阅读说明：本技术 耗散增益耦合微腔系统 (Dissipative gain coupled microcavity system ) 是由 张靖 张皖哲 杨震宁 关剑卿 施炜 霍跃 于 2020-04-16 设计创作，主要内容包括：本申请涉及一种耗散增益耦合微腔系统,所述第一传输通道和第二传输通道分别设置在所述第一被动微腔和所述第二被动微腔的两侧。所述第一传输通道、所述第二传输通道、所述第一被动微腔和所述第二被动微腔设置于同一平面。通过调整所述第一被动微腔的大小、所述激光的频率、所述第一传输通道和所述第一被动微腔之间的距离,可以在所述第一被动微腔产生拉曼光。然后通过使所述第一被动微腔和所述第二被动微腔耦合、所述第二被动微腔和所述第二传输通道耦合输出拉曼光。主动微腔需要掺杂铒等增益介质,生产工艺复杂,成本高。而第一被动微腔不需要掺杂所述增益介质,通过所述第一被动微腔替换主动微腔,可以降低生产工艺的难度,可以降低耗散增益耦合微腔系统的成本。(The application relates to a dissipation gain coupling microcavity system, first transmission passageway and second transmission passageway set up respectively first passive microcavity with the both sides of second passive microcavity. The first transmission channel, the second transmission channel, the first passive microcavity and the second passive microcavity are arranged on the same plane. By adjusting the size of the first passive microcavity, the frequency of the laser, and the distance between the first transmission channel and the first passive microcavity, raman light can be generated at the first passive microcavity. And then coupling out Raman light by coupling the first passive microcavity and the second passive microcavity, and coupling out the second passive microcavity and the second transmission channel. The active microcavity needs erbium-doped gain medium, and the like, and has complex production process and high cost. The first passive microcavity does not need to be doped with the gain medium, and the active microcavity is replaced by the first passive microcavity, so that the difficulty of the production process can be reduced, and the cost of the dissipation gain coupling microcavity system can be reduced.)

耗散增益耦合微腔系统

技术领域

本申请涉及精密仪器领域，特别涉及一种耗散增益耦合微腔系统。

背景技术

高精度的物理量测量是计量学的重要组成部分。由于人们对引力波探测、纳米结构传感以及全球定位和导航等方面的兴趣日益浓厚，这引起了人们的广泛关注。过去二十年来计量学的发展提供了必要的工具，以确定测量物理量的基本限制和实现这些限制所需的资源。

在许多不同的测量方法中，腔辅助测量(CAM)是一种将高质量(Q)因子腔或谐振器与被测设备(DUT)耦合在一起的测量方法，它已经成为一种实现高精度测量的通用而有效的实验方法。腔辅助计量已经成功地应用于读出量子位的状态，测量微小的机械运动，以及检测单粒子分辨率的纳米颗粒，而使用基于具有宇称变换和时间反演变换(耗散增益耦合)的微腔测量系统，可提升测量精度。在过去的研究中，证明了它在机械运动检测中，从未间断状态到断裂状态的过渡点附近灵敏度会得到显著提高，并可能在超高精度的测量和传感中得到应用。因为具有极高的品质因子和较小的模式体积，回音壁模式光学微腔能够极大地增强光场与物质相互作用，因此已经在很多领域中吸引了人们越来越多的研究兴趣，比如在高灵敏度传感领域等。通常的耗散增益耦合微腔系统需要两个微腔(active和passive)，即一个主动微腔和一个被动微腔。其中主动腔掺铒离子(active)更容易激发出激光。因此主动微腔制作工艺复杂，时间长，从而提高了产品的成本。

发明内容

基于此，有必要针对现有的耗散增益耦合微腔成本高的问题，提供一种耗散增益耦合微腔系统。

一种耗散增益耦合微腔系统，包括：

激光发射装置，用于发射激光；

光学微腔装置，包括：

第一被动微腔；

第二被动微腔，所述第一被动微腔和所述第二被动微腔相邻设置；

第一传输通道和第二传输通道，分别设置于所述第一被动微腔和所述第二被动微腔的两侧，所述第一传输通道、所述第二传输通道、所述第一被动微腔和所述第二被动微腔设置于同一平面，所述激光通过所述第一传输通道与所述第一被动微腔耦合输出拉曼激光，所述拉曼激光与所述第二被动微腔耦合后通过所述第二传输通道输出。

在其中一个实施例中，所述第一传输通道和所述第二传输通道均为光纤。

在其中一个实施例中，所述第一被动微腔和所述第二被动微腔均为圆盘结构。

在其中一个实施例中，所述第一传输通道的直径小于所述第一被动微腔的厚度。

在其中一个实施例中，所述第一被动微腔和所述第二被动微腔之间的距离为8微米到12微米。

在其中一个实施例中，所述第一传输通道到所述第一被动微腔之间的距离为100纳米到5微米。

在其中一个实施例中，所述第一被动微腔和所述第二被动微腔的直径均为40微米到80微米。

进一步地，所述第一被动微腔和所述第二被动微腔220的直径均为微米。当耗散增益耦合系统使用主动微腔时，所述主动微腔的直径需要达到纳米到纳米。因此，通过将所述主动微腔替换为所述第一被动微腔，可以大大降低所述耗散增益耦合微腔系统的体积，节省空间。

在其中一个实施例中，所述第一被动微腔和所述第二被动微腔的材质包括二氧化硅。

在其中一个实施例中，所述激光发射装置包括：

激光泵浦源，用于产生所述激光；

激光放大器，与所述激光泵浦源连接，用于调节所述激光的功率；

在其中一个实施例中，还包括激光隔离器，连接于所述激光泵浦源和所述激光放大器之间，用于隔离反射激光。

在其中一个实施例中，还包括光谱仪和示波器，分别与所述光学微腔装置连接。

在其中一个实施例中，还包括光电探测器，连接于所述示波器和所述光学微腔装置之间。

本申请实施例提供的所述耗散增益耦合微腔系统，所述第一被动微腔和所述第二被动微腔相邻设置，所述第一传输通道和第二传输通道分别设置在所述第一被动微腔和所述第二被动微腔的两侧。所述第一传输通道、所述第二传输通道、所述第一被动微腔和所述第二被动微腔设置于同一平面。通过调整所述第一被动微腔的大小、所述激光的频率、所述第一传输通道和所述第一被动微腔之间的距离，可以在所述第一被动微腔产生拉曼光。然后通过使所述第一被动微腔和所述第二被动微腔耦合、所述第二被动微腔和所述第二传输通道耦合输出拉曼光。由于主动微腔需要掺杂铒等增益介质，生产工艺复杂，成本高。而所述第一被动微腔不需要掺杂所述增益介质，通过所述第一被动微腔替换主动微腔，可以降低生产工艺的难度，因而可以降低耗散增益耦合微腔系统的成本。

附图说明

图1为本申请一个实施例中提供的耗散增益耦合微腔系统示意图；

图2为本申请一个实施例中提供的耗散增益耦合微腔系统示意图；

图3为本申请一个实施例中提供的耗散增益耦合微腔系统示意图；

图4为本申请一个实施例中提供的耗散增益耦合微腔系统示意图；

图5为本申请一个实施例中提供的耗散增益耦合微腔系统示意图；

附图标号：

耗散增益耦合微腔系统10

激光发射装置100

激光泵浦源110

激光隔离器120

激光放大器130

光学微腔装置200

第一被动微腔210

第二被动微腔220

第一传输通道230

第二传输通道240

光谱仪310

示波器320

光电探测器330

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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申请和简化描述，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申请的限制。

在本申请中，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。

请参见图1，本申请实施例提供一种耗散增益耦合微腔系统10。所述耗散增益耦合微腔系统10包括激光发射装置100和光学微腔装置200。所述光学微腔装置200包括第一被动微腔210、第二被动微腔220、第一传输通道230和第二传输通道240。所述第一被动微腔210和所述第二被动微腔220相邻设置。所述第一传输通道230和所述第二传输通道240分别设置于所述第一被动微腔210和所述第二被动微腔220的两侧。所述第一传输通道230、所述第二传输通道240、所述第一被动微腔210和所述第二被动微腔220设置于同一平面。所述激光通过所述第一传输通道230与所述第一被动微腔210耦合输出拉曼激光，所述拉曼激光与所述第二被动微腔220耦合后通过所述第二传输通道240输出。

所述激光发射装置100发射的激光的频率可以调整。通过调整所述激光发射装置100的激光的频率可以使得所述激光发射装置100与光学微腔装置200发生耦合。所述激光发射装置100可以包括发射激光频率可以调的泵浦光源。所述第一被动微腔210和所述第二被动微腔220的形状结构可以相同。所述第一传输通道230和所述第二传输通道240的材料可以相同。所述第一传输通道230和所述第二传输通道240均用于传播激光。所述第一传输通道230和所述第二传输通道240的直径和长度可以根据需要调整，可以均为光纤维材料。

所述第一传输通道230和所述第二传输通道240可以平行设置。所述第一被动微腔210和所述第二被动微腔220可以设置在所述第一传输通道230和所述第二传输通道240之间，所述第一被动微腔210和所述第二被动微腔220之间的距离可以根据需要调整，直至所述第一被动微腔210和所述第二被动微腔220之间发生较强的耦合。通过调整所述第一传输通道230和所述第一被动微腔210的距离、所述第二被动微腔220和所述第一被动微腔210之间的距离、所述第二被动微腔220和所述第二传输通道240之间的距离，使得从所述激光发射装置100发射的激光通过所述第一传输通道230与所述第一被动微腔210耦合，即激光的频率和所述第一被动微腔210的共振频率相同时发生耦合，此时可以产生拉曼激光。然后可以调整所述第一被动微腔210和所述第二被动微腔220之间的距离使得所述拉曼激光和所述第二被动微腔220耦合，然后通过与所述第二被动微腔220耦合的所述第二传输通道240输出所述拉曼光。因此构成耗散增益耦合微腔系统10，所述耗散增益耦合微腔系统10具有很高的测量精度。

本申请实施例提供的所述耗散增益耦合微腔系统10，所述第一被动微腔210和所述第二被动微腔220相邻设置，所述第一传输通道230和第二传输通道240分别设置在所述第一被动微腔210和所述第二被动微腔220的两侧。所述第一传输通道230、所述第二传输通道240、所述第一被动微腔210和所述第二被动微腔220设置于同一平面。通过调整所述第一被动微腔210的大小、所述激光的频率、所述第一传输通道230和所述第一被动微腔210之间的距离，可以在所述第一被动微腔210产生拉曼光。然后通过使所述第一被动微腔210和所述第二被动微腔220耦合、所述第二被动微腔220和所述第二传输通道240耦合输出拉曼光。由于主动微腔需要掺杂铒等增益介质，生产工艺复杂，成本高。而所述第一被动微腔210不需要掺杂所述增益介质，通过所述第一被动微腔210替换主动微腔，可以降低生产工艺的难度，因而可以降低耗散增益耦合微腔系统10的成本。

在其中一个实施例中，所述第一被动微腔210和所述第二被动微腔220可以采用高纯度的硅片制作。所述第一被动微腔210和所述第二被动微腔220的表面可以镀2微米厚的二氧化硅层。制作过程可以包括1、清洗并切割硅片；2、在所述硅片的表面涂光刻胶，烘干；3、在硅片的表面放置具有圆形图案的掩膜版，通过紫外线曝光图案化；4、将所述硅片放在显影液中显影，被紫外线曝光的光刻胶会被显影液清洗掉，而被圆形图案保护的光刻胶依然存留在硅片的表面，掩膜版中的图案就转换成光刻胶的图案。显影结束后用高纯水清洗干净；5、氢氟酸(HF)刻蚀，将显影后的硅片放入氢氟酸中刻蚀。二氧化硅会和氢氟酸反应，而被光刻胶覆盖的二氧化硅则不会参与反应，这样未被刻蚀的二氧化硅就形成了所需的图案。刻蚀结束后用丙酮、酒精和高纯水将硅片清洗干净；6、氟化氙刻蚀，将硅片切成条状，放入氟化氙刻蚀机中刻蚀，氟化氙和硅的反应速度非常快，而和二氧化硅的反应速度慢，因此可以在二氧化硅层的下方的硅被刻蚀出圆形支柱；7，二氧化硅激光热回流。二氧化硅激光的中心波长10.6微米。二氧化硅在该波段有很强的吸收。在热回流过程中，二氧化硅迅速熔融，然后由于表面张力收缩形成微芯环腔。

通常，当使用主动微腔(active)和被动微腔(passive)配合形成耗散增益耦合系统时，主动微腔的制作过程中，除了上述被动微腔的步骤，在形成微腔之前，通常还需要1、先将高纯度的硅酸四乙酯、浓盐酸、异丙醇和高纯度水按照一定比例混合形成均匀的液体；2、根据制备而成的微腔中铒离子的掺杂浓度，计算到硝酸铒的质量，然后在上述液体中加入相应的硝酸铒；3、将所述液体放置在温度为70℃的磁力搅拌仪上，加热三个小时并均匀搅拌，使上述物质反应形成溶胶；4、将液体在室温环境下24小时形成溶胶；5、去除高纯度的硅片将表面清洗干净，将制备好的溶胶均匀涂覆在硅片的表面，通过调整匀胶机的转速和时间控制厚度；6、将样品放置于1000℃的管式炉中高温退火3小时，结束后缓慢降温，在硅片的表面形成厚度约为500nm的二氧化硅层，铒离子均匀分布在其中，9、按照上述被动微腔的制作方法加工刻蚀制作出主动微腔。因此制作所述第一被动微腔210可以省去上述步骤，因而可以提高生产效率，降低生产成本。

在其中一个实施例中，所述第一传输通道230和所述第二传输通道240均为光纤。所述第一被动微腔210和所述第二被动微腔220之间的距离可以调整。可以通过将光缆表面的皮剥去得到所述光纤。用合适温度氢氧焰加热光纤，用专用的平台匀速拉制出直径约为几百纳米至1微米的光纤锥可以得到所述第一传输通道230和所述第二传输通道240。因此所述第一传输通道230和所述第二传输通道240的粗细和长度可以调整，进而可以调整激光的传输路径。

在其中一个实施例中，所述第一被动微腔210和所述第二被动微腔220均为圆盘结构。所述第一被动微腔210和所述第二被动微腔220可以相切或趋近于相切，进而使所述第一被动微腔210和所述第二被动微腔220耦合。

在一个实施例中，所述第一被动微腔210和所述第二被动微腔220的边缘可以凸起，所述激光可以在所述凸起中传导。所述第一被动微腔210和所述第二被动微腔220的底部还可以具有底座。

在其中一个实施例中，所述第一传输通道230的直径小于所述第一被动微腔210的厚度。即所述第一被动微腔210朝向所述光纤的方向投影可以覆盖所述光纤。从光纤射出的激光可以全部射入所述第一被动微腔210，提高耦合效果。

在其中一个实施例中，所述第一被动微腔210和所述第二被动微腔220之间的距离为8微米到12微米，在该范围内，所述第一被动微腔210和所述第二被动微腔220可以具有良好的耦合效果。进一步地，所述第一被动微腔210和所述第二被动微腔220之间的距离为9微米，此时所述第一被动微腔210和所述第二被动微腔220的耦合效果达到最佳。

在其中一个实施例中，所述第一传输通道230到所述第一被动微腔210之间的距离为100纳米到5微米。进一步地，所述第一传输通道230到所述第一被动微腔210之间的距离可以为1-3微米，更进一步地，所述第一传输通道230到所述第一被动微腔210之间的距离可以为2微米。在该范围内所述激光通过所述第一传输通道230与所述第一被动微腔210具有良好的耦合效果。

在其中一个实施例中，所述第一被动微腔210和所述第二被动微腔220的直径均为40纳米到80微米。进一步地，所述第一被动微腔210和所述第二被动微腔220的直径均为40微米。当耗散增益耦合系统使用主动微腔时，所述主动微腔的直径需要达到100纳米到200纳米。因此，通过将所述主动微腔替换为所述第一被动微腔210，可以大大降低所述耗散增益耦合微腔系统10的体积，节省空间。

在其中一个实施例中，所述第一被动微腔210和所述第二被动微腔220的材质包括二氧化硅。二氧化硅具有良好的光学性能。

请参见图2，在其中一个实施例中，所述激光发射装置100包括激光泵浦源110和激光放大器130。所述激光泵浦源110用于产生所述激光。所述激光放大器130与所述激光泵浦源110连接，用于调节所述激光的功率。所述激光放大器130可以将所述激光的频率放大。

请参见图3，在其中一个实施例中，所述耗散增益耦合微腔系统10还包括激光隔离器120。所述激光隔离器120连接于所述激光泵浦源110和所述激光放大器130之间。所述激光隔离器120用于隔离反射激光，从而可以防止激光泵浦源110被破坏。

请参见图4，在其中一个实施例中，所述耗散增益耦合微腔系统10还包括光谱仪310和示波器320。所述光谱仪310和所述示波器320分别与所述光学微腔装置200连接。在其中一个实施例中，所述第二传输通道240可以与所述示波器320和所述光谱仪310连接，所述第一传输通道230可以与所述示波器320连接。可以适当调节所述第一传输通道230相对于所述第一被动微腔210的位置，当所述示波器320显示的洛伦兹谷达到最深时，可以认为该点为临界耦合点，即最合适的点。可以调节所述激光的频率，使得所述激光与所述第一被动微腔210共振，此时所述激光可以通过所述第一传输通道230与所述第一被动微腔210耦合，从而可以在所述光谱仪310上观察到拉曼光。通过调谐可以调节激光的幅度并在光谱仪310上观测到稳定的拉曼激光输出谱，此时若所述第一被动微腔210和所述第二被动微腔220耦合较强，即耦合可以达到几千到几十千赫兹时，可以实现新的耗散增益耦合微腔系统10。

所述光谱仪310可以由一个入射狭缝，一个色散系统，一个成像系统和一个或多个出射狭缝组成。所述光谱仪的类型不限。所述光谱仪310也可以为棱镜光谱仪、光栅光谱仪和干涉光谱仪等。

所述示波器320可以将电信号变换成图像。所述示波器320利用狭窄的、由高速电子组成的电子束，打在涂有荧光物质的屏面上，就可产生细小的光点。在被测信号的作用下，利用示波器能观察各种不同信号幅度随时间变化的波形曲线。

请参见图5，在其中一个实施例中，所述耗散增益耦合微腔系统10还包括光电探测器330。所述光电探测器330连接于所述示波器320和所述光学微腔装置200之间。所述光电探测器330用于将光信号转换为电信号输送给所述示波器320。所述光电探测器330的工作原理是基于光电效应。所述光电探测器330可以为光子探测器，也可以为热探测器。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。