超高品质因子微棒腔制备装置及方法

1.本发明涉及回音壁微腔制备技术领域，尤其涉及一种超高品质因子微棒腔制备装置及方法。


背景技术：

2.回音壁光学微腔具有超高的品质因子和很小的模式体积，可以同时在时间和空间上实现光场局域，是现代基础光物理研究和集成光子学应用的关键之一。具有回音壁模式的光学微腔对人类的生产生活、科学研究具有举足轻重的作用，例如在生物探测、精密测量以及高速光通信等领域中已经得到了广泛的应用。
3.高品质因子的回音壁微腔制备方法主要包括化学刻蚀和熔融制备，传统的片上回音壁光学微腔主要采用的是半导体光刻工艺结合特定材料相关的刻蚀方法。
4.基于刻蚀法的制备过程复杂，制备流程过长，得到的回音壁光学微腔品质因子往往也比较低。而利用二氧化碳激光器对高纯度的石英棒进行熔融制备得到的微棒腔可以实现超高的品质因子。首先，利用高功率的二氧化碳激光对二氧化硅石英棒进行烧蚀熔融，再降低二氧化碳激光功率对微腔表面进行回流处理，从而制备了品质因子超过1
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109的二氧化硅微棒腔。
5.虽然熔融法具有制备简单，制备速度快，并且能实现超高品质因子等优势，但仍存在一些局限性：（1）需要人工制备，生产效率低；（2）制备过程具有较大的不稳定性；（3）空气中的水蒸气会使得制备过程中微腔的氢氧根含量增加。
6.人工制备的低效性阻碍了其大规模产业应用和推广，此外制备的不稳定性也使得微腔的性能比如品质因子等也具有相应的不确定性，影响制备的鲁棒性；而氢氧根含量的增加使得回音壁微棒腔的热效应增大，不利用基于微棒腔产生光孤子从而面向精密测量、光通信等应用。


技术实现要素：

7.本发明提供一种超高品质因子微棒腔制备装置及方法，用以解决现有技术中采用人工制备的回音壁微腔性能不稳定，制备效率低的缺陷，实现微棒腔的自动化制备，提高鲁棒性和制备效率。
8.本发明提供一种超高品质因子微棒腔制备装置，包括：二氧化碳激光器，用以向样棒发射熔融激光；旋转电机，所述旋转电机的输出端设有转轴，所述转轴用以同轴装配所述样棒；步进位移台，所述旋转电机设于所述步进位移台上，所述步进位移台可沿所述转轴的轴向移动；控制器，所述控制器分别与所述二氧化碳激光器、所述旋转电机和所述步进位移
台电连接。
9.根据本发明提供的一种超高品质因子微棒腔制备装置，还包括光学显微镜和电荷耦合件相机，所述光学显微镜的采集端用以与所述样棒的加工位置相对设置，所述电荷耦合件相机的采集端与所述光学显微镜的观察端相对设置，所述电荷耦合件相机与所述控制器电连接。
10.根据本发明提供的一种超高品质因子微棒腔制备装置，还包括反应仓，所述二氧化碳激光器、所述步进位移台和所述旋转电机均设于所述反应仓内。
11.根据本发明提供的一种超高品质因子微棒腔制备装置，还包括氮气储罐，所述氮气储罐的出气口通过输气管与所述反应仓的进气口连接。
12.根据本发明提供的一种超高品质因子微棒腔制备装置，所述输气管上设有电磁阀，所述电磁阀与所述控制器连接。
13.根据本发明提供的一种超高品质因子微棒腔制备装置，还包括触控显示屏，所述触控显示屏与所述控制器电连接。
14.根据本发明提供的一种超高品质因子微棒腔制备装置，所述步进位移台包括步进电机、基座和位移座，所述步进电机的输出端设有丝杠，所述基座设有导向滑轨，所述位移座设于所述基座上，并与所述导向滑轨导向适配；所述位移座设有与所述丝杠相适配的螺母，所述旋转电机设于所述位移座上，所述步进电机与所述控制器电连接。
15.根据本发明提供的一种超高品质因子微棒腔制备装置，所述二氧化碳激光器的输出功率小于或等于50瓦。
16.根据本发明提供的一种超高品质因子微棒腔制备装置，所述样棒为石英棒。
17.本发明还提供一种超高品质因子微棒腔制备方法，包括如下步骤：将所述样棒同轴对应装配于所述转轴上，使所述二氧化碳激光器的激光发射端与所述样棒的加工位置相对；通过所述控制器设置制备参数，并按照制备参数分别控制所述二氧化碳激光器、所述旋转电机和所述步进位移台作业，至微棒腔完成制备。
18.本发明提供的超高品质因子微棒腔制备装置及方法，包括二氧化碳激光器，用以向样棒发射熔融激光；旋转电机，所述旋转电机的输出端设有转轴，所述转轴用以同轴装配所述样棒；步进位移台，所述旋转电机设于所述步进位移台上，所述步进位移台可沿所述转轴的轴向移动；控制器，所述控制器分别与所述二氧化碳激光器、所述旋转电机和所述步进位移台电连接，通过控制器自动控制二氧化碳激光器、旋转电机和步进位移台，结构简单，实现对样棒自动加工制备微棒腔，保证微棒腔的鲁棒性，提高制备效率。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1是本发明提供的超高品质因子微棒腔制备装置的结构框示图；
附图标记：1：二氧化碳激光器；2：样棒；3：旋转电机；4：转轴；5：步进位移台；6：控制器；7：电荷耦合件相机；8：反应仓；9：输气管；10：电磁阀； 11：触控显示屏。
具体实施方式
21.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
22.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
23.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
24.在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
25.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
26.下面结合图1描述本发明的一种超高品质因子微棒腔制备装置，包括：二氧化碳激光器1，用以向样棒2发射熔融激光；旋转电机3，旋转电机3的输出端设有转轴4，转轴4用以同轴装配样棒2；步进位移台5，旋转电机3设于步进位移台5上，步进位移台5可沿转轴4的轴向移动；控制器6，控制器6分别与二氧化碳激光器1、旋转电机3和步进位移台5电连接。可以理解的是，二氧化碳激光器1用以向样棒2发射熔融激光，实现微棒腔的熔融制备。旋转电机3的输出端设置转轴4，转轴4用以装配样棒2，进而旋转电机3带动样棒2高速转动。其中，
样棒2与转轴4同轴安装，转轴4的一端与旋转电机3的输出端固定连接，转轴4的另一端设有插孔，样棒2插设在插孔内，样棒2的直径与插孔的内径相适配，保证稳定卡持，防止旋转过程中发生掉落。值得说明的是，也可采用在旋转电机3的输出端设置机械手，实现对样棒2的稳定夹持。
27.进一步地，旋转电机3稳定安装于步进位移台5上，步进位移台5可沿转轴4的轴向移动，也就是说，步进位移台5带动旋转电机3，进而带动样棒2沿样棒2的长度方向移动，实现沿样棒2的轴向加工多个微棒腔。
28.其中，控制器6分别与二氧化碳激光器1、旋转电机3和步进位移台5电连接，实现对二氧化碳激光器1、旋转电机3和步进位移台5电连接的作业状态的控制。
29.具体的，样棒2稳固安装与转轴4上，控制器6向旋转电机3发送启动指令，旋转电机3驱动样棒2高速旋转；控制器6向二氧化碳激光器1发送启动指令，二氧化碳激光器1发射熔融激光，并作用于处于高速旋转的样棒2的第一待加工位置，熔融制备第一个微棒腔；控制器6发送启动指令至步进位移台5，并发送暂停指令至二氧化碳激光器1，步进位移台5带动旋转电机3移动，待样棒2的第二待加工位置与二氧化碳激光器1的发射端相对时，步进位移台5停止移动，二氧化碳激光器1向样棒2的第二待加工位置发生熔融激光，至第二个微棒腔制备完成；如此往复，至制备完成需要个数的微棒腔。
30.根据本发明提供的一种超高品质因子微棒腔制备装置，还包括光学显微镜和电荷耦合件相机7，光学显微镜的采集端用以与样棒2的加工位置相对设置，电荷耦合件相机7的采集端与光学显微镜的观察端相对设置，电荷耦合件相机7与控制器6电连接。可以理解的是，光学显微镜的采集端与样棒2的加工位置相对设置，光学显微镜利用光学原理，对样棒2的加工位置进行放大成像。电荷耦合件相机7即ccd（charge coupled device）相机的采集端与光学显微镜的观察端相对设置，进而实现对制备过程和微棒腔进行实时成像。电荷耦合件相机7与控制器6电连接，实现成像信息的传输存储，便于工作人员观察以及后期的改进提供资料支撑。
31.根据本发明提供的一种超高品质因子微棒腔制备装置，还包括反应仓8，二氧化碳激光器1、步进位移台5和旋转电机3均设于反应仓8内。可以理解的是，为了对制备过程以及各设备的防护，将二氧化碳激光器1、步进位移台5和旋转电机3均安装于反应仓8内，提高制备的安全性，减少影响因素。
32.根据本发明提供的一种超高品质因子微棒腔制备装置，还包括氮气储罐，氮气储罐的出气口通过输气管9与反应仓8的进气口连接。可以理解的是，氮气储罐内存储氮气，氮气储罐的出气口通过输气管9与反应仓8的进气口连接，实现向反应仓8内输送氮气，将反应仓8内的空气由其出气口排出，营造氮气环境，减少制备过程中微棒腔的氢氧根含量。值得说明的是，在微棒腔制备之前，向反应仓8内输送氮气，输送时间根据反应仓8的大小具体设定，保证空气完全或接近完全排出后，再开始制备微棒腔。
33.根据本发明提供的一种超高品质因子微棒腔制备装置，输气管9上设有电磁阀10，电磁阀10与控制器6连接。可以理解的是，输气管9上设置电磁阀10，用以控制输气管9的通断。电磁阀10与控制器6连接，实现控制器6对电磁阀10的自动控制。需要说明的是，在整个
制备过程中，电磁阀10始终处于打开，也就是说，氮气储罐始终向反应仓8中输送氮气。本实施例中，电磁阀10选用流量电磁阀10，根据实际需要对电磁阀10的开度进行调控，制备前，电磁阀10的开度大，提高空气排除效率；制备过程中，电磁阀10的开度小，减少氮气流动对微棒腔形成的影响，提高微棒腔的鲁棒性。
34.根据本发明提供的一种超高品质因子微棒腔制备装置，还包括触控显示屏11，触控显示屏11与控制器6电连接。可以理解的是，触控显示屏11与控制器6电连接，可实现通过触控显示屏11向控制器6输送制备参数，同时，控制器6将成像信息发送至触控显示屏11进行显示，方便工作人员直观查看制备过程。
35.根据本发明提供的一种超高品质因子微棒腔制备装置，步进位移台5包括步进电机、基座和位移座，步进电机的输出端设有丝杠，基座设有导向滑轨，位移座设于基座上，并与导向滑轨导向适配；位移座设有与丝杠相适配的螺母，旋转电机3设于位移座上，步进电机与控制器6电连接。可以理解的是，步进电机作为步进位移台5的动力输出部分，步进电机的输出端设置丝杠，实现步进电机驱动丝杠正转或反转。基座设有导向滑轨，导向滑轨和丝杠均沿转轴4的轴向设置。位移座对应装配于基座的导向滑轨上，实现对位移座的移动导向。
36.其中，位移座的底侧设有螺母，螺母套设于丝杠上，当丝杠转动时，螺母带动位移座沿丝杠的长度方向移动，进而位移座带动旋转电机3移动，实现对样棒2的待加工位置的移动调整。控制器6与步进电机电连接，用以控制步进电机的正转和反转的启停，自动化操作。
37.根据本发明提供的一种超高品质因子微棒腔制备装置，二氧化碳激光器1的输出功率小于或等于50瓦。可以理解的是，二氧化碳激光器1的最大输出功率为50瓦，满足激光熔融制备微棒腔的要求。
38.根据本发明提供的一种超高品质因子微棒腔制备装置，样棒2为石英棒。可以理解的是，本实施例中样棒2具体为石英棒。
39.下面对本发明提供的超高品质因子微棒腔制备方法进行描述，下文描述的超高品质因子微棒腔制备方法与上文描述的超高品质因子微棒腔制备装置可相互对应参照。
40.本发明还提供一种超高品质因子微棒腔制备方法，包括如下步骤：将样棒2同轴对应装配于转轴4上，使二氧化碳激光器1的激光发射端与样棒2的加工位置相对；通过控制器6设置制备参数，并按照制备参数分别控制二氧化碳激光器1、旋转电机3和步进位移台5作业，至微棒腔完成制备。
41.本发明提供的一种超高品质因子微棒腔制备方法，具体包括如下步骤：将二氧化硅石英棒装配于转轴4上，保证石英棒的端面与转轴4的端面保持平行，即同轴装配；通过触控显示屏11输入制备参数，并将制备参数发送至控制器6，其中制备参数包括光学显微镜的位置参数、石英棒的初始位置参数、旋转电机3的转速、待制备的微棒腔的个数，控制器6根据制备参数分别向旋转电机3、步进电机发送相应调整指令；控制器6向电磁阀10发送启动指令，氮气储罐向反应仓8输送氮气，设定时间后，控制器6向旋转电机3发送启动指令，使得石英棒高速稳定旋转，控制器6向二氧化碳激光器1
发送启动指令，二氧化碳激光器1发射熔融激光作用于石英棒的第一待加工位置；ccd相机采集光学显微镜放大后的图像，并将图像信息传输至控制器6，最终由触控显示屏11进行显示，实现对制备过程和微棒腔进行实时成像；当完成第一个微棒腔的制备后，控制器6向二氧化碳激光器1和旋转电机3发送停止指令，再向步进电机发送启动指令，步进电机驱动丝杠旋转，使得位移座带动旋转电机3移动设定距离，该设定距离即是相邻两个微棒腔的设定间距；重复第一为微棒腔的制备步骤，完成第二个微棒腔的制备，依次类推，直至完成设定个数的微棒腔加工制备；控制器6向电磁阀10发送关闭指令，氮气储罐停止向反应仓8输送氮气，取出石英棒。
42.本发明提供的超高品质因子微棒腔制备装置及方法，包括二氧化碳激光器，用以向样棒发射熔融激光；旋转电机，旋转电机的输出端设有转轴，转轴用以同轴装配样棒；步进位移台，旋转电机设于步进位移台上，步进位移台可沿转轴的轴向移动；控制器，控制器分别与二氧化碳激光器、旋转电机和步进位移台电连接，通过控制器自动控制二氧化碳激光器、旋转电机和步进位移台，结构简单，实现对样棒自动加工制备微棒腔，保证微棒腔的鲁棒性，提高制备效率。
43.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。