本發(fā)明的領(lǐng)域是光學(xué)諧振器。

背景技術(shù)：

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在波導(dǎo)和諧振器中使用的材料已長(zhǎng)期影響了由激光束產(chǎn)生的模式系列的類(lèi)型和模式系列的強(qiáng)度。選擇一個(gè)或多個(gè)模式系列通常取決于改變所使用的材料的幾何形狀。例如，Rofin的EP2362502公開(kāi)了這樣的模式選擇技術(shù)：該模式選擇技術(shù)允許通過(guò)在激光中的波導(dǎo)的表面中引入凹坑來(lái)選擇模式。當(dāng)需要時(shí)，凹坑的長(zhǎng)度幫助選擇最低階模式。然而，切割這樣的凹坑在所涉及的工具的靈活性方面需要非常精確。

Leger的US5745511允許用戶(hù)通過(guò)首先計(jì)算針對(duì)該模式系列所需的鏡反射率，然后產(chǎn)生具有所需的鏡反射率的反射鏡，來(lái)選擇模式系列。然而，Leger的反射鏡可以產(chǎn)生其他不想要的模式系列且僅精確到50μm的尺寸內(nèi)。由于Leger取決于化學(xué)刻蝕過(guò)程來(lái)產(chǎn)生這樣的模式選擇的反射鏡，因此不能制作用于強(qiáng)大的激光的更小的反射鏡。

Zeitner的US20030147445教導(dǎo)了這樣的波導(dǎo)諧振器：該波導(dǎo)諧振器具有在波導(dǎo)的刻面附近變薄的波導(dǎo)，以產(chǎn)生相位結(jié)構(gòu)，該相位結(jié)構(gòu)增加用于特定模式的循環(huán)損失。然而，Zeitner的方法僅允許波導(dǎo)的在刻面附近的區(qū)域被改變，其限制可被消除的模式類(lèi)型。Zeitner的方法也僅可以應(yīng)用于由多種材料制成的諧振器，其傾向于比單片諧振器具有更低的Q因子。

Peyghambarian的US20090154503教導(dǎo)了通過(guò)使用吸收一些波長(zhǎng)的光但允許其它波長(zhǎng)的光通過(guò)的化學(xué)摻雜劑來(lái)選擇模式的方法。預(yù)選的模式系列將使用由僅允許能夠在預(yù)選的模式系列中產(chǎn)生光的波長(zhǎng)的摻雜劑制成的諧振器和波導(dǎo)。然而，存在一些不具有相應(yīng)的摻雜劑(該相應(yīng)的摻雜劑足以選擇性地僅允許所需的波長(zhǎng)通過(guò)諧振器)的模式系列。在這種情況下，必須使用舊的技術(shù)。

因此，存在用于選擇單片諧振器中的模式系列的改善的系統(tǒng)和方法的需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

下面的描述包括可以幫助理解本發(fā)明的信息。這并不表示這里提供的任何信息屬于現(xiàn)有技術(shù)或者與所要求的本發(fā)明有關(guān)，或者不表示任何明確或暗中引用的公開(kāi)文件屬于現(xiàn)有技術(shù)。

在一些實(shí)施方式中，用于描述并要求保護(hù)本發(fā)明的某些實(shí)施方式的表示成分的量、性能(諸如，濃度、反應(yīng)條件)等的數(shù)字應(yīng)當(dāng)理解成在一些情況下由術(shù)語(yǔ)“大約”來(lái)修飾。因此，在一些實(shí)施方式中，在所述書(shū)面說(shuō)明書(shū)和所附權(quán)利要求書(shū)中闡述的數(shù)值參數(shù)是可以根據(jù)特定實(shí)施方式所獲得的所需性能而變化的近似值。在一些實(shí)施方式中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)所報(bào)告的有效數(shù)位的數(shù)字和通過(guò)應(yīng)用慣常的四舍五入法來(lái)解釋數(shù)值參數(shù)。雖然闡述本發(fā)明的一些實(shí)施方式的大致范圍的數(shù)值范圍和參數(shù)是近似值，但是具體實(shí)例中闡述的數(shù)值按盡量可行的精確程度給出。本發(fā)明的一些實(shí)施方式中呈現(xiàn)的數(shù)值可能包含必然由在它們各自的試驗(yàn)測(cè)量中發(fā)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)偏差產(chǎn)生的某些誤差。

如在本說(shuō)明書(shū)中和之后的權(quán)利要求中所使用的那樣，除非上下文另有明確說(shuō)明，否則“一”，“一個(gè)”和“該”的含義包括多數(shù)。此外，如本說(shuō)明書(shū)中所使用的那樣，除非上下文另有明確說(shuō)明，否則“在…之內(nèi)”的含義包括“之內(nèi)”和“之上”。

除非上下文另外說(shuō)明，在本文中使用的術(shù)語(yǔ)“耦合到(coupled to)”用于既包括直接耦合(其中兩個(gè)元件彼此耦合、彼此接觸)，又包括間接耦合(其中至少一個(gè)其他元件介于這兩個(gè)元件之間)。因此，可將術(shù)語(yǔ)“耦合到”和“與......耦合(coupled with)”作為同義詞使用。

除非上下文另有相反說(shuō)明，否則本文所提出的所有范圍應(yīng)該被解釋為包括邊界點(diǎn)，開(kāi)放的范圍應(yīng)該被解釋成包括商業(yè)上可實(shí)施的值。類(lèi)似地，除非上下文另有相反說(shuō)明，否則所有的值的列表應(yīng)該被認(rèn)為包括中間值。

本文對(duì)值的范圍的列舉僅僅是為了用作單獨(dú)提及落在該范圍內(nèi)的每個(gè)單獨(dú)數(shù)值的快捷方法。除非本文另外說(shuō)明，否則每個(gè)單獨(dú)的值均包括在本說(shuō)明書(shū)中，就像其在本文中單獨(dú)列舉一樣。除非本文另外說(shuō)明或上下文有明顯沖突，否則本文所述的所有方法可以按任何合適的順序執(zhí)行。相對(duì)于本文的某些實(shí)施方式提供的任何和所有示例或示例性語(yǔ)言(例如，“諸如”)的使用僅是為了更好地闡述本發(fā)明并且不對(duì)本發(fā)明的范圍加以限制，而是進(jìn)行要求保護(hù)。本說(shuō)明書(shū)中的語(yǔ)言不應(yīng)理解為是表示實(shí)踐本發(fā)明所必需的任何不受要求保護(hù)的元件。

本文公開(kāi)的發(fā)明的多組替選元件或?qū)嵤┓绞讲坏美斫鉃橄拗?。每組構(gòu)件可以單獨(dú)或者按照與該組的其他構(gòu)件或本文提出的其他元件的任何組合來(lái)進(jìn)行指代并要求保護(hù)。為了方便和/或可專(zhuān)利性的目的，一組中可以包括或刪除一組的一個(gè)或多個(gè)構(gòu)件。當(dāng)發(fā)生任何這些包括或刪除時(shí)，本文中的說(shuō)明書(shū)被視為包括所修改的組，因此實(shí)現(xiàn)在所附權(quán)利要求書(shū)中使用的任何馬庫(kù)什組的書(shū)面描述。

本發(fā)明主題提供了改變單片諧振器以降低單片諧振器的一個(gè)或多個(gè)模式系列的Q的裝置、系統(tǒng)和方法。使用該方法，可以通過(guò)降低不想要的模式系列的Q來(lái)預(yù)選一個(gè)或多個(gè)模式系列。

如本文中所使用的“單片諧振器”是由單一材料制成的光學(xué)諧振器，該單一材料諸如氟化鈣、氟化鎂、熔融二氧化硅、氮化硅、或其他類(lèi)型的晶體或玻璃。單片諧振器沒(méi)有包括通過(guò)將多個(gè)襯底結(jié)合至增益介質(zhì)而形成的諧振器，這是因?yàn)檫@些諧振器由多種材料制成。如本文中所使用的“光學(xué)諧振器”是形成用于光波的駐波腔諧振器的反射鏡的腔，諸如回音壁模式(whispering gallery mode，WGM)諧振器、全內(nèi)反射諧振器和反射鏡透鏡。

當(dāng)連續(xù)波(Continuous Wave，CW)光源(諸如激光)被導(dǎo)向至單片諧振器中時(shí)，在腔中的反射光通常發(fā)生諧振且通過(guò)相長(zhǎng)干涉在光頻率的一個(gè)或多個(gè)模式系列內(nèi)積聚強(qiáng)度。由于在那些模式系列中的光傾向于僅經(jīng)由通過(guò)諧振器的某些光學(xué)路徑進(jìn)行諧振，因此如果沿著該路徑在任一點(diǎn)改變折射率，則可以降低通過(guò)該路徑進(jìn)行諧振的光的Q。該方法利用模式系列的光學(xué)路徑沿諧振器的表面在空間上彼此不重疊的諧振器尤其良好地工作。

優(yōu)選地，降低Q至少2個(gè)、3個(gè)、4個(gè)或5個(gè)數(shù)量級(jí)，以有效地使模式系列無(wú)用。如本文中所使用的，當(dāng)模式系列的Q被降低至少五個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)，“消除”該模式系列。在優(yōu)選實(shí)施方式中，改變沿除一個(gè)模式系列以外的所有其它的模式系列的光學(xué)路徑的折射率，以消除諧振器內(nèi)的除了一個(gè)模式系列以外的所有其它模式系列?？梢允褂贸尸F(xiàn)用戶(hù)界面的系統(tǒng)，該用戶(hù)界面允許用戶(hù)選擇待被選擇的模式系列(有效地選擇待被降低的所有其它模式系列)或選擇待被降低的一個(gè)或多個(gè)模式系列。

可以以多種方式改變諧振器的一部分的折射率。例如，可以沿著諧振器的表面切割或刻蝕凹坑或諧振腔，以劣化使用該表面進(jìn)行諧振的模式系列。如本文中所使用的，“凹坑”是沿著表面形成的凹部，而“諧振腔”是兩個(gè)凹坑之間的具有改變的折射率的區(qū)域。例如，這些凹坑可以使用尖銳的工具、熱工具、激光、或腐蝕性化學(xué)品來(lái)切割或刻蝕至表面。優(yōu)選地，預(yù)期的凹坑至多1微米或2微米，且可以小到1納米。諧振腔的寬度通常至少0.5微米或1微米。

當(dāng)選擇單個(gè)模式系列時(shí)，可以刮掉整個(gè)表面以形成突出部，其中，該突出部是留下的尚未被劣化的唯一的光學(xué)路徑。在其它實(shí)施方式中，可以使用飛秒脈沖激光器或放電而僅在諧振器的表面下方形成一個(gè)或多個(gè)局部改變的結(jié)構(gòu)，以改變折射率。例如，這種局部改變的結(jié)構(gòu)可以是在材料中的空隙、注入、或密度轉(zhuǎn)移。離子注入(諸如氫離子注入)可以用于在諧振器的表面下方創(chuàng)建局部改變的結(jié)構(gòu)。

當(dāng)改變折射率時(shí)，尤其當(dāng)與更小的諧振器一起工作時(shí)，高精度是優(yōu)選的。凹坑和諧振腔通常至多5微米厚，且優(yōu)選至多1微米厚。所形成的空隙優(yōu)選是微觀的，且直徑為至多1微米或2微米。這種空隙也通常放置在離諧振器的表面至多1微米、2微米、3微米、4微米或5微米處。

通過(guò)下面參考附圖對(duì)優(yōu)選實(shí)施方式的具體描述，本發(fā)明主題的各種目的、特征、方面和優(yōu)點(diǎn)將變得更加清晰，在附圖中相似的附圖標(biāo)記代表相似的組件。

應(yīng)當(dāng)理解，所公開(kāi)的技術(shù)提供了許多有利的技術(shù)效果，包括預(yù)選諧振器的一個(gè)或多個(gè)模式系列。

下述討論提供了一些本發(fā)明主題的示例實(shí)施方式。盡管每個(gè)實(shí)施方式代表本發(fā)明元件的單一組合，但是認(rèn)為本發(fā)明主題包括了公開(kāi)元件的所有可能的組合。因此，如果某一實(shí)施方式包括元件A、B和C，而另一實(shí)施方式包括元件B和D，則即便未明確公開(kāi)，也可認(rèn)為本發(fā)明主題包括元件A、B、C或D的其他剩余組合。

附圖說(shuō)明

圖1A是WGM諧振器的平面圖。

圖1B是圖1A的回音壁模式諧振器的剖視圖。

圖2A是全內(nèi)反射諧振器的平面圖。

圖2B是圖2B的全內(nèi)反射諧振器的剖視圖。

圖3A是回音壁模式諧振器的利用腔改變的部分的放大的剖視圖。

圖3B是圖3A中示出的部分的表面的視圖。

圖4A是回音壁模式諧振器的利用空隙改變的部分的放大的剖視圖。

圖4B是圖4A中示出的部分的表面的視圖。

圖5是通過(guò)刮掉諧振器的外表面的兩側(cè)而改變的WGM諧振器的側(cè)視圖。

圖6是通過(guò)刮掉外表面的多個(gè)部分而改變的WGM諧振器的側(cè)視圖。

圖7是圖3A的諧振器的光譜。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明主題提供了改變單片諧振器以降低諧振器的一個(gè)或多個(gè)模式系列的質(zhì)量的裝置、系統(tǒng)和方法。

WGM諧振器廣泛用于非線性光學(xué)、光力學(xué)、和微波光子學(xué)，因?yàn)樗鼈兡軌蛟诠鈱W(xué)透明非線性材料中實(shí)現(xiàn)顯著集中的連續(xù)波(CW)光。高Q的WGM諧振器的低功率外部CW泵浦導(dǎo)致在諧振器模式體積內(nèi)循環(huán)的GW/cm²的光強(qiáng)度。在圖1A和圖1B中，所示出的WGM諧振器110具有光學(xué)路徑112、光學(xué)路徑114和光學(xué)路徑116，該光學(xué)路徑112、光學(xué)路徑114和光學(xué)路徑116分別表示一個(gè)模式系列。如圖1A所示，每個(gè)模式系列沿著回音壁的外周發(fā)生諧振，從而增加沿著該路徑發(fā)生諧振的光波的Q因子。雖然當(dāng)在圖1A中觀看時(shí)每個(gè)模式系列看起來(lái)共享同一光學(xué)路徑，但是圖1B示出光學(xué)路徑112、光學(xué)路徑114和光學(xué)路徑116中的每一者不重疊且位于彼此的上方或下方。

WGM諧振器通常由任何光學(xué)透明材料或晶體的圓柱狀預(yù)成型體形成，該光學(xué)透明材料或晶體諸如氟化鈣、氟化鎂、熔融二氧化硅、氮化硅、或藍(lán)寶石纖維。然后可以以等于諧振器的所需直徑的直徑來(lái)選擇圓柱狀預(yù)成型體。然后可以以數(shù)學(xué)方式或?qū)嶒?yàn)方式確定不同的模式系列的光學(xué)路徑的位置，示出與圖1B中示出的視圖相似的視圖的用戶(hù)界面可以顯示給用戶(hù)，該用戶(hù)界面允許用戶(hù)選擇哪一種模式系列待被劣化。

圖2A和圖2B示出了以具有側(cè)面211、側(cè)面212、側(cè)面213、側(cè)面214、側(cè)面215和側(cè)面216的全內(nèi)反射諧振器形式的單片諧振器210的替選實(shí)施方式。側(cè)面211、側(cè)面212、側(cè)面213、側(cè)面214、側(cè)面215通常被處理為反射的而側(cè)面214被處理為半反射的。預(yù)期的處理包括利用介電反射材料和介電半反射材料涂覆表面，雖然這種涂層不是必需的。這確保了通過(guò)側(cè)面211入射到單片諧振器的光將在腔內(nèi)發(fā)生諧振，從而增加在通過(guò)半反射表面214射出之前通過(guò)相長(zhǎng)干涉而發(fā)生諧振的光波的Q因子。一個(gè)模式系列的光學(xué)路徑216示出為被壁212反射且另一個(gè)模式系列的光學(xué)路徑217示出為被壁213反射。

改變沿著光學(xué)路徑112、光學(xué)路徑114、光學(xué)路徑116、光學(xué)路徑216、或光學(xué)路徑217中的任一者的折射率可以導(dǎo)致沿著該光學(xué)路徑發(fā)生諧振的模式系列的劣化。如果光學(xué)路徑的許多部分被充分劣化，則可以顯著降低該模式系列內(nèi)的波的Q因子，有時(shí)降低多達(dá)3-5個(gè)數(shù)量級(jí)。為了降低光學(xué)路徑112的質(zhì)量，例如，可以改變?cè)趫D1B中示出的諧振器110的頂部的折射率。關(guān)于諧振器210，為了降低光學(xué)路徑216的質(zhì)量，可以改變壁212的光被其反射的一部分的折射率。

如上所討論的，可以以多種方式改變單片諧振器的折射率。在圖3A和圖3B中，已經(jīng)改變了WGM諧振器110的部分118以創(chuàng)建諧振器310。諧振器310已經(jīng)被創(chuàng)建為降低光學(xué)路徑112和光學(xué)路徑116的質(zhì)量，同時(shí)使光學(xué)路徑114的質(zhì)量保持不變。在圖3A中，通過(guò)在WGM諧振器的表面的多個(gè)位置中刻痕而已經(jīng)在諧振器110的表面中形成脊?fàn)钗?12。該刻痕可以以多種方式來(lái)執(zhí)行，例如當(dāng)諧振器在車(chē)床上旋轉(zhuǎn)時(shí)通過(guò)使用工具的尖銳的端部或利用激光燒蝕材料來(lái)執(zhí)行。微脊和微溝槽的子波長(zhǎng)相當(dāng)于該材料的折射率的減少。使沿著光學(xué)路徑314的表面保持光滑，以確保在該模式系列內(nèi)的光波的質(zhì)量的數(shù)量級(jí)分別高于沿著光學(xué)路徑312和光學(xué)路徑316產(chǎn)生的光波的質(zhì)量。在圖3B中更容易地看到平滑的表面和粗糙的表面，圖3B示出光學(xué)路徑114如何沿著表面314保持平滑，不像已經(jīng)刻痕有多個(gè)腔的表面312。

可以通過(guò)調(diào)節(jié)諧振器的高度、包括脊?fàn)钗锏膸У膶挾群兔總€(gè)脊?fàn)钗锏暮穸群蜕疃葋?lái)設(shè)計(jì)模態(tài)特性。脊?fàn)钗锿ǔＭㄟ^(guò)將來(lái)自不想要的模式的光從其散射的材料形式來(lái)生成低折射率的區(qū)域。圖3A示出了沿著光學(xué)路徑314產(chǎn)生的模式的數(shù)值模擬的場(chǎng)分布。在該實(shí)施方式中，諧振器310僅支持單個(gè)模式，如通過(guò)諧振器的體積內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)度所示，然而預(yù)期可以選擇多個(gè)模式。例如，沿著光學(xué)路徑114的表面可以被刻痕同時(shí)沿著光學(xué)路徑112和光學(xué)路徑116的表面均未改變。這將創(chuàng)建兩個(gè)模式預(yù)選且僅一個(gè)模式被劣化的諧振器。

圖4A和圖4B示出在諧振器的表面下方已經(jīng)形成局部改變的結(jié)構(gòu)412的替選WGM諧振器410。這些局部改變的結(jié)構(gòu)可以是空隙、密度轉(zhuǎn)移或注入，該局部改變的結(jié)構(gòu)可以以多種方式形成，諸如應(yīng)用飛秒脈沖激光器以在結(jié)晶材料內(nèi)創(chuàng)建微觀空隙的圖案。這改變了創(chuàng)建局部改變的結(jié)構(gòu)的位置的折射率，這可以嚴(yán)重降低在WGM諧振器410的那些部分中產(chǎn)生的模式系列的質(zhì)量。離子注入(諸如氫離子注入)也可以用于穿透材料的內(nèi)部且在特定的深度沉積能量。優(yōu)選地，在諧振器的表面的特定的深度414(諸如1-2微米)內(nèi)形成局部改變的結(jié)構(gòu)。

局部改變的結(jié)構(gòu)創(chuàng)建“點(diǎn)”圖案，諸如在圖4B中示出的那些“點(diǎn)”圖案，該“點(diǎn)”圖案被設(shè)計(jì)成沿著光學(xué)路徑114產(chǎn)生感興趣的模態(tài)光譜。由于該處理沒(méi)有去除諧振器的表面處的材料(以鑿開(kāi)或激光燒蝕方式將去除諧振器的表面處的材料)，因此可以以更好的方式維持結(jié)晶結(jié)構(gòu)的完整性。再者，雖然僅一個(gè)模式示出為被選擇，但是可以選擇多個(gè)模式，而不脫離本發(fā)明的范圍。

圖5示出其中已經(jīng)改變WGM諧振器400以降低沿著表面414和表面416的上光學(xué)路徑的質(zhì)量同時(shí)使沿著表面412的光學(xué)路徑不變的替選實(shí)施方式。在該實(shí)施方式中，可以不與圖3A中示出的場(chǎng)分布一樣顯著改變模式的場(chǎng)分布，但是沿著表面414和表面416進(jìn)行諧振的模式系列將通常已經(jīng)降低至少1-2個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖6示出其中已經(jīng)改變WGM諧振器500以降低多個(gè)光學(xué)路徑514的質(zhì)量同時(shí)使所選光學(xué)路徑512保持不變的另一實(shí)施方式。在該實(shí)施方式中，已經(jīng)選擇多個(gè)模式系列，從而創(chuàng)建集體局域態(tài)。

圖7示出在圖3A和圖3B中示出的諧振器310的光譜。該光譜幾乎限于單個(gè)高Q模式，其中少數(shù)的小的模式具有顯著減弱的Q。通過(guò)在WGM諧振器的表面的下方形成的大量的空隙，Q的差異應(yīng)該更為顯著。

對(duì)于本領(lǐng)域一般技術(shù)人員而言顯而易見(jiàn)的是，可以在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下做出除已經(jīng)描述的內(nèi)容之外的改進(jìn)。因此，除非是在隨附的權(quán)利要求書(shū)的范圍中，否則本發(fā)明主題不受限制。此外，在解釋說(shuō)明書(shū)及權(quán)利要求書(shū)時(shí)，應(yīng)以符合上下文的盡可能最寬泛的方式解釋所有術(shù)語(yǔ)。尤其地，術(shù)語(yǔ)“包括”和“包含”應(yīng)當(dāng)解釋為涉及以非排他性方式的元件、組件或步驟，這些元件、組件或步驟表明涉及的元件、組件或步驟可存在、或被利用、或與未明確涉及的其他元件、組件或步驟結(jié)合。當(dāng)說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求書(shū)涉及到從由A、B、C…和N構(gòu)成的組中選出的至少一項(xiàng)時(shí)，此時(shí)該內(nèi)容應(yīng)該解釋為僅需要該組中的一個(gè)要素，而不是需要該組中的A和N，或該組中的B和N等。