聚焦离子束工艺改性加工的光学回音壁微腔结构及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种在纤型光学回音壁微腔结构，尤其涉及一种聚焦离子束工艺改性加工的光学回音壁微腔结构及方法。
【背景技术】
[0002]与传统干涉仪中通过介质分界面的菲涅尔反射形成的谐振腔不同，光学回音壁微腔通过介质腔边界的连续全反射将光限制在谐振腔内，因此具备超高品质因子和超小模式体积的特性，在非线性光学、腔量子电动力学、超高分辨率检测以及超低阈值激光器等领域具有重要的应用前景。
[0003]典型的光学回音壁微腔包括微球、微盘和微环等，一般采用机械研磨、表面张力或者飞秒激光脉冲等方式在晶体材料、聚合物材料以及熔融的二氧化硅等材料中完成加工制作；其中，采用机械研磨方式制作出的谐振腔，由于受限于机械研磨的工艺条件，谐振腔尺寸较大，难以实现小型化、集成化；通过表面张力形成的回音壁微腔的表面光滑，但谐振腔只能裸露在材料端面，容易损坏；飞秒激光脉冲加工出的回音壁谐振腔对材料的依赖性较低，但其表面粗糙度达数十甚至数百纳米，其品质因数通常不高于13量级。
[0004]目前，无源微腔的回音壁模式一般通过三种方式激发:棱镜、研磨光纤和拉锥光纤，棱镜和研磨光纤激发回音壁模式的效率低于拉锥光纤，但拉锥光纤的直径要求小于2微米而且拉锥光纤易受污染和空气扰动影响；另外为了实现相位匹配，采用拉锥光纤激发光学回音壁模式的微腔的折射率要与锥形光纤的折射率接近，因此对微腔的材料具有选择性。以上三种激发光学回音壁模式的系统均是分离的，因此整个系统的紧凑性和稳定性较低。
[0005]光学回音壁微腔集成化的研究是其实用化的必然要求，通过在微光纤、腐蚀过的光子晶体光纤以及经过腐蚀的极薄壁毛细管等结构中填充微球可实现集成的光学回音壁微腔，但微球填充的工艺十分复杂且对球的材料和尺寸有选择性，寻找一种高度集成化而且制作过程简单的方法是目前光学回音壁微腔领域中面临的重要问题。
[0006]实验研究已经证明，利用飞秒激光脉冲可在光纤中加工环形光学回音壁微腔，但其表面粗糙。为提高回音壁微腔的品质因子，需要对微腔表面进行后处理，包括二氧化碳激光加热、氢氟酸腐蚀以及电弧放电等方式。为了提高回音壁微腔的表面光滑度(纳米量级)，采用聚焦离子束刻蚀的方式可在光纤包层中制作品质因子较高的光学回音壁微腔。以上两种方式均需要在光纤上设置加工面，然后再在加工面上设置环形槽来形成光学回音壁微腔，破坏了光纤本身的结构，降低了其物理强度。
【发明内容】
[0007]针对【背景技术】中的问题，本发明提出了一种聚焦离子束工艺改性加工的光学回音壁微腔结构，包括光纤，其创新在于:所述光纤的包层内设置有一环形区域，所述环形区域的轴向方向与光纤的径向方向平行，环形区域的轴向厚度大于光纤的纤芯直径，环形区域的径向宽度小于纤芯直径；环形区域与纤芯相交(具体的相交方式，可以是纤芯穿过环形区域形成如字母0 —样的结构，也可以是纤芯与环形区域相切；以字母0的方式相交时，光信号可以更加高效地进入光学回音壁微腔结构内，以相切的方式相交时，光信号进入光学回音壁微腔结构的效率相对较低一些)；所述纤芯在环形区域轴向方向上的位置位于环形区域的轴向跨度范围内；所述环形区域的折射率大于纤芯折射率；所述环形区域由聚焦离子束工艺对光纤上的相应区域进行改性而得；所述环形区域即形成光学回音壁微腔结构。
[0008]采用聚焦离子束工艺对光纤材料进行改性时，由于聚焦离子束的能量大小与光纤材料的折射率增量关系还不明确(但聚焦离子束的能量大小与光纤材料折射率增量的正相关性是确定的)，因此暂时还不能通过直接设定具体的能量数值来得到需要的折射率，本领域技术人员在实施本发明时，可先将聚焦离子束的能量大小设定到一具体的数值，待器件制作好后，对器件进行测试，若环形区域的折射率不满足要求，则进一步地调高聚焦离子束的能量后，重新制作器件；
本发明的光学回音壁微腔结构的工作原理与现有的光学回音壁微腔结构相似，故在此不再赘述；本发明与现有技术的区别在于:本发明中附加了光学回音壁微腔结构的光纤，通过聚焦离子束工艺对光纤材料的改性作用，在光纤内部直接形成高折射率的环形区域来起到光学回音壁微腔的作用，光纤表面完好无损，光纤的物理强度较好；而现有技术中，在光纤上加工光学回音壁微腔结构时，需要对光纤进行局部破坏以形成光学回音壁微腔所需的环形结构，光纤的物理强度较差。
[0009]优选地，采用聚焦离子束工艺对光纤上的相应区域进行改性时，以H+作为离子源。
[0010]—种聚焦离子束工艺改性加工光学回音壁微腔结构的方法，所述光学回音壁微腔结构如前所述，具体的加工方法为:
1)调节光纤与A方向的相对位置，使A方向与光纤的径向方向平行，且A方向与光纤相交；
2)以H+(氢离子)作为离子源，采用聚焦离子束工艺沿A方向将H+聚焦在环形区域的轴向上端面所在平面上；
3)传动光纤在圆周方向上平动，所述圆周方向所在的平面与A方向垂直；光纤平动时，A方向在光纤上形成的圆形轨迹位于光纤范围内，且圆形轨迹与光纤的纤芯相交；具体实施时，光纤可用三维位移平台夹持，由三维位移平台来传动光纤作精确的圆周运动；
4)光纤在圆周方向上平动了多圈后，控制光纤驻停，然后传动光纤向靠近聚焦离子束发射端的方向平移一定距离，然后继续传动光纤沿所述圆周方向平动；
5)按步骤4)中方式操作多次，直至光学回音壁微腔结构加工完成。
[0011]本发明的有益技术效果是:提供了一种新结构的光学回音壁微腔结构，该光学回音壁微腔结构直接形成于光纤内，光纤表面无损伤。
【附图说明】
[0012]图1、本发明的加工原理示意图；
图2、本发明的结构示意图；
图中各个标记所对应的名称分别为:光纤1、环形区域2、聚焦离子束3。
【具体实施方式】
[0013]—种聚焦离子束工艺改性加工的光学回音壁微腔结构，包括光纤1，其创新在于:所述光纤I的包层内设置有一环形区域2，所述环形区域2的轴向方向与光纤I的径向方向平行，环形区域2的轴向厚度大于光纤I的纤芯直径，环形区域2的径向宽度小于纤芯直径；环形区域2与纤芯相交；所述纤芯在环形区域2轴向方向上的位置位于环形区域2的轴向跨度范围内；所述环形区域2的折射率大于纤芯折射率；所述环形区域2由聚焦离子束工艺对光纤I上的相应区域进行改性而得；所述环形区域2即形成光学回音壁微腔结构。
[0014]进一步地，采用聚焦离子束工艺对光纤I上的相应区域进行改性时，以H+作为离子源。
[0015]—种聚焦离子束工艺改性加工光学回音壁微腔结构的方法，所述光学回音壁微腔结构包括光纤1，所述光纤I的包层内设置有一环形区域2，所述环形区域2的轴向方向与光纤I的径向方向平行，环形区域2的轴向厚度大于光纤I的纤芯直径，环形区域2的径向宽度小于纤芯直径；环形区域2与纤芯相交；所述纤芯在环形区域2轴向方向上的位置位于环形区域2的轴向跨度范围内；所述环形区域2的折射率大于纤芯折射率；所述环形区域2由聚焦离子束工艺对光纤I上的相应区域进行改性而得；所述环形区域2即形成光学回音壁微腔结构；
其创新在于:按如下方法在光纤I上加工出前述光学回音壁微腔结构:
1)调节光纤I与A方向的相对位置，使A方向与光纤I的径向方向平行，且A方向与光纤I相交；
2)以H+作为离子源，采用聚焦离子束工艺沿A方向将H+聚焦在环形区域2的轴向上端面所在平面上；
3)传动光纤I在圆周方向上平动，所述圆周方向所在的平面与A方向垂直；光纤I平动时，A方向在光纤I上形成的圆形轨迹位于光纤I范围内，且圆形轨迹与光纤I的纤芯相交；
4)光纤I在圆周方向上平动了多圈后，控制光纤I驻停，然后传动光纤I向靠近聚焦离子束发射端的方向平移一定距离，然后继续传动光纤I沿所述圆周方向平动；
5)按步骤4)中方式操作多次，直至光学回音壁微腔结构加工完成。
【主权项】
1.一种聚焦离子束工艺改性加工的光学回音壁微腔结构，包括光纤(1)，其特征在于:所述光纤(I)的包层内设置有一环形区域(2)，所述环形区域(2)的轴向方向与光纤(I)的径向方向平行，环形区域(2)的轴向厚度大于光纤(I)的纤芯直径，环形区域(2)的径向宽度小于纤芯直径；环形区域(2)与纤芯相交；所述纤芯在环形区域(2)轴向方向上的位置位于环形区域(2)的轴向跨度范围内；所述环形区域(2)的折射率大于纤芯折射率；所述环形区域(2)由聚焦离子束工艺对光纤(I)上的相应区域进行改性而得；所述环形区域(2)即形成光学回音壁微腔结构。2.根据权利要求1所述的聚焦离子束工艺改性加工的光学回音壁微腔结构，其特征在于:采用聚焦离子束工艺对光纤(I)上的相应区域进行改性时，以H+作为离子源。3.一种聚焦离子束工艺改性加工光学回音壁微腔结构的方法，所述光学回音壁微腔结构包括光纤(1)，所述光纤(I)的包层内设置有一环形区域(2)，所述环形区域(2)的轴向方向与光纤(I)的径向方向平行，环形区域(2)的轴向厚度大于光纤(I)的纤芯直径，环形区域(2)的径向宽度小于纤芯直径；环形区域(2)与纤芯相交；所述纤芯在环形区域(2)轴向方向上的位置位于环形区域(2)的轴向跨度范围内；所述环形区域(2)的折射率大于纤芯折射率；所述环形区域(2)由聚焦离子束工艺对光纤(I)上的相应区域进行改性而得；所述环形区域(2)即形成光学回音壁微腔结构； 其特征在于:按如下方法在光纤(I)上加工出前述光学回音壁微腔结构: 1)调节光纤(I)与A方向的相对位置，使A方向与光纤(I)的径向方向平行，且A方向与光纤(I)相交； 2)以H+作为离子源，采用聚焦离子束工艺沿A方向将H+聚焦在环形区域(2)的轴向上端面所在平面上； 3)传动光纤(I)在圆周方向上平动，所述圆周方向所在的平面与A方向垂直；光纤(I)平动时，A方向在光纤(I)上形成的圆形轨迹位于光纤(I)范围内，且圆形轨迹与光纤(I)的纤芯相交； 4)光纤(I)在圆周方向上平动了多圈后，控制光纤(I)驻停，然后传动光纤(I)向靠近聚焦离子束发射端的方向平移一定距离，然后继续传动光纤(I)沿所述圆周方向平动； 5)按步骤4)中方式操作多次，直至光学回音壁微腔结构加工完成。
【专利摘要】一种聚焦离子束工艺改性加工的光学回音壁微腔结构，包括光纤，光纤的包层内设置有一环形区域，环形区域的折射率大于纤芯折射率；所述环形区域由聚焦离子束工艺对光纤上的相应区域进行改性而得；所述环形区域即形成光学回音壁微腔结构。本发明的有益技术效果是：提供了一种新结构的光学回音壁微腔结构，该光学回音壁微腔结构直接形成于光纤内，光纤表面无损伤。
【IPC分类】B23K26/38, G02B6/293
【公开号】CN105158854
【申请号】CN201510685118
【发明人】朱涛, 史磊磊
【申请人】重庆大学
【公开日】2015年12月16日
【申请日】2015年10月22日