Herstellung einkristalliner mikrooptischer Resonatoren mit hohem Q-Wert durch Ultrapräzisionsbearbeitung.

Ein optischer Resonator ist ein Element, das Licht mit Hilfe des Resonanzphänomens einschließt und im Englischen als "Resonator" bezeichnet wird, wobei "cavity" für einen Hohlraum und "resonant" für Resonanz steht. Im Englischen wird er "Resonator" genannt, von "cavity" (Hohlraum) und "resonant" (resonant). Die einfachsten optischen Resonatoren bündeln Licht, indem sie es wiederholt zwischen einem Spiegelpaar reflektieren. Unsere Forschung zielt darauf ab, sehr kleine, leistungsstarke optische Resonatoren für den Einsatz in Lasern, Spektrometern und Sensoren herzustellen.
Solche Bauelemente werden als mikrooptische Resonatoren mit hohem Q-Wert bezeichnet, und ihre Herstellung erfordert eine Reihe von fortschrittlichen Technologien wie Halbleiterverarbeitung, Polieren und Laserbearbeitung. Der Q-Wert bezieht sich hier auf den Leistungsindex des Resonators, und je länger Licht eingeschlossen werden kann, desto höher ist der Q-Wert. Im Allgemeinen müssen Glas-, Silizium- und Fluoridmaterialien mit der gleichen Präzision wie die Wellenlänge des Lichts bearbeitet werden, um mikrooptische Resonatoren mit einem hohen Q-Wert herzustellen.

In Zusammenarbeit mit dem Kakinuma-Labor der Abteilung für Systemdesign ist es uns weltweit zum ersten Mal gelungen, mikrooptische Einkristallresonatoren mit einem hohen Q-Wert von über 100 Millionen mit Hilfe von Ultrapräzisionsbearbeitungstechnik herzustellen. Einkristalline mikrooptische Resonatoren aus Fluoridmaterialien und anderen Werkstoffen werden traditionell durch Polieren hergestellt. Mit dieser Methode lassen sich zwar hohe Q-Werte erzielen, doch ist es schwierig, die Struktur mit einer Genauigkeit im Mikrometerbereich zu kontrollieren. Die Kontrolle der Mikrostruktur hängt eng mit der Wellenlängendispersion zusammen und ist besonders wichtig bei der Anwendung der Mikrofrequenz-Kammlasertechnologie. Es wurden Versuche unternommen, optische Mikroresonatoren durch Präzisionsbearbeitung herzustellen, die jedoch aufgrund von Problemen mit der Oberflächenrauhigkeit als ungeeignet angesehen wurden. In dieser Studie wurde die Kristallstruktur des Fluoridmaterials analysiert und die Schneidbedingungen wurden optimiert, um sowohl einen hohen Q-Wert als auch eine strukturelle Kontrollierbarkeit zu erreichen, die mit der des Polierens vergleichbar ist.
Diese Technik ermöglicht die zuverlässige Herstellung hochleistungsfähiger mikrooptischer Resonatorelemente, was nicht nur für die Grundlagenforschung, wie z. B. Mikrofrequenzkämme, sondern auch für industrielle Anwendungen von großem Wert ist.