发明属于微纳光学器件领域，尤其涉及一种通过低功率热回流调节回音壁模式微腔共振频率的方法。
背景技术
回音壁模式微腔是目前最重要、研究最为深入的高品质光学微腔之一。在回音壁模式光学微腔中，光是不断通过全反射在微腔内部传播的。回音壁模式微腔通常包含微球腔（microsphere）、微盘腔（microdisk）、微芯圆环微腔（microtoroid）等。回音壁模式微腔表面十分光滑，使用的材料（常为二氧化硅）对光的吸收较小，所以光子的寿命很长，其品质因子Q非常高（可达108以上）。此外，这种类型微腔的模式体积（光场分布的有效体积）也非常小，在相同的入射功率下，腔内光场的强度更大。基于以上优点，回音壁模式光学微腔有着许多非常重要和广泛的应用。
共振频率是光学微腔非常重要的参数之一。对其进行简单和有效地调控是微纳光子器件领域重要的研究课题之一。请参阅图1，图1为一光学微腔中共振频率的移动示意图，从图中可以看出，对光学微腔共振频率进行调节后，可以使整个洛伦兹线型向右飘移，代表共振波长增加（共振频率减小）。
现有的对回音壁模式微腔的共振频率的调控手段主要是温度调节。然而，温度调节存在以下几个缺陷：首先，当加热温度过高，微腔与周围环境的温差过大时，整个***会变得非常不稳定，环境的变化可能会对微腔的共振频率产生很大的扰动，严重影响和制约着它的实际应用；其次，难以实现对单个微腔的调节，使用温度调节法对目标腔调控时通常会影响附近样品的温度，改变其相应参数，产生负面效果；最后，实验装置较为复杂，温度调节常常需要借助复杂的加工工艺或者额外添加很多控制仪器，难以集成，且非常不利于在日常生产和生活中的应用。因此，需要寻找一种简单和有效的方法来调控回音壁模式微腔的共振频率。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种调节回音壁模式微腔共振频率的方法，该方法可以克服现有的温度调节的缺点。
一种通过低功率热回流调节回音壁模式微腔共振频率的方法，包括以下步骤：S1：提供一回音壁模式微腔，测试该回音壁模式微腔的共振波长，并选择该回音壁模式微腔的模式；S2：确定一目标波长；以及S3：采用一热回流装置对所述回音壁模式微腔进行热回流处理来实现调节所述回音壁模式微腔的共振频率，该热回流装置包括一激光器，该激光器射出激光照射在所述回音壁模式微腔上，该热回流处理过程具体包括：固定热回流的时间同时逐步加大所述激光器的输出功率，或者固定所述激光器的输出功率同时逐步增加热回流的时间；以及观察回音壁模式微腔共振波长的变化，直到所述回音壁模式微腔的目标波长与共振波长的差值的绝对值小于所述回音壁模式微腔的模式的线宽。
与现有技术相比较，本发明提供的通过低功率热回流调节回音壁模式微腔共振频率的方法具有以下优点：其一，通过改变回音壁模式微腔的几何形状来调节共振波长，在实际应用中保持微腔温度与外界温度基本相同，极大地较少周围环境对微腔的影响，抗扰动性很强，进而使整个***非常稳定；其二，采用热回流的方法，可以让激光通过透镜聚焦在单个目标微腔，针对单个目标微腔进行调节，不对其它微腔产生影响；其三，该方法充分利用回音壁模式微腔制备过程中的热回流过程来调节微腔的共振频率，所需设备简单，无需额外的控制器件。
附图说明
图1是一光学微腔共振频率移动示意图。
图2是本发明实施例提供的微芯圆环微腔的立体结构示意图。
图3是本发明实施例提供的微芯圆环微腔的制作过程示意图。
图4是本发明实施例提供的微芯圆环微腔与光纤维耦合的示意图。
图5是本发明实施例提供的测试微芯圆环微腔共振波长时的光路和电路连接示意图。
图6是本发明实施例提供的微芯圆环微腔中热回流过程示意图。
图7是本发明实施例提供的固定热回流时间，逐步加大二氧化碳激光器的输出功率时，微芯圆环微腔共振波长的变化图。
图8是本发明实施例提供的固定二氧化碳激光器输出功率在红移区时，增加热回流时间，微芯圆环微腔共振波长变化图。
图9是本发明实施例提供的固定二氧化碳激光器输出功率在蓝移区时，增加热回流时间，微芯圆环微腔共振波长变化图。
主要元件符号说明
| 硅片 | 1 |
| 二氧化硅层 | 2 |
| 光刻胶 | 3 |
| 微盘腔 | 4 |
| 微芯圆环微腔 | 5 |
| 信号发生器 | 6，11 |
| 可调谐激光器 | 7 |
| 示波器 | 8 |
| 偏振控制器 | 9 |
| 光电探测器 | 10 |
| 控制器 | 12 |
| 激光器 | 13 |
| 透镜 | 14 |
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例，对本发明提供的调节回音壁模式微腔共振频率的方法作进一步的详细说明。
本发明提供一种调节回音壁模式微腔共振频率的方法，包括以下步骤：
S1：提供一回音壁模式微腔，测试该回音壁模式微腔的共振波长，并选择该回音壁模式微腔的模式；
S2：确定一目标波长；以及
S3：采用一热回流装置对所述回音壁模式微腔进行热回流处理来实现调节所述回音壁模式微腔的共振频率，该热回流装置包括一激光器，该激光器射出激光照射在所述回音壁模式微腔上，该热回流处理过程具体包括：固定热回流的时间同时逐步加大所述激光器的输出功率，或者固定所述激光器的输出功率同时逐步增加热回流的时间；以及观察回音壁模式微腔共振波长的变化，直到所述回音壁模式微腔的目标波长与共振波长的差值的绝对值小于所述回音壁模式微腔的模式的线宽。
步骤S1中，优选的，所述回音壁模式微腔为微芯圆环微腔、微球腔或微盘腔。当所述回音壁模式微腔为微球腔和微盘腔时，所述激光器的输出功率比微芯圆环微腔时小。更优选的，所述回音壁模式微腔为微芯圆环微腔。请参阅图2，在微芯圆环微腔中，包括一由散热效果较好的材料硅片1制作成的支柱，支柱上部为凝固后的熔融二氧化硅层2。本实施例中，所述回音壁模式微腔为形状规则、模式较好的微芯圆环微腔。
请参阅图3，所述微芯圆环微腔的制备方法包括以下步骤：
S11：提供一高纯度的硅片1，该硅片1的表面镀有厚约2μm的二氧化硅层2；
S12：清洗并烘干，在所述二氧化硅层2远离所述硅片1的表面均匀地涂抹一层光刻胶3；
S13：将一带有刻蚀图样的模板平行放置在所述光刻胶3远离所述二氧化硅层2的表面，紫外灯下曝光，并显影，被紫外线照射的光刻胶会被显影液洗掉，而未被照射的仍存留在硅片1上，形成所需要的图形；
S14：洗掉残留的显影液后烘干，放在氢氟酸中腐蚀，氢氟酸的作用是和二氧化硅层2反应，被光刻胶覆盖的二氧化硅层2不会被腐蚀，剩余的二氧化硅层2会迅速反应消失，洗掉氢氟酸和光刻胶3，这样光刻胶形成的图案就转化成二氧化硅层2的图案；
S15：放在氟化氙中反应，氟化氙会和硅片1反应，但不会和二氧化硅层2反应，经过长时间缓慢地刻蚀就可以得到一微盘腔4；以及
S16：对所述微盘腔4进行热回流处理，得到所述微芯圆环微腔5。
品质因子（Q）是描述光学微腔束缚光本领的重要参数，其表达式为：
，
其中，和分别为中心频率和中心波长；和分别为以频率和波长为单位的线宽，即高度为峰值或谷值的一半时对应的频率差或波长差。
步骤S15得到的所述微盘腔的品质因子可以达到105。经过高功率热回流处理之后，步骤S16中得到的微芯圆环微腔的品质因子会极大地提高，最高可以达到108。
可以理解，所述微芯圆环微腔5并不限定采用所述制备方法得到，可以采用现有的任何制备方法得到。
步骤S1中所述回音壁模式微腔的模式为求解麦克斯韦方程得到的本征解，每一个本征解对应着一个特定的空间分布，并且由四个模式数、、、来刻画。代表是TE（横电）模式或TM（横磁）模式；是径向的模式数，是径向场强最大的数目；是角向模式数，可以理解为赤道面内场强最大值的数目；是方位角模式数，可以理解为与赤道面垂直的半切面场强最大的数目。不同的模式分布对应着不同的共振频率和品质因子。可以理解，在实验中，由于回音壁模式微腔的形状无法像理论上完全对称，所以理论上简并的微腔模式会劈裂，因此实际观测到的模式数目会非常多。
步骤S1中需要激发所述回音壁模式微腔的模式。本实施例中，采用的方法是使用光纤锥耦合微芯圆环微腔。光纤锥耦合的优点是耦合效率高、可调性强。请参阅图4，制备光纤锥时，先去除光纤的外部包层，并清洗干净；将其放在氢氧焰上加热，同时向两个相反的方向拉伸，直到最细处约为2μm即可。可以理解，激发回音壁模式的方法也可以为光纤锥耦合之外的其它方法。
请参阅图5，图5为测试所述微芯圆环微腔5共振波长时的光路和电路连接方式。测试原理为：信号发生器6输出三角波信号，一路给可调谐激光器7用于调频，另一路给示波器8，可调谐激光器7出射的激光通过偏振控制器9调节其偏振状态后，由光纤锥耦合进入所述微芯圆环微腔5，经过所述微芯圆环微腔5的透射光由光电探测器10探测，并输出到示波器8用于观察波形。本实施例中，所述可调谐激光器7的调节范围为1520nm-1570nm，可调谐激光器7出射的激光的线宽小于200KHz。
请参阅图6，步骤S3中，热回流过程中的热回流装置由信号发生器11、控制器12、激光器13和透镜14构成，其中，所述激光器13用于输出激光，本实施例中，所述激光器13为二氧化碳激光器，输出为方形脉冲激光；所述信号发生器11用于设定所述激光的频率和占空比；所述控制器12可以控制脉冲的最大光强和时间；所述透镜14用于将激光聚焦在所述微芯圆环微腔5上。
本实施例中，由于二氧化碳激光器输出激光的中心波长为10.6μm，所述微芯圆环微腔5的材料二氧化硅在该波段有很强的吸收，而二氧化硅层2底部的硅片1在该波段的吸收较少。所以，当使用低功率的二氧化碳激光聚焦在所述微芯圆环微腔5上时，所述微芯圆环微腔5的半径会有微小的变化，由于近似关系式，所述微芯圆环微腔5的共振频率（共振波长）会随着半径的变化而变化，而底部的支柱材料硅片1的形状几乎不变。可以理解，所述激光器14并不限定于本实施例中的二氧化碳激光器，可以根据所述回音壁模式微腔中熔融材料的不同替换为其它的激光器。
步骤S3中，在进行热回流过程之前，可以根据所述回音壁模式微腔的共振波长与所述目标波长的差值，以及实验经验估算在热回流过程中需要激光器的输出功率或热回流的时间。在热回流过程中，回音壁模式微腔在每次热回流时的位置应该相同，即，在每次热回流时，所述激光器13出射的激光通过透镜14后聚焦在所述回音壁模式微腔上的位置相同，以保证回音壁模式微腔接收到的能量与激光的输出呈线性关系。
在固定热回流的时间，逐步加大激光器的输出功率时，输出功率优选从零开始逐渐增大。请参阅图7，图7为本实施例中，固定热回流时间，逐步加大二氧化碳激光器的输出功率时，微芯圆环微腔5共振波长的变化图，从图中可以看出，在这个过程中，微芯圆环微腔5的共振波长先增大（处于红移区），当二氧化碳激光器的输出功率为6W时，微芯圆环微腔5的共振波长达到临界值，继续增加二氧化碳激光器的输出功率，微芯圆环微腔5的共振波长开始减小（处于蓝移区）。整个过程的动力学过程为：当二氧化碳激光器的输出功率比较小时（红移区），微芯圆环微腔5接受到的能量较小，其表面部分二氧化硅会融化导致半径变大。根据公式可知，半径的增加会导致微芯圆环微腔5共振波长的增加。当二氧化碳激光器的输出功率达到一定的阈值以上时（蓝移区），微芯圆环微腔5的表面张力会变得足够大，迫使微芯圆环微腔5进一步收缩，同时，部分二氧化硅受热蒸发，导致半径减小，所以微芯圆环微腔5的共振波长相应地会减小。从图7中还可以看出，相同的共振频率对应着两个热回流激光功率。所以，在红移区使用较低的激光输出功率进行热回流没有达到预期目标时，还可以继续增加激光的功率达到蓝移区，实现预期目标，极大地提高成功率。
采用固定激光器的输出功率，逐步增加热回流的时间的方法时需首先判断共振波长的移动方向，并根据该移动方向选择激光器的输出功率。如果目标波长大于所述回音壁模式微腔的共振波长，就要选择红移区的输出功率，反之则要选择蓝移区的输出功率。本实施例中，当目标波长大于所述微芯圆环微腔5的共振波长时，输出功率的选择范围为大于0W小于6W；当目标波长小于所述微芯圆环微腔5的共振波长时，输出功率的选择范围为大于6W小于13W。
请参阅图8，图8是本实施例中固定二氧化碳激光器输出功率在红移区时（此处选择4.5W），增加热回流时间，微芯圆环微腔5共振波长变化图。从图中可以看出，在这个区域随着热回流时间的增加，共振波长会增加。当热回流时间较短时，共振波长与热回流时间基本上呈正线性相关，当达到转折点后，共振波长的增加速率会明显减缓。请参阅图9，图9是固定二氧化碳激光器输出功率在蓝移区时（此处选择11W），增加热回流时间，微芯圆环微腔5共振波长变化图。从图中可以看出，当热回流时间较短时，共振波长与热回流时间基本上呈负线性相关，达到转折点后，共振波长的变化速率减慢。比较图8和图9可得，蓝移区中转折点对应的热回流时间明显比红移区中转折点对应的热回流时间小，这是因为该过程在蓝移区是熔融收缩的过程，而在红移区是自然熔融过程，所以蓝移区的弛豫时间相对于红移区的弛豫时间较短。
第一种调节方式：
提供一微芯圆环微腔，并测试该微芯圆环微腔的共振波长；设定一目标波长，该目标波长比微芯圆环微腔的共振波长大20 pm；根据实验经验估算得到热回流过程中激光器的最大输出功率为3-4W，热回流过程中，设定方形脉冲二氧化碳激光的频率为1Hz，占空比为10％，固定每次热回流时间为100s，激光器的输出功率从零开始并以0.6W为单位增加。所述微芯圆环微腔一模式的品质因子为1.9×106（该模式在1550nm波段的线宽为0.8pm）。请参阅表1，由表1可以看出，随着激光器输出功率的增加，目标波长与微腔共振波长的差值逐渐减小，当激光器的输出功率增加至3.6W时，两者基本一致，相差0.4pm，远小于微芯圆环微腔的模式线宽0.8pm，可以认为实现了既定的调节要求。而在微芯圆环微腔制作过程中的热回流功率一般在25W以上，该调节方法需要的功率比较小，远低于微芯圆环微腔制作过程中的热回流功率。
表1 固定热回流时间为100s并增加激光功率，共振波长变化表
| 热回流功率（W） | 0 | 0.6 | 1.2 | 1.8 | 2.4 | 3.0 | 3.6 |
| 目标波长与共振波长之差（pm） | 20 | 12.8 | 8.8 | 3.6 | 1.8 | 0.9 | 0.4 |
第二种调节方式：
提供一微芯圆环微腔，并测试该微芯圆环微腔的共振波长；设定一目标波长，该目标波长比所述共振波长大25pm，根据实验经验估算热回流的总时间可能在60s-70s左右。由于微芯圆环微腔共振波长应向增大的方向移动，所以，激光输出功率应位于红移区，激光输出功率选择为5W。每次热回流时间增加15s，设定方形脉冲激光的频率为1Hz，占空比为10％。所述微芯圆环微腔一模式的品质因子为1.2×106（该模式在1550nm波段的线宽为1.29pm）。
请参阅表2，可以看出，随着时间的增加，微芯圆环微腔的共振波长逐渐趋近于目标波长，当热回流时间为60s时，目标波长与微芯圆环微腔的共振波长的差值约-0.34pm，其绝对值小于线宽1.29pm，基本认为达到了有效调节的目的。
表2 固定激光功率5W并增加热回流时间，共振波长移动图
| 热回流时间（s） | 0 | 15 | 30 | 45 | 60 |
| 目标波长与共振波长之差（pm） | 25 | 13.5 | 9.12 | 7.49 | -0.34 |
本发明实施例提供的通过低功率热回流调节回音壁模式微腔共振频率的方法具有以下优点：其一，首次提出通过激光照射回音壁模式微腔，使回音壁模式微腔的几何形状产生微小的变化来调节共振波长，在实验和实际应用中保持微腔温度与外界温度相同，极大地较少周围环境对微腔的影响，抗扰动性很强，避免了使用温度调节时微腔和外界环境温差过大导致的***不稳定问题；其二，采用热回流的方法，可以让二氧化碳激光通过透镜聚焦在单一的目标微腔，针对单一的目标微腔进行调节，不对其它微腔产生影响；其三，该方法充分利用与回音壁模式微腔制备过程中相同的热回流过程来调节微腔的共振频率，与温度调节不同的是，该方法无需额外的控制器件，而且达到调节目的后，不再需要调节装置即可维持共振频率的稳定，方法与所需设备均比较简单；其四，调节精度可以达到0.005nm（对应于1550nm波段约600MHz）以下，最大调节范围可以在0.06nm（对应于1550nm波段约7.5GHz）以上，更适用于在实际生产、生活中使用；其五，本发明的调节方法中所述激光器的功率一般在13W以下，远低于在微腔制作过程中的热回流功率（约25W以上）。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。
Claims (7)
1.一种调节回音壁模式微腔共振频率的方法，包括以下步骤：
S1：提供一回音壁模式微腔，测试该回音壁模式微腔的共振波长，并选择该回音壁模式微腔的模式；
S2：确定一目标波长；以及
S3：采用一热回流装置对所述回音壁模式微腔进行热回流处理来实现调节所述回音壁模式微腔的共振频率，该热回流装置包括一激光器，该激光器的输出功率小于等于13W，该激光器射出激光照射在所述回音壁模式微腔上，该热回流处理过程具体包括：固定热回流的时间同时逐步加大所述激光器的输出功率实现共振频率的双向调节，或者固定所述激光器的输出功率同时逐步增加热回流的时间，当采用固定所述激光器的输出功率同时逐步增加热回流的时间的方法时，需首先判断回音壁模式微腔的共振波长的移动方向，并根据该移动方向选择激光器的输出功率，当目标波长大于所述回音壁模式微腔的共振波长时，输出功率的选择范围为大于0W小于6W；当目标波长小于所述回音壁模式微腔的共振波长时，输出功率的选择范围为大于6W小于13W；以及观察回音壁模式微腔共振波长的变化，直到所述回音壁模式微腔的目标波长与共振波长的差值的绝对值小于所述回音壁模式微腔的模式的线宽。
2.如权利要求1所述的调节回音壁模式微腔共振频率的方法，其特征在于，所述回音壁模式微腔为微芯圆环微腔、微球腔或微盘腔。
3.如权利要求1所述的调节回音壁模式微腔共振频率的方法，其特征在于，所述激光器为二氧化碳激光器。
4.如权利要求1所述的调节回音壁模式微腔共振频率的方法，其特征在于，在每次热回流时，所述激光器射出的激光通过一透镜聚焦在所述回音壁模式微腔上的相同位置。
5.如权利要求1所述的调节回音壁模式微腔共振频率的方法，其特征在于，步骤S3中，采用所述固定热回流的时间同时逐步加大激光器的输出功率的方法时，输出功率从零开始逐渐增大。
6.如权利要求5所述的调节回音壁模式微腔共振频率的方法，其特征在于，所述输出功率以0.6W为单位增加。
7.如权利要求1所述的调节回音壁模式微腔共振频率的方法，其特征在于，该方法的调节精度小于0.005nm，调节范围大于0.06nm。
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