[发明专利]利用飞秒激光制备三维光学回音壁模式微腔的方法

说明书

技术领域

本发明涉及飞秒激光加工，特别是一种利用飞秒激光制备三维的光学回音壁模式微腔的方法。本方法适用于在各种透明的玻璃、晶体和陶瓷制备三维的光学回音壁模式微腔。

背景技术

光学回音壁模式（whispering-gallery mode）微腔通过在介质腔与周围环境之间的圆形边界的连续多次全内反射把光长时间地限制在小体积内，具有了相当高的品质因子，在基础研究及工程应用中，比如量子光学、非线性光学、量子电动力学、低阈值激光器、极小型滤波器、生物传感器、光学频率梳等领域，有着重要的应用。而目前主流的芯片上的回音壁模式的微腔，如微盘腔（参见文献1：S. L. McCall, A. F. J. Levi, et al., Applied Physics Letters, Vol. 60, P 289, 1992）、微环腔(参见文献2：D. K. Armani, T. I. Kippenberg, et al., Nature, Vol. 421, P 925, 2003)、变形微腔(参见文献3：C. Gmachl, F. Capasso, Science, Vol. 280,P 1556, 1998)，制造技术借助于半导体光刻方法，它在材料表面微结构的制备上已经相当成熟，但只能制备与衬底平行的回音壁模式微腔，这将对腔模（与微腔共面）的相对于衬底倾斜的耦合与提取，造成了极大的困难。尽管人们提出了在微盘腔的边界（参见文献4：A.F. J. Levi, R. E. Slusher, et al., Applied Physics Letters, Vol. 62,P 561,1993）或者上表面(参见文献5：L. Mahler, A. Tredicucci, et al., Nature Photonics, Vol. 3, P 46,2009)增加光栅结构的方法来实现光相对于衬底的垂直发射，但还未能实现任意角度的倾斜发射。这限制了回音壁模式微腔在需要对光相对于衬底进行倾斜提取的情形的应用。

近年来，飞秒激光脉冲具有极短的脉冲宽度和极高的峰值功率，与物质相互作用时呈现出强烈的非线性效应。它的多光子吸收机制可用来加工长脉冲无法加工的透明介质。由于飞秒脉冲作用时间极短，热效应非常小,因而大大提高了加工精度。利用飞秒激光直写技术，可以在透明材料内部实现三维立体微纳加工。基于上述优点，该技术已成为微制造领域的研究热点，在微流体、微电子、微光学、微机电系统和生物医学等领域已展露出重要的应用前景。利用飞秒激光微加工技术可以制备出基于聚合物的回音壁模式微腔(参见文献6：Z.-P. Liu, Y. Li, et al., Applied Physics Letters, Vol. 97, P 211105, 2010)。但相对于聚合物，透明材料（比如熔融石英）由于具有宽的透明光谱范围、极低的本征材料损耗以及耐久性而被认为是更有吸引力的衬底。如何寻找一种合适的方案在透明材料上制备三维的回音壁模式微腔是目前微腔光子学领域面临的重要问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服上述现有的飞秒激光微加工技术只能在聚合物上制备微腔，且制备出来的微腔的品质因子较低，耐用性差等缺点，提供一种在透明材料上制备三维光学回音壁模式微腔的方法，该方法制备的三维光学回音壁模式微腔具有高品质因子、耐用的特点。

本发明的技术方案如下：

一种利用飞秒激光制备三维回音壁模式光学微腔的方法，其特点在于包括下列步骤：

（1）飞秒激光辐照：

所述的三维回音壁模式微腔是一种由小支柱支撑的微盘结构，为制备由小支柱支撑的微盘，首先根据需要加工的小支柱、微盘相对于衬底的夹角、小支柱的尺寸、微盘的尺寸和透明材料样品固定在三维位移平台上的位置，对所述的三维位移平台的运动进行编程；

将透明材料样品固定在所述的三维位移平台上，通过显微物镜将飞秒激光聚焦在所述的透明材料样品上，按编程驱动所述的三维位移平台运动的同时，启动所述的飞秒激光光束对所述的透明材料样品进行辐照，激光围绕所述的小支柱与微盘的区域逐层辐照，所述的三维位移平台的运动和所述的飞秒激光辐照同步结束；

（2）化学腐蚀：

将飞秒激光辐照后的透明材料样品放入HF 溶液或KOH 溶液中，对所述的辐照区进行选择性化学腐蚀，得到在透明材料衬底上由小支柱支撑的、相对于衬底以设计角度倾斜的微盘；

（3）二氧化碳激光退火：