基于回音壁模式谐振器的微波光子学系统

本实验的总体目标是利用回音壁模式圆盘谐振器产生光学频率梳，用于微波光子学应用。第一步是研磨并抛光晶体圆盘的边缘，直至其表面粗糙度达到亚纳米量级。第二步是使用AAU干涉仪显微镜测量该表面粗糙度。

接下来，使用喷灯加热单模光纤并将其拉伸，以制备出直径为微米量级的锥形光纤。最后一步是利用该锥形光纤将激光耦合进入圆盘谐振腔，并激发一种回路光程对应于整数倍全内反射的耳语回廊模式。最终，通过增加泵浦功率，利用克尔非线性效应激发其他耳语回廊模式。

这会导致时域中的短脉冲以及频域中的频率梳。使用机械抛光的晶体圆盘进行测试的结果表明，可以实现非常高的表面平整质量，同时具有较小的内部吸收。表面粗糙度可利用定制的光学轮廓仪精确测量，相关的C因子则通过谐振腔方法来评估，以将光耦合进入圆盘谐振器。

我们使用在本实验室制备的Type纤维。与其他方法不同，Type纤维可提供触发非线性效应所需的极高耦合效率。

在低泵浦功率下，当激光功率足够高时，克尔非线性会诱导产生新的频率，从而形成光学频率梳。对于相位关联的频率，可生成稳定的微波信号，我们将其用于光子学应用。本方案的第一步是制备一个谐振腔。

从光学窗口用的结晶氟化镁或氟化钙开始。此处使用直径为六毫米的氟化钙圆片。该晶体将在抛光塔上进行塑形和抛光，抛光塔为本实验定制。

将样品固定在一根杆上，该杆通过主轴电机胶固定在主轴电机上，杆的末端对准晶体光学窗口的中心，将杆安装到主轴电机中。接下来，用适合所用晶体的抛光支撑垫覆盖V形金属导板。取预先配制的研磨粉（如粒径为10微米的金刚石或碳化硅）与水的混合物，将其倒入导板中的垫片上。

将晶体以约 5,000 RPM 的转速启动旋转，并将导板移向旋转的晶体，以 20 克的压力开始研磨。持续研磨，直至晶体形成如本计算机生成图像所示的凸面形状。所需时间根据材料不同，可能在两到四小时之间。

晶体塑形完成后，下一步是进一步的研磨和抛光。通过在导引液中使用粒径逐渐减小的磨料颗粒与水混合，整个过程需要四到八小时。在研磨和抛光过程中，获取表面状态的反馈信息至关重要。

最初，当晶体呈不透明状态时，应使用光学显微镜进行目视检查。表面应保持无缺陷，粗糙度应与磨料颗粒尺寸相当。随后，使用一微米颗粒成功抛光后，晶体变得透明；在后续阶段采用更细的磨料实现光学抛光后，需通过干涉测量法来表征表面。

使用配备莫尔干涉物镜的显微镜，通过观察莫尔物镜中的干涉图样，定性研究表面高度变化。入射光的一半被导向圆盘表面，另一半则被镜子反射。由圆盘反射的光与来自镜子的光产生干涉图样，用于表征圆盘表面。

这张干涉测量图像来自使用一微米粉末抛光的表面，显示出显著的高度变化。此图像来自使用100纳米粉末抛光的表面。

这表明表面更加光滑。为了进行更详细的表征，可使用计算机控制的方法，对表面微小区域内的高度变化进行测量。该图像的采集耗时约一小时，覆盖面积约为0.25平方毫米。

研磨和抛光应持续进行，直至干涉测量数据表明表面已尽可能光滑。为了将光耦合到圆盘，需在光纤上拉制一个锥形。

当制作锥形段时，光纤在锥形区域的直径从125微米减小到1微米。高阶模式被逐步激发，并相互发生干涉。此时达到一个临界点。

当这些高阶模式被消除后，仅剩一种模式被限制在光纤中传播，其倏逝场可用于将光耦合进入圆盘，从而形成用于与谐振器耦合的光学光纤。首先准备约一米长的单模石英光纤，将裸光纤两端分别熔接上FC连接器。

从单模石英光纤的中心段剥离约五厘米的塑料和聚合物涂层。然后将光纤的一端连接到连续波近红外激光光源，另一端连接到光电二极管。这样可以实现对光纤的监测。

接下来，将光纤剥离区域两侧的涂覆部分固定到由计算机控制的高分辨率电机上。电机应由计算机控制，并设置为以恒定加速度向相反方向牵拉光纤两端。现在，用喷灯加热光纤的未涂覆部分，持续约一分钟。

火焰应温和，以避免损坏正在拉制的锥形光纤。在继续加热约一分钟后，使用电机的计算机接口启动各电机，使其以每平方秒约五微米的恒定加速度运动。第二步，一旦拉制开始，利用激光光源和光电二极管监测锥形光纤的透射情况。

在过程中会出现碘的干涉图样，其频率逐渐增加，随后在废料直径接近一微米时消失。此时，立即停止电机运动和火焰，以将光耦合至谐振器并测量腔体的阿甘模式。必须在显微镜下将谐振器与光纤锥形部分相互靠近。

将谐振器固定在三维压电平移台（PAO控制）上，并将其移至光纤锥附近，同时使用显微镜监测谐振器与光纤锥之间的相对位置。将谐振器移动至距离锥形光纤小于一微米的位置。利用反射镜辅助调整垂直位置和倾斜角度，以测试光纤与谐振器的耦合情况。

将锥形光纤连接至可见光激光二极管。当耦合效率较高时，谐振器应被照亮。一旦实现高效耦合，便用一台模式跳变抑制且线宽窄于共振线宽的激光器替换可见光激光二极管。

锥形光纤的另一端应接入连接至示波器的光电二极管。当光进入谐振腔后，其强度随时间呈指数衰减。该衰减过程的特征时间称为光子寿命。

衡量谐振腔储能能力的一个重要参数是品质因数，其定义为光子寿命与光子角频率的乘积。可通过腔衰荡实验准确测量品质因数。实验时，快速扫描输入激光的波长，使腔内衰减的谐振光与后续时刻失谐的光之间产生干涉。

然后微调谐振器和锥形光纤的位置，以最大化耦合质量因子。以示波器波形作为参考，通过拟合测量曲线来确定质量因子。通过在可调谐激光器与谐振器之间插入一个光放大器，可以观察到非线性效应。

利用光电二极管示波器的波形作为反馈，调节激光器，使其输入波长接近共振。此时，将输出光纤连接至高分辨率光谱分析仪。在略微失谐泵浦波长的同时，逐步增加激光输入功率。

在泵浦峰的两侧将出现新的频率。这是一种精密光学频率梳。在此透射率随时间变化的图中，蓝色曲线是利用腔衰荡技术在由氟化钙制成的耳语回廊模式谐振器上测得的。

通过本方案所述方法，红色曲线为拟合曲线，可从中确定出1.5×10⁹的固有品质因数。该数据展示了为回音壁模式谐振器获得的精密光学频率梳。中心频率为输入激光的频率，约为193.3 THz。

其他谱线由谐振腔中的非线性相互作用产生。每条谱线之间的频率间隔为六吉赫兹，对应于谐振腔的自由光谱范围。观看本视频后，您应能够充分理解如何制备超高品质因子的回音壁模式谐振腔，如何使用锥形光纤将其与激光泵浦源耦合，以及如何生成光学频率梳。

这些方法能够研究非线性介质中强局域激光场诱导的基本光与物质相互作用，并探索多种技术应用。在进行该实验操作时，切勿忘记采取防护措施，例如佩戴口罩、手套以及经认证的激光防护眼镜。