Усовершенствованная технология точечного алмазного точения для серийного изготовления оптических кристаллических микрорезонаторов

Миньков К.Н., Ружицкая Д.Д., Воробьёв А.К., Леденёв Е.И., Горбов В.М., Джириков Р.Ю., Каляев В.Ю., Тебенева Т.С., Шитиков А.Е., Булыгин Ф.В.

Ссылка для цитирования:

Миньков К.Н., Ружицкая Д.Д., Воробьев А.К., Леденёв Е.И., Горбов В.М., Джириков Р.Ю., Каляев В.Ю., Тебенева Т.С., Шитиков А.Е., Булыгин Ф.В. Усовершенствованная технология точечного алмазного точения для серийного изготовления оптических кристаллических микрорезонаторов // Оптический журнал. 2026. Т. 93. № 7. С. 69–79. DOI: 10.17586/1023-5086-2026-93-07-69-79

Minkov K.N., Ruzhitskaya D.D., Vorobyev A.K., Ledenev E.I., Gorbov V.M., Jirikov R.Yu., Kalyaev V.Yu., Tebeneva T.S., Shitikov A.E., Bulygin F.V. Improved technology of single-point diamond turning for serial production of optical crystalline microresonators [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2026. V. 93. № 7. P. 69–79. DOI: 10.17586/1023-5086-2026-93-07-69-79

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Серийное изготовление высокодобротных оптических микрорезонаторов с модами типа «шепчущей галереи» из анизотропных кристаллов. Цель. Разработка технологии точечного алмазного точения, обеспечивающей серийное изготовление оптических микрорезонаторов с модами типа шепчущей галереи из анизотропных материалов (MgF₂, BaMgF₄) в диапазоне диаметров от 75 мкм до 25 мм с допуском 1 мкм, шероховатостью поверхности не более 15 нм и добротностью без полировки не ниже 1ґ10⁵. Метод. Детальное исследование этапов точечного алмазного точения, выявление причин, порождающих факторы, ограничивающие характеристики оптических микрорезонаторов, на каждом этапе обработки, оценка их влияния и разработка мер, устраняющих причины и снижающих воздействие ограничивающих факторов. Основные результаты. Разработан трехстадийный процесс, включающий черновое точение, формирование тороидальной поверхности микрорезонаторов и финишную обработку для достижения минимальной шероховатости. Выявлены факторы, ограничивающие параметры изготавливаемых оптических микрорезонаторов: вибрация станка, износ рабочей кромки резца, погрешности подачи резца, температурные флуктуации. Проведенные исследования позволили разработать меры по минимизации указанных факторов. Экспериментально подтверждена высокая воспроизводимость параметров изготавливаемых оптических микрорезонаторов и их соответствие заданным значениям. Комплекс разработанных мер является усовершенствованным методом точечного алмазного точения. Практическая значимость. Разработка усовершенствованного метода точечного алмазного точения создает возможность серийного производства оптических микрорезонаторов с заданными параметрами для широкого применения в устройствах фотоники.

Ключевые слова:

оптические микрорезонаторы, моды шепчущей галереи, фотоника, добротность, алмазное точение

Благодарность:

работа выполнена при финансовой поддержке гранта РНФ № 25-72-20050 с использованием оборудования ЦКП ФГБУ «Всероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измерений» и ЦКП «Визуализации высокого разрешения» Сколковского института науки и технологий.

Коды OCIS: 120.0120, 160.1190, 160.4330

Список источников:

1. Braginsky V.B., Gorodetsky M.L., Ilchenko V.S. Quality-factor and nonlinear properties of optical whispering-gallery modes // Phys. Lett. A. 1989. V. 137. P. 393-397. DOI: 10.1016/0375-9601(89)90912-2

2. Lin G., Song Q. Kerr frequency comb interaction with Raman, Brillouin, and second order nonlinear effects // Laser & Photonics Rev. 2021. V. 16. P. 2100184. DOI: 10.1002/lpor.202100184

3. Anashkina E.A., Andrianov A.V. Kerr–Raman optical frequency combs in silica microsphere pumped near zero dispersion wavelength // IEEE Access. 2021. V. 9. P. 6729–6734. DOI: 10.1109/ACCESS.2021.3049183

4. Brieussel A., Shen Y., Campbell G., et al. Squeezed light from a diamond-turned monolithic cavity // Opt. Exp. 2016. V. 24. P. 4042–4056. DOI: 10.1364/OE.24.004042

5. Ganta D., Dale E.B., Rosenberger A.T. Measuring sub-nm adsorbed water layer thickness and desorption rate using a fused-silica whispering-gallery microresonator // Measurement Sci. and Technol. 2014. V. 25. P. 055206. DOI: 10.1088/0957-0233/25/5/055206

6. Liu K., He Y., Yang A., et al. Resonant response and mode conversion of the microsphere coupled with a microfiber coupler // Opt. Lett. 2019. V. 44. P. 879–882. DOI: 10.1364/OL.44.000879

7. Cai L., Pan J., Zhao Y., et al. Whispering gallery mode optical microresonators: Structures and sensing applications // Physica Status Solidi. 2020. V. 217. P. 1900825. DOI: 10.1002/pssa.201900825

8. Ren D., Dong C., Addamane S.J., et al. High-quality microresonators in the longwave infrared based on native germanium // Nature Commun. 2022. V. 13. P. 5727. DOI: 10.1038/s41467-022-32706-1

9. Xia D., Yang Z., Zeng P., et al. Integrated chalcogenide photonics for microresonator soliton combs // Laser & Photonics Rev. 2023. V. 17. P. 2200219. DOI: 10.1002/lpor.202200219

10. Kudo H., Ogawa Y., Kato T., et al. Fabrication of whispering gallery mode cavity using crystal growth // Appl. Phys. Lett. 2013. V. 102. P. 211105. DOI: 10.1063/1.4807924

11. Fujii S., Hayama Y., Imamura K., et al. All-precision-machining fabrication of ultrahigh-Q crystalline optical microresonators // Optica. 2020. V. 7. P. 694–701. DOI: 10.1364/OPTICA.394244

12. Миньков К.Н., Лихачев Г.В., Павлов Н.Г. и др. Изготовление высокодобротных кристаллических микрорезонаторов с модами шепчущей галереи с использованием точечного алмазного точения // Оптический журнал. 2021. Т. 88. № 6. С. 84–92. DOI: 10.17586/1023-5086-2021-88-06-84-92

Min'kov K.N., Likhachev G.V., Pavlov N.G., et al. Fabrication of high-q crystalline whispering gallery mode microcavities using single-point diamond turning // J. Opt. Technol. 2021. V. 88. № 6. P. 348–353. https://doi.org/10.1364/JOT.88.000348

13. Righini G.C., Dumeige Y., Féron P., et al. Whispering gallery mode microresonators: Fundamentals and applications // La Rivista del Nuovo Cimento. 2011. V. 34. P. 435–488. DOI: 10.1393/ncr/i2011-10067-2

14. Ward J., Benson O. WGM microresonators: Sensing, lasing and fundamental optics with microspheres // Laser & Photonics Rev. 2011. V. 5. P. 553–570. DOI: 10.1002/lpor.201000025

15. Lin G., Chembo Y.K. Monolithic total internal reflection resonators for applications in photonics // Opt. Materials: X. 2019. V. 2. P. 100017. DOI: 10.1016/j.omx.2019.100017

16. Chembo Y.K., Yu N. On the generation of octave-spanning optical frequency combs using monolithic whispering-gallery-mode microresonators // Opt. Lett. 2010. V. 35. P. 2696–2698. DOI: 10.1364/OL.35.002696

17. Liang W., Matsko A.B., Savchenkov A.A., et al. Generation of Kerr combs in MgF₂ and CaF₂ microresonators // 2011 Joint Conf. IEEE Intern. Frequency Control and the European Frequency and Time Forum (FCS) Proc. San Francisco, CA, USA. May 02–05, 2011. DOI: 10.1109/FCS.2011.5977756

18. Ilchenko V.S., Savchenkov A.A., Byrd J., et al. Crystal quartz optical whispering-gallery resonators // Opt. Lett. 2008. V. 33. P. 1569–1571. DOI: 10.1364/ol.33.001569

19. Azami S., Kudo H., Mizumoto Y., et al. Experimental study of crystal anisotropy based on ultra-precision cylindrical turning of single-crystal calcium fluoride // Precision Eng. 2015. V. 40. P. 172–181.DOI: 10.1016/j.precisioneng.2014.11.007

20. Kalkhoran S.N.A., Vahdati M., Yan J. Effect of relative tool sharpness on subsurface damage and material recovery in nanometric cutting of mono-crystalline silicon: A molecular dynamics approach // Materials Sci. in Semiconductor Proc. 2020. V. 108. P. 104868. DOI: 10.1016/j.mssp.2019.104868

21. Blake P.N., Scattergood R.O. Ductile-regime machining of germanium and silicon // J. American Ceramic Soc. 1990. V. 73. P. 949–957. DOI: 10.1111/j.1151-2916.1990.tb05142.x

22. Kaminedi R.R., Penumatsa N.V., Priya T., et al. The influence of finishing/polishing time and cooling system on surface roughness and microhardness of two different types of composite resin restorations // J. Intern. Soc. of Preventive and Community Dentistry. 2014. V. 4. P. 99–104. DOI: 10.4103/2231-0762.146211

23. Tebeneva T.S., Lobanov V.E., Chermoshentsev D.A., et al. Crystalline germanium high-Q microresonators for mid-IR // Opt. Exp. 2024. V. 32. P. 15680–15690. DOI: 10.1364/OE.523164

24. Nenasheva E., Bagaev T., Bagaev S., et al. Materials for quantum technologies: Properties and applications of optical crystals // Materials for Quantum Technol. 2022. V. 2. P. 01001. DOI: 10.1088/2633-4356/ac47b7

25. Guoping Lin, Rémi Henriet, Aurélien Coillet, et al. Dependence of quality factor on surface roughness in crystalline whispering-gallery mode resonators // Opt. Lett. 2018. V. 43. P. 495–498. DOI: 10.1364/OL.43.000495

26. Bourhill J., Creedon D.L., Goryachev M., et al. Low-temperature properties of whispering-gallery modes in isotopically pure silicon-28 // Phys. Rev. Appl. 2019. V. 11. P. 044044. DOI: 10.1103/PhysRevApplied.11.044044