基于自聚焦成絲的超短脈沖激光制備光波導器件的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種超短脈沖激光自聚焦成絲誘導應力場制備光波導器件的方法。該方法通過聚焦系統(tǒng)將超短脈沖激光聚焦到介質內部，調節(jié)超短脈沖激光功率，使脈沖激光自聚焦成絲沖擊對激光作用周圍區(qū)域擠壓，使其折射率變大；根據需要使超短脈沖激光聚焦光斑在介質內掃描并曝光，制備不同結構的光波導器件。該方法形成光波導的包層均勻，明顯優(yōu)于簡單聚焦沖擊產生的擠壓，可避免形成的光波導的應力雙折射，使光波導折射率輪廓不受光束畸變的影響，并保留基底材料固有的物理性質。該方法亦可用于金剛石等超硬材料的折射率修飾，且折射率增加區(qū)域和激光損傷區(qū)域不重合，有利于保留折射率增加區(qū)域的電光、非線性、熒光性能。
【專利說明】基于自聚焦成絲的超短脈沖激光制備光波導器件的方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于光波導器件制備領域，特別涉及利用超短脈沖激光自聚焦成絲誘導應 力場的方法，由超短脈沖激光改變介質內部折射率分布實現(xiàn)光波導器件制備。
【背景技術】
[0002] 超短脈沖激光用于制作光學波導器件已經引發(fā)了持久不衰的研究熱潮，靈活的三 維加工能力、簡單方便的加工工序和高封裝密度等特點使其相對于其他波導制作方法具有 獨特的優(yōu)勢。經過十多年的發(fā)展，目前利用各種參數的超短脈沖飛秒激光已經在玻璃、晶 體、陶瓷和聚合物等透明介質中形成了各種各樣的無源、有源和功能波導及波導器件。
[0003] 現(xiàn)有的波導制作可以分為兩種不同的類型：Davis等人在"Writing waveguides in glass with a fs-laser[J] "（1996, Optics Letters 21 (21) : 1729-1731) -文中提 出利用低能量飛秒激光直接作用下折射率增加的區(qū)域作為波導區(qū)的I型波導；Couairon 等人在"Filamentation and damage in fused silica induced by tightly focused femtosecond laser pulses"（2005, Phys. Rev. B 71，12543) -文中提出利用高能量激光 誘導材料損傷在周圍產生應力場，利用這種壓光效應導致的折射率升高區(qū)域作為芯層的II 型波導。
[0004] 但以上波導制作方法仍然存在無法克服的缺點。一方面自聚焦和象散引起的聚焦 聚焦光斑畸變會破壞I型波導截面的對稱性，而且激光和材料作用后不可避免地會破壞材 料的結構從而改變或損傷材料的光學、電學、力學和熱穩(wěn)定性能，這在波導制備過程中時通 常是不愿意被看到的，更重要的是I型波導所依賴的折射率升高機制受材料和激光參數的 影響太大，在大部分晶體和部分玻璃材料中會出現(xiàn)加工窗口很窄甚至根本無法形成波導的 情況；另外，I型波導適用的材料是非常有限的，因為大多數具有有序晶格結構的晶體和部 分玻璃在激光輻照下會發(fā)生結構損傷從而發(fā)生折射率降低，因而制備I型波導的方法不適 用于晶體及部分玻璃材料。另一方面，II型雙線波導在垂直于損傷線方向的截面折射率分 布是階躍型的，而平行于雙線方向的分布是漸變型的，這種不對稱的折射率分布會導致偏 振相關傳輸特性，而不平衡的應力導致的雙折射效應在光通信領域是不利的。
【發(fā)明內容】
[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種利用超短脈沖激光自聚焦成絲誘導應力場制備光波導 器件的方法，使用超短脈沖激光自聚焦成絲沖擊對激光作用周圍區(qū)域產生擠壓，改變折射 率。該方法能在保留材料的光學物理性質的前提下適用于以往方法無法適用的諸多場合。
[0006] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術解決方案包括如下步驟：
[0007] a.通過聚焦系統(tǒng)將超短脈沖激光聚焦到介質內部；
[0008] b.調節(jié)所述超短脈沖激光功率，使激光作用的微爆炸沖擊波在所述介質內的輻照 區(qū)域即激光聚焦光斑周圍誘導梯度應力場，形成激光成絲損傷結構；
[0009] c.根據待制備光波導器件結構，使所述介質和所述超短脈沖激光聚焦光斑發(fā)生相 對移動并曝光。
[0010] 優(yōu)選的，所述的介質和超短脈沖激光聚焦光斑的相對移動，通過使用移動平臺承 載所述介質和/或使用振鏡偏轉所述超短脈沖激光實現(xiàn)。
[0011] 進一步優(yōu)選的，所述曝光為所述聚焦光斑定點曝光或聚焦光斑沿設定路徑掃描的 連續(xù)曝光。
[0012] 進一步優(yōu)選的，所述介質和超短脈沖激光的相對移動為聚焦光斑在所述介質內沿 閉合曲線掃描曝光，形成柱形殼層的損傷結構；受到四周擠壓的被包圍區(qū)域由于壓光效應 導致折射率增大可作為光波導芯層，而激光損傷殼層由于密度稀疏化導致折射率被降低可 作為光波導包層。
[0013] 進一步優(yōu)選的，所述聚焦光斑在所述介質內沿閉合曲線掃描曝光后，再沿垂直所 述閉合曲線平面的方向移動掃描曝光，形成多個首尾相連的柱形殼層狀光波導包層節(jié)，依 此可制得長尺寸光波導器件。
[0014] 進一步優(yōu)選的，所述介質為玻璃或晶體。
[0015] 進一步優(yōu)選的，所述玻璃為磷酸鹽玻璃或硅酸鹽玻璃；所述晶體為石英或金剛石。
[0016] 進一步優(yōu)選的，所述超短脈沖激光脈沖寬度為lOfs-lOps。
[0017] 進一步優(yōu)選的，所述聚焦系統(tǒng)使用顯微物鏡。
[0018] 本發(fā)明使用超短脈沖激光在透明介質中誘導自聚集成絲，即由自相位及互相位調 制引起的聚焦光束在透明介質中的自聚焦與自散焦交替?zhèn)鬏數倪^程，從而可以在沿聚焦方 向比較長的距離實現(xiàn)折射率改變，通過移動樣品或光束使自聚焦區(qū)域形成閉合區(qū)則可以提 高環(huán)繞區(qū)域的折射率增加，這種通過自聚集成絲產生的擠壓可以使形成光波導的包層比較 均勻，明顯優(yōu)于簡單聚焦沖擊產生的擠壓，形成的光波導能從根本上避免應力雙折射，光波 導折射率輪廓不受光束畸變的影響，具有對稱且可控的光波導截面，并保留基底材料固有 的物理性質。另外，這種方法對很多傳統(tǒng)方法無法勝任的材料如金剛石等超硬材料也能進 行折射率修飾，而且折射率增加區(qū)域和激光損傷區(qū)域不重合，所以能在折射率增加區(qū)域保 留材料的電光、非線性、熒光性能。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019] 圖1為使用本發(fā)明方法在介質內部改變折射率示意圖；
[0020] 圖2為使用本本發(fā)明方法在介質內部制作的光學波導結構示意圖；
[0021] 圖3為使用本發(fā)明方法在介質內部制作的光學波導端面顯微圖；
[0022] 圖4為使用本發(fā)明方法在介質內部制作的光學波導側面顯微圖；
[0023] 圖5為使用本發(fā)明方法在介質內部制作的1至4波導分束器結構示意圖；
[0024] 圖6為使用本發(fā)明方法在介質內部制作1至2波導分束器的模式輸出圖；
[0025] 圖7為使用本發(fā)明方法在介質內部制作出的周期折射率分布結構顯微圖。
[0026] 其中，1為介質、2為超短脈沖激光、3為聚焦系統(tǒng)、4為光波導、5為光波導包層、6 為光波導芯層、7為分束器輸入段、8為分束器分束段、9為分束器輸出段。
【具體實施方式】
[0027] 下面結合附圖和實施例對本發(fā)明技術方案做進一步說明，以便于對本發(fā)明及其優(yōu) 點的進一步理解。
[0028] 實施例1 :
[0029] 介質1為磷酸鹽玻璃；超短脈沖激光2的波長為790nm，重復頻率為1kHz，脈沖寬 度為150fs ;聚焦系統(tǒng)3為倍率為10的顯微物鏡；形成的器件為光學波導；移動使用三維移 動平臺。具體步驟為：
[0030] a.通過聚焦系統(tǒng)3將超短脈沖激光2聚焦到介質1內部，如圖1所示；
[0031] b.調節(jié)超短脈沖功率使其在介質1內部產生損傷結構；
[0032] c.通過移動平臺承載介質1實現(xiàn)超短脈沖激光2和介質1的相對移動，平臺在水 平面內沿矩形路徑運動，同時在垂直方向向下移動，在介質1內部掃描出截面為矩形的柱 形殼層，殼層包裹區(qū)域被擠壓從而折射率增大，形成光波導4,如圖2所示。圖3和圖4顯示 了所形成的光波導4端面的正視圖和側視圖，柱形殼層為光波導包層5,殼層包裹區(qū)域為光 波導芯層6。
[0033] 實施例2 :
[0034] 介質1為石英晶體；超短脈沖激光2的波長為1064nm，重復頻率為500kHz，脈沖寬 度為l〇ps ;聚焦系統(tǒng)3為倍率為10的顯微物鏡；形成的器件為波導分束器；移動使用三維 移動平臺。具體步驟為：
[0035] a、b同實施例1;
[0036] c.通過移動平臺承載介質1實現(xiàn)超短脈沖激光2和介質1的相對移動，平臺在水 平面內沿矩形路徑運動，同時在垂直方向傾斜向下移動，在介質1內部掃描出具有分束器 輸入段5、分束段6和輸出段7的分束臂，重復該過程可以制作出1至N分束器。圖5所示 是1至4分束器示意圖，圖6所示是制作的分束比為1:1的1至2分束器的模式輸出圖。
[0037] 實施例3 :
[0038] 介質1為硅酸鹽玻璃；超短脈沖激光2的波長為532nm，重復頻率為500kHz，脈沖 寬度為l〇ps ;聚焦系統(tǒng)3為倍率為20的顯微物鏡；形成的器件為光子晶體；移動使用振鏡。 具體步驟為：
[0039] a、b同實施例1;
[0040] c.通過振鏡偏轉超短脈沖激光2實現(xiàn)超短脈沖激光2和介質1的相對移動，振鏡 沿網格狀掃描，在每個格點處定點觸發(fā)激光曝光制作出周期性點陣，從格點向周圍擴散的 應力相互擠壓形成網格狀折射率分布，如圖7所示，該結構具有用于光子晶體的可能。
[0041] 實施例4:
[0042] 介質1為金剛石；超短脈沖激光2的波長為800nm，重復頻率為1kHz，脈沖寬度為 120fs ;聚焦系統(tǒng)3為倍率為20的顯微物鏡；形成的器件為光學波導；移動使用三維移動平 臺。具體步驟為：
[0043] a、b同實施例1;
[0044] c.通過移動平臺承載介質1實現(xiàn)超短脈沖激光2和介質1的相對移動，平臺在水 平面內沿圓形路徑運動，同時在垂直方向向下移動，在介質1內部掃描出截面為圓形的柱 形殼層，殼層包裹區(qū)域被擠壓從而折射率增大，形成光波導。
[0045] 應理解，上述實施例只為說明本發(fā)明的技術構思及特點，其目的在于供本領域技 術人員了解本發(fā)明的內容并據以實施，并非【具體實施方式】的窮舉，并不能以此限制本發(fā)明 的保護范圍。凡根據本發(fā)明發(fā)明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術 方案的宗旨和范圍，其均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。
【權利要求】
1. 一種超短脈沖激光自聚焦成絲誘導應力場制備光波導器件的方法，其特征在于，包 括如下步驟： a. 通過聚焦系統(tǒng)（3)將超短脈沖激光（2)聚焦到介質（1)內部； b. 調節(jié)所述超短脈沖激光（2)功率，使激光作用的微爆炸沖擊波在所述介質（1)內聚 焦光斑周圍誘導梯度應力場，形成激光成絲損傷結構； c. 根據待制備光波導器件結構，使所述介質（1)和所述超短脈沖激光（2)聚焦光斑發(fā) 生相對移動并曝光。
2. 根據權利要求1所述的超短脈沖激光自聚焦成絲誘導應力場制備光波導器件的方 法，其特征在于：所述的介質（1)和超短脈沖激光（2)聚焦光斑的相對移動，通過使用移動 平臺承載所述介質（1)和/或使用振鏡偏轉所述超短脈沖激光（2)實現(xiàn)。
3. 根據權利要求2所述的超短脈沖激光自聚焦成絲誘導應力場制備光波導器件的方 法，其特征在于：所述曝光為聚焦光斑定點曝光或沿聚焦光斑掃描路徑的連續(xù)曝光。
4. 根據權利要求1至3任一項所述的超短脈沖激光自聚焦成絲誘導應力場制備光波導 器件的方法，其特征在于：所述介質（1)和超短脈沖激光（2)的相對移動，所述聚焦光斑在 所述介質（1)內沿閉合曲線掃描曝光，形成柱形殼層的損傷結構，所述殼層為光波導包層， 所述殼層包圍區(qū)域為光波導芯層。
5. 根據權利要求4所述的超短脈沖激光自聚焦成絲誘導應力場制備光波導器件的方 法，其特征在于：所述聚焦光斑在所述介質（1)內沿閉合曲線掃描曝光后，再沿垂直所述閉 合曲線平面的方向移動掃描曝光，形成多個首尾相連的柱形殼層狀光波導包層節(jié)，制得長 尺寸光波導器件。
6. 根據權利要求1至3任一項所述的超短脈沖激光自聚焦成絲誘導應力場制備光波導 器件的方法，其特征在于：所述介質（1)為玻璃或晶體。
7. 根據權利要求6所述的超短脈沖激光自聚焦成絲誘導應力場制備光波導器件的方 法，其特征在于：所述玻璃為磷酸鹽玻璃或硅酸鹽玻璃，所述晶體為石英或金剛石。
8. 根據權利要求1至3任一項所述的超短脈沖激光自聚焦成絲誘導應力場制備光波導 器件的方法，其特征在于：所述超短脈沖激光（2)脈沖寬度為lOfs-lOps。
9. 根據權利要求1至3任一項所述的超短脈沖激光自聚焦成絲誘導應力場制備光波導 器件的方法，其特征在于：所述聚焦系統(tǒng)（3)為顯微物鏡。
【文檔編號】G02B6/13GK104216047SQ201410506259
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年9月26日 優(yōu)先權日:2014年9月26日
【發(fā)明者】趙全忠, 董明明 申請人:南京先進激光技術研究院