封面 | “小”微腔、“大”应用：商用超高品质氟化镁微盘腔

封面解析：封面展示了超高品质因子氟化镁晶体微盘腔的超光滑表面粗糙度效果。基于超精密研磨抛光工艺可以制备出亚纳米表面粗糙度的氟化镁晶体微腔，通过降低腔体表面散射损耗实现超高品质因子性能。超高品质氟化镁晶体微盘腔在航空航天和深空探测等领域具有重要的应用价值。

《光学学报》2022年第19期封面文章 | 戴键; 候迎港; 高司达; 刘安妮; 李鑫敏; 徐坤; 超高品质氟化镁晶体微盘腔的制备与测试[J].光学学报, 2022, 42 (19):1923004.

1、研究背景

回音壁光学微腔通过回音壁模式将高能量密度光场局域于腔体内，具有极高的品质因子和极小的模式体积，在非线性光学、相干光通信、微波光子学以及微纳传感等领域具有广阔的应用前景。

目前常见的高品质回音壁光学微腔通常包括片上微腔和晶体微腔两种类型：片上微腔主要通过COMS兼容工艺制备，适用于大规模生产和片上光子集成应用；另外，晶体微腔主要通过超精密机械加工法制备，利用磨削抛光等工艺充分发挥晶体材料优越的光学特性，实现光学晶体微腔的超高品质因子优势。

光学晶体微腔的材料体系非常丰富，包括常见的氟化镁、氟化钙、氟化钡、铌酸锂、钽酸锂及蓝宝石等晶体材料，丰富的材料体系极大地拓展了晶体微腔的应用范围。其中，超高品质氟化镁晶体微腔具有低热光系数和非线性阈值低等特性，在非线性克尔光学频率梳和超窄线宽激光器等研究领域具有独特的技术优势。然而，超高品质氟化镁晶体微腔的制备加工难度极高，氟化镁材料脆性大且易崩边，并且在加工过程中极易产生应力作用和亚表层损伤，上述因素对超高品质氟化镁晶体微腔的制备加工提出了巨大挑战，也严重制约了我国相关领域的研究发展。

2、氟化镁晶体回音壁光学微腔

氟化镁晶体回音壁光学微腔的品质因子Q值受到诸多方面的影响，通过降低腔体表面粗糙度以减小散射损耗是提升氟化镁晶体微腔Q值行之有效的技术途径。微腔侧壁表面粗糙度主要受限于加工制备工艺水平，北京邮电大学射频光子学实验室经过长期研究探索，设计实现了一套完整的超精密加工工艺，并结合课题组自主研制的超精密加工平台，制备出了表面粗糙度达亚nm量级的氟化镁晶体微盘腔，采用国际标准的腔内功率衰荡法测量得到腔体有载Q值高达10⁹量级，攻克了我国商用超高品质回音壁晶体微腔的制备技术瓶颈。

超高品质氟化镁晶体微腔加工工艺主要包括定形、粗抛以及精抛三部分：首先，利用单点金刚石切削技术对氟化镁晶体微腔进行初步定形，以此减少微腔赤道面高阶极向模式影响；其次，分别进行9 μm、6 μm和3 μm颗粒度的粗抛光；最后，依次进行1 μm、0.5 μm和0.1 μm颗粒度的精抛光。在进行1μm颗粒度抛光时，抛光压力和抛光时间分别设置为15g和2h，轴承转速设置为2500r/min，该颗粒度抛光完成后，氟化镁微盘腔的品质因子Q值可以达到10⁷量级。在0.5μm和0.1μm颗粒度抛光阶段，抛光压力和抛光时间分别设置为10g和4h，轴承转速设置为2000 r/min。

图1 精抛后的氟化镁晶体微盘腔。（a）腔体实貌图；（b）侧壁轮廓图；（c）粗糙度表征图

图1（a）展示了北京邮电大学课题组制备出的超高Q值氟化镁晶体微盘腔实貌图，精抛后的氟化镁微腔具有图1（b）所示的超光滑侧壁面，腔体赤道表面粗糙度达到亚nm量级（0.394 nm），如图1（c）所示。利用锥形光纤耦合结合腔内功率衰荡法测得氟化镁晶体微盘腔在1550 nm波段处有载品质因子Q值达到1.2×10⁹，并且腔体自由光谱范围FSR约为15 GHz（如图2（a）所示），进一步验证了课题组制备的氟化镁微盘腔具备超高品质因子水平，具体品质因子Q值测量结果如图2（b）所示。   

图2 氟化镁微盘腔性能指标测量结果。（a）自由光谱范围FSR；（b）品质因子Q值

超高Q值氟化镁微腔可以用来作为超窄线宽外腔激光器、集成光电振荡器和谐振式光学陀螺等功能模块的核心关键元件，能够极大提升系统的工作性能与稳定性。北京邮电大学课题组研究实现的超精密制备工艺和加工平台适用于不同材料、尺寸和形貌的毫米级超高品质光学晶体微腔，有助于进一步推动我国超高品质光学晶体微腔领域的研究发展与技术应用。

3、未来展望

超高Q值氟化镁晶体微腔具有非线性阈值低、机械性能高和热光噪声低等优势，在超窄线宽激光器和集成低相噪微波信号源等方面都具有重要的实用价值，可以广泛应用于无线通信、雷达探测、传感测量、无人驾驶、量子科技和深空探测等领域。北京邮电大学课题组后续将对超高Q值氟化镁晶体微腔的可靠集成微组装开展研究，并结合实际系统需求开展高性能频率信号源的关键技术攻关，推动超高Q值氟化镁晶体微腔在相关领域的应用发展。

作者课题组介绍：

戴键，北京邮电大学电子工程学院射频光子学实验室副教授，博士生导师。由徐坤教授（国家杰出青年基金获得者，现任北京邮电大学校长）领导的射频光子学课题组隶属于北京邮电大学电子工程学院和信息光子学与光通信国家重点实验室，主要研究方向包括光纤无线融合网络、射频光子技术、智能内容创作与传播、生物机器融合计算等。研究团队建立了完备的微波和光波系统测试与应用平台，研究内容涵盖理论分析、系统应用和工程开发等多方面，成果主要应用于国防安全、宽带通信、人工智能、智能计算、生命健康和文化创意等领域。

科学编辑：戴键; 候迎港; 徐坤;

编辑：张浩佳