用于去除模式系列的系统和方法与流程

本发明的领域是光学谐振器。

背景技术：

背景描述包括可以帮助理解本发明的信息。这并不表示这里提供的任何信息属于现有技术或者与所要求的本发明有关，或者不表示任何明确或暗中引用的公开文件属于现有技术。

本文中的所有出版物通过引用以相同的程度并入，如同每个单独的出版物或专利申请被特别地且单独地指示为通过引用并入。在并入的参考文献中的术语的定义或使用与本文中提供的该术语的定义不一致或相矛盾的情况下，采用本文中提供的该术语的定义，弃用参考文献中的该术语的定义。

在波导和谐振器中使用的材料已长期影响了由激光束产生的模式系列的类型和模式系列的强度。选择一个或多个模式系列通常取决于改变所使用的材料的几何形状。例如，Rofin的EP2362502公开了这样的模式选择技术：该模式选择技术允许通过在激光中的波导的表面中引入凹坑来选择模式。当需要时，凹坑的长度帮助选择最低阶模式。然而，切割这样的凹坑在所涉及的工具的灵活性方面需要非常精确。

Leger的US5745511允许用户通过首先计算针对该模式系列所需的镜反射率，然后产生具有所需的镜反射率的反射镜，来选择模式系列。然而，Leger的反射镜可以产生其他不想要的模式系列且仅精确到50μm的尺寸内。由于Leger取决于化学刻蚀过程来产生这样的模式选择的反射镜，因此不能制作用于强大的激光的更小的反射镜。

Zeitner的US20030147445教导了这样的波导谐振器：该波导谐振器具有在波导的刻面附近变薄的波导，以产生相位结构，该相位结构增加用于特定模式的循环损失。然而，Zeitner的方法仅允许波导的在刻面附近的区域被改变，其限制可被消除的模式类型。Zeitner的方法也仅可以应用于由多种材料制成的谐振器，其倾向于比单片谐振器具有更低的Q因子。

Peyghambarian的US20090154503教导了通过使用吸收一些波长的光但允许其它波长的光通过的化学掺杂剂来选择模式的方法。预选的模式系列将使用由仅允许能够在预选的模式系列中产生光的波长的掺杂剂制成的谐振器和波导。然而，存在一些不具有相应的掺杂剂(该相应的掺杂剂足以选择性地仅允许所需的波长通过谐振器)的模式系列。在这种情况下，必须使用旧的技术。

因此，存在用于选择单片谐振器中的模式系列的改善的系统和方法的需求。

技术实现要素：

下面的描述包括可以帮助理解本发明的信息。这并不表示这里提供的任何信息属于现有技术或者与所要求的本发明有关，或者不表示任何明确或暗中引用的公开文件属于现有技术。

在一些实施方式中，用于描述并要求保护本发明的某些实施方式的表示成分的量、性能(诸如，浓度、反应条件)等的数字应当理解成在一些情况下由术语“大约”来修饰。因此，在一些实施方式中，在所述书面说明书和所附权利要求书中阐述的数值参数是可以根据特定实施方式所获得的所需性能而变化的近似值。在一些实施方式中，应当根据所报告的有效数位的数字和通过应用惯常的四舍五入法来解释数值参数。虽然阐述本发明的一些实施方式的大致范围的数值范围和参数是近似值，但是具体实例中阐述的数值按尽量可行的精确程度给出。本发明的一些实施方式中呈现的数值可能包含必然由在它们各自的试验测量中发现的标准偏差产生的某些误差。

如在本说明书中和之后的权利要求中所使用的那样，除非上下文另有明确说明，否则“一”，“一个”和“该”的含义包括多数。此外，如本说明书中所使用的那样，除非上下文另有明确说明，否则“在…之内”的含义包括“之内”和“之上”。

除非上下文另外说明，在本文中使用的术语“耦合到(coupled to)”用于既包括直接耦合(其中两个元件彼此耦合、彼此接触)，又包括间接耦合(其中至少一个其他元件介于这两个元件之间)。因此，可将术语“耦合到”和“与......耦合(coupled with)”作为同义词使用。

除非上下文另有相反说明，否则本文所提出的所有范围应该被解释为包括边界点，开放的范围应该被解释成包括商业上可实施的值。类似地，除非上下文另有相反说明，否则所有的值的列表应该被认为包括中间值。

本文对值的范围的列举仅仅是为了用作单独提及落在该范围内的每个单独数值的快捷方法。除非本文另外说明，否则每个单独的值均包括在本说明书中，就像其在本文中单独列举一样。除非本文另外说明或上下文有明显冲突，否则本文所述的所有方法可以按任何合适的顺序执行。相对于本文的某些实施方式提供的任何和所有示例或示例性语言(例如，“诸如”)的使用仅是为了更好地阐述本发明并且不对本发明的范围加以限制，而是进行要求保护。本说明书中的语言不应理解为是表示实践本发明所必需的任何不受要求保护的元件。

本文公开的发明的多组替选元件或实施方式不得理解为限制。每组构件可以单独或者按照与该组的其他构件或本文提出的其他元件的任何组合来进行指代并要求保护。为了方便和/或可专利性的目的，一组中可以包括或删除一组的一个或多个构件。当发生任何这些包括或删除时，本文中的说明书被视为包括所修改的组，因此实现在所附权利要求书中使用的任何马库什组的书面描述。

本发明主题提供了改变单片谐振器以降低单片谐振器的一个或多个模式系列的Q的装置、系统和方法。使用该方法，可以通过降低不想要的模式系列的Q来预选一个或多个模式系列。

如本文中所使用的“单片谐振器”是由单一材料制成的光学谐振器，该单一材料诸如氟化钙、氟化镁、熔融二氧化硅、氮化硅、或其他类型的晶体或玻璃。单片谐振器没有包括通过将多个衬底结合至增益介质而形成的谐振器，这是因为这些谐振器由多种材料制成。如本文中所使用的“光学谐振器”是形成用于光波的驻波腔谐振器的反射镜的腔，诸如回音壁模式(whispering gallery mode，WGM)谐振器、全内反射谐振器和反射镜透镜。

当连续波(Continuous Wave，CW)光源(诸如激光)被导向至单片谐振器中时，在腔中的反射光通常发生谐振且通过相长干涉在光频率的一个或多个模式系列内积聚强度。由于在那些模式系列中的光倾向于仅经由通过谐振器的某些光学路径进行谐振，因此如果沿着该路径在任一点改变折射率，则可以降低通过该路径进行谐振的光的Q。该方法利用模式系列的光学路径沿谐振器的表面在空间上彼此不重叠的谐振器尤其良好地工作。

优选地，降低Q至少2个、3个、4个或5个数量级，以有效地使模式系列无用。如本文中所使用的，当模式系列的Q被降低至少五个数量级时，“消除”该模式系列。在优选实施方式中，改变沿除一个模式系列以外的所有其它的模式系列的光学路径的折射率，以消除谐振器内的除了一个模式系列以外的所有其它模式系列。可以使用呈现用户界面的系统，该用户界面允许用户选择待被选择的模式系列(有效地选择待被降低的所有其它模式系列)或选择待被降低的一个或多个模式系列。

可以以多种方式改变谐振器的一部分的折射率。例如，可以沿着谐振器的表面切割或刻蚀凹坑或谐振腔，以劣化使用该表面进行谐振的模式系列。如本文中所使用的，“凹坑”是沿着表面形成的凹部，而“谐振腔”是两个凹坑之间的具有改变的折射率的区域。例如，这些凹坑可以使用尖锐的工具、热工具、激光、或腐蚀性化学品来切割或刻蚀至表面。优选地，预期的凹坑至多1微米或2微米，且可以小到1纳米。谐振腔的宽度通常至少0.5微米或1微米。

当选择单个模式系列时，可以刮掉整个表面以形成突出部，其中，该突出部是留下的尚未被劣化的唯一的光学路径。在其它实施方式中，可以使用飞秒脉冲激光器或放电而仅在谐振器的表面下方形成一个或多个局部改变的结构，以改变折射率。例如，这种局部改变的结构可以是在材料中的空隙、注入、或密度转移。离子注入(诸如氢离子注入)可以用于在谐振器的表面下方创建局部改变的结构。

当改变折射率时，尤其当与更小的谐振器一起工作时，高精度是优选的。凹坑和谐振腔通常至多5微米厚，且优选至多1微米厚。所形成的空隙优选是微观的，且直径为至多1微米或2微米。这种空隙也通常放置在离谐振器的表面至多1微米、2微米、3微米、4微米或5微米处。

通过下面参考附图对优选实施方式的具体描述，本发明主题的各种目的、特征、方面和优点将变得更加清晰，在附图中相似的附图标记代表相似的组件。

应当理解，所公开的技术提供了许多有利的技术效果，包括预选谐振器的一个或多个模式系列。

下述讨论提供了一些本发明主题的示例实施方式。尽管每个实施方式代表本发明元件的单一组合，但是认为本发明主题包括了公开元件的所有可能的组合。因此，如果某一实施方式包括元件A、B和C，而另一实施方式包括元件B和D，则即便未明确公开，也可认为本发明主题包括元件A、B、C或D的其他剩余组合。

附图说明

图1A是WGM谐振器的平面图。

图1B是图1A的回音壁模式谐振器的剖视图。

图2A是全内反射谐振器的平面图。

图2B是图2B的全内反射谐振器的剖视图。

图3A是回音壁模式谐振器的利用腔改变的部分的放大的剖视图。

图3B是图3A中示出的部分的表面的视图。

图4A是回音壁模式谐振器的利用空隙改变的部分的放大的剖视图。

图4B是图4A中示出的部分的表面的视图。

图5是通过刮掉谐振器的外表面的两侧而改变的WGM谐振器的侧视图。

图6是通过刮掉外表面的多个部分而改变的WGM谐振器的侧视图。

图7是图3A的谐振器的光谱。

具体实施方式

本发明主题提供了改变单片谐振器以降低谐振器的一个或多个模式系列的质量的装置、系统和方法。

WGM谐振器广泛用于非线性光学、光力学、和微波光子学，因为它们能够在光学透明非线性材料中实现显著集中的连续波(CW)光。高Q的WGM谐振器的低功率外部CW泵浦导致在谐振器模式体积内循环的GW/cm²的光强度。在图1A和图1B中，所示出的WGM谐振器110具有光学路径112、光学路径114和光学路径116，该光学路径112、光学路径114和光学路径116分别表示一个模式系列。如图1A所示，每个模式系列沿着回音壁的外周发生谐振，从而增加沿着该路径发生谐振的光波的Q因子。虽然当在图1A中观看时每个模式系列看起来共享同一光学路径，但是图1B示出光学路径112、光学路径114和光学路径116中的每一者不重叠且位于彼此的上方或下方。

WGM谐振器通常由任何光学透明材料或晶体的圆柱状预成型体形成，该光学透明材料或晶体诸如氟化钙、氟化镁、熔融二氧化硅、氮化硅、或蓝宝石纤维。然后可以以等于谐振器的所需直径的直径来选择圆柱状预成型体。然后可以以数学方式或实验方式确定不同的模式系列的光学路径的位置，示出与图1B中示出的视图相似的视图的用户界面可以显示给用户，该用户界面允许用户选择哪一种模式系列待被劣化。

图2A和图2B示出了以具有侧面211、侧面212、侧面213、侧面214、侧面215和侧面216的全内反射谐振器形式的单片谐振器210的替选实施方式。侧面211、侧面212、侧面213、侧面214、侧面215通常被处理为反射的而侧面214被处理为半反射的。预期的处理包括利用介电反射材料和介电半反射材料涂覆表面，虽然这种涂层不是必需的。这确保了通过侧面211入射到单片谐振器的光将在腔内发生谐振，从而增加在通过半反射表面214射出之前通过相长干涉而发生谐振的光波的Q因子。一个模式系列的光学路径216示出为被壁212反射且另一个模式系列的光学路径217示出为被壁213反射。

改变沿着光学路径112、光学路径114、光学路径116、光学路径216、或光学路径217中的任一者的折射率可以导致沿着该光学路径发生谐振的模式系列的劣化。如果光学路径的许多部分被充分劣化，则可以显著降低该模式系列内的波的Q因子，有时降低多达3-5个数量级。为了降低光学路径112的质量，例如，可以改变在图1B中示出的谐振器110的顶部的折射率。关于谐振器210，为了降低光学路径216的质量，可以改变壁212的光被其反射的一部分的折射率。

如上所讨论的，可以以多种方式改变单片谐振器的折射率。在图3A和图3B中，已经改变了WGM谐振器110的部分118以创建谐振器310。谐振器310已经被创建为降低光学路径112和光学路径116的质量，同时使光学路径114的质量保持不变。在图3A中，通过在WGM谐振器的表面的多个位置中刻痕而已经在谐振器110的表面中形成脊状物312。该刻痕可以以多种方式来执行，例如当谐振器在车床上旋转时通过使用工具的尖锐的端部或利用激光烧蚀材料来执行。微脊和微沟槽的子波长相当于该材料的折射率的减少。使沿着光学路径314的表面保持光滑，以确保在该模式系列内的光波的质量的数量级分别高于沿着光学路径312和光学路径316产生的光波的质量。在图3B中更容易地看到平滑的表面和粗糙的表面，图3B示出光学路径114如何沿着表面314保持平滑，不像已经刻痕有多个腔的表面312。

可以通过调节谐振器的高度、包括脊状物的带的宽度和每个脊状物的厚度和深度来设计模态特性。脊状物通常通过将来自不想要的模式的光从其散射的材料形式来生成低折射率的区域。图3A示出了沿着光学路径314产生的模式的数值模拟的场分布。在该实施方式中，谐振器310仅支持单个模式，如通过谐振器的体积内的场强度所示，然而预期可以选择多个模式。例如，沿着光学路径114的表面可以被刻痕同时沿着光学路径112和光学路径116的表面均未改变。这将创建两个模式预选且仅一个模式被劣化的谐振器。

图4A和图4B示出在谐振器的表面下方已经形成局部改变的结构412的替选WGM谐振器410。这些局部改变的结构可以是空隙、密度转移或注入，该局部改变的结构可以以多种方式形成，诸如应用飞秒脉冲激光器以在结晶材料内创建微观空隙的图案。这改变了创建局部改变的结构的位置的折射率，这可以严重降低在WGM谐振器410的那些部分中产生的模式系列的质量。离子注入(诸如氢离子注入)也可以用于穿透材料的内部且在特定的深度沉积能量。优选地，在谐振器的表面的特定的深度414(诸如1-2微米)内形成局部改变的结构。

局部改变的结构创建“点”图案，诸如在图4B中示出的那些“点”图案，该“点”图案被设计成沿着光学路径114产生感兴趣的模态光谱。由于该处理没有去除谐振器的表面处的材料(以凿开或激光烧蚀方式将去除谐振器的表面处的材料)，因此可以以更好的方式维持结晶结构的完整性。再者，虽然仅一个模式示出为被选择，但是可以选择多个模式，而不脱离本发明的范围。

图5示出其中已经改变WGM谐振器400以降低沿着表面414和表面416的上光学路径的质量同时使沿着表面412的光学路径不变的替选实施方式。在该实施方式中，可以不与图3A中示出的场分布一样显著改变模式的场分布，但是沿着表面414和表面416进行谐振的模式系列将通常已经降低至少1-2个数量级。

图6示出其中已经改变WGM谐振器500以降低多个光学路径514的质量同时使所选光学路径512保持不变的另一实施方式。在该实施方式中，已经选择多个模式系列，从而创建集体局域态。

图7示出在图3A和图3B中示出的谐振器310的光谱。该光谱几乎限于单个高Q模式，其中少数的小的模式具有显著减弱的Q。通过在WGM谐振器的表面的下方形成的大量的空隙，Q的差异应该更为显著。

对于本领域一般技术人员而言显而易见的是，可以在不脱离本发明构思的前提下做出除已经描述的内容之外的改进。因此，除非是在随附的权利要求书的范围中，否则本发明主题不受限制。此外，在解释说明书及权利要求书时，应以符合上下文的尽可能最宽泛的方式解释所有术语。尤其地，术语“包括”和“包含”应当解释为涉及以非排他性方式的元件、组件或步骤，这些元件、组件或步骤表明涉及的元件、组件或步骤可存在、或被利用、或与未明确涉及的其他元件、组件或步骤结合。当说明书和权利要求书涉及到从由A、B、C…和N构成的组中选出的至少一项时，此时该内容应该解释为仅需要该组中的一个要素，而不是需要该组中的A和N，或该组中的B和N等。