CN104216047A - 基于自聚焦成丝的超短脉冲激光制备光波导器件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超短脉冲激光自聚焦成丝诱导应力场制备光波导器件的方法。该方法通过聚焦***将超短脉冲激光聚焦到介质内部，调节超短脉冲激光功率，使脉冲激光自聚焦成丝冲击对激光作用周围区域挤压，使其折射率变大；根据需要使超短脉冲激光聚焦光斑在介质内扫描并曝光，制备不同结构的光波导器件。该方法形成光波导的包层均匀，明显优于简单聚焦冲击产生的挤压，可避免形成的光波导的应力双折射，使光波导折射率轮廓不受光束畸变的影响，并保留基底材料固有的物理性质。该方法亦可用于金刚石等超硬材料的折射率修饰，且折射率增加区域和激光损伤区域不重合，有利于保留折射率增加区域的电光、非线性、荧光性能。

Description

基于自聚焦成丝的超短脉冲激光制备光波导器件的方法

技术领域

本发明属于光波导器件制备领域，特别涉及利用超短脉冲激光自聚焦成丝诱导应力场的方法，由超短脉冲激光改变介质内部折射率分布实现光波导器件制备。

背景技术

超短脉冲激光用于制作光学波导器件已经引发了持久不衰的研究热潮，灵活的三维加工能力、简单方便的加工工序和高封装密度等特点使其相对于其他波导制作方法具有独特的优势。经过十多年的发展，目前利用各种参数的超短脉冲飞秒激光已经在玻璃、晶体、陶瓷和聚合物等透明介质中形成了各种各样的无源、有源和功能波导及波导器件。

现有的波导制作可以分为两种不同的类型：Davis等人在“Writing waveguidesin glass with a fs-laser[J]”(1996,Optics Letters 21(21):1729-1731)一文中提出利用低能量飞秒激光直接作用下折射率增加的区域作为波导区的I型波导；Couairon等人在“Filamentation and damage in fused silica induced by tightlyfocused femtosecond laser pulses”(2005,Phys.Rev.B 71,12543)一文中提出利用高能量激光诱导材料损伤在周围产生应力场，利用这种压光效应导致的折射率升高区域作为芯层的II型波导。

但以上波导制作方法仍然存在无法克服的缺点。一方面自聚焦和象散引起的聚焦聚焦光斑畸变会破坏I型波导截面的对称性，而且激光和材料作用后不可避免地会破坏材料的结构从而改变或损伤材料的光学、电学、力学和热稳定性能，这在波导制备过程中时通常是不愿意被看到的，更重要的是I型波导所依赖的折射率升高机制受材料和激光参数的影响太大，在大部分晶体和部分玻璃材料中会出现加工窗口很窄甚至根本无法形成波导的情况；另外，I型波导适用的材料是非常有限的，因为大多数具有有序晶格结构的晶体和部分玻璃在激光辐照下会发生结构损伤从而发生折射率降低，因而制备I型波导的方法不适用于晶体及部分玻璃材料。另一方面，II型双线波导在垂直于损伤线方向的截面折射率分布是阶跃型的，而平行于双线方向的分布是渐变型的，这种不对称的折射率分布会导致偏振相关传输特性，而不平衡的应力导致的双折射效应在光通信领域是不利的。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用超短脉冲激光自聚焦成丝诱导应力场制备光波导器件的方法，使用超短脉冲激光自聚焦成丝冲击对激光作用周围区域产生挤压，改变折射率。该方法能在保留材料的光学物理性质的前提下适用于以往方法无法适用的诸多场合。

为了实现上述目的，本发明的技术解决方案包括如下步骤：

a.通过聚焦***将超短脉冲激光聚焦到介质内部；

b.调节所述超短脉冲激光功率，使激光作用的微***冲击波在所述介质内的辐照区域即激光聚焦光斑周围诱导梯度应力场，形成激光成丝损伤结构；

c.根据待制备光波导器件结构，使所述介质和所述超短脉冲激光聚焦光斑发生相对移动并曝光。

优选的，所述的介质和超短脉冲激光聚焦光斑的相对移动，通过使用移动平台承载所述介质和/或使用振镜偏转所述超短脉冲激光实现。

进一步优选的，所述曝光为所述聚焦光斑定点曝光或聚焦光斑沿设定路径扫描的连续曝光。

进一步优选的，所述介质和超短脉冲激光的相对移动为聚焦光斑在所述介质内沿闭合曲线扫描曝光，形成柱形壳层的损伤结构；受到四周挤压的被包围区域由于压光效应导致折射率增大可作为光波导芯层，而激光损伤壳层由于密度稀疏化导致折射率被降低可作为光波导包层。

进一步优选的，所述聚焦光斑在所述介质内沿闭合曲线扫描曝光后，再沿垂直所述闭合曲线平面的方向移动扫描曝光，形成多个首尾相连的柱形壳层状光波导包层节，依此可制得长尺寸光波导器件。

进一步优选的，所述介质为玻璃或晶体。

进一步优选的，所述玻璃为磷酸盐玻璃或硅酸盐玻璃；所述晶体为石英或金刚石。

进一步优选的，所述超短脉冲激光脉冲宽度为10fs-10ps。

进一步优选的，所述聚焦***使用显微物镜。

本发明使用超短脉冲激光在透明介质中诱导自聚集成丝，即由自相位及互相位调制引起的聚焦光束在透明介质中的自聚焦与自散焦交替传输的过程，从而可以在沿聚焦方向比较长的距离实现折射率改变，通过移动样品或光束使自聚焦区域形成闭合区则可以提高环绕区域的折射率增加，这种通过自聚集成丝产生的挤压可以使形成光波导的包层比较均匀，明显优于简单聚焦冲击产生的挤压，形成的光波导能从根本上避免应力双折射，光波导折射率轮廓不受光束畸变的影响，具有对称且可控的光波导截面，并保留基底材料固有的物理性质。另外，这种方法对很多传统方法无法胜任的材料如金刚石等超硬材料也能进行折射率修饰，而且折射率增加区域和激光损伤区域不重合，所以能在折射率增加区域保留材料的电光、非线性、荧光性能。

附图说明

图1为使用本发明方法在介质内部改变折射率示意图；

图2为使用本本发明方法在介质内部制作的光学波导结构示意图；

图3为使用本发明方法在介质内部制作的光学波导端面显微图；

图4为使用本发明方法在介质内部制作的光学波导侧面显微图；

图5为使用本发明方法在介质内部制作的1至4波导分束器结构示意图；

图6为使用本发明方法在介质内部制作1至2波导分束器的模式输出图；

图7为使用本发明方法在介质内部制作出的周期折射率分布结构显微图。

其中，1为介质、2为超短脉冲激光、3为聚焦***、4为光波导、5为光波导包层、6为光波导芯层、7为分束器输入段、8为分束器分束段、9为分束器输出段。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案做进一步说明，以便于对本发明及其优点的进一步理解。

实施例1：

介质1为磷酸盐玻璃；超短脉冲激光2的波长为790nm，重复频率为1kHz，脉冲宽度为150fs；聚焦***3为倍率为10的显微物镜；形成的器件为光学波导；移动使用三维移动平台。具体步骤为：

a.通过聚焦***3将超短脉冲激光2聚焦到介质1内部，如图1所示；

b.调节超短脉冲功率使其在介质1内部产生损伤结构；

c.通过移动平台承载介质1实现超短脉冲激光2和介质1的相对移动，平台在水平面内沿矩形路径运动，同时在垂直方向向下移动，在介质1内部扫描出截面为矩形的柱形壳层，壳层包裹区域被挤压从而折射率增大，形成光波导4，如图2所示。图3和图4显示了所形成的光波导4端面的正视图和侧视图，柱形壳层为光波导包层5，壳层包裹区域为光波导芯层6。

实施例2：

介质1为石英晶体；超短脉冲激光2的波长为1064nm，重复频率为500kHz，脉冲宽度为10ps；聚焦***3为倍率为10的显微物镜；形成的器件为波导分束器；移动使用三维移动平台。具体步骤为：

a、b同实施例1；

c.通过移动平台承载介质1实现超短脉冲激光2和介质1的相对移动，平台在水平面内沿矩形路径运动，同时在垂直方向倾斜向下移动，在介质1内部扫描出具有分束器输入段5、分束段6和输出段7的分束臂，重复该过程可以制作出1至N分束器。图5所示是1至4分束器示意图，图6所示是制作的分束比为1:1的1至2分束器的模式输出图。

实施例3：

介质1为硅酸盐玻璃；超短脉冲激光2的波长为532nm，重复频率为500kHz，脉冲宽度为10ps；聚焦***3为倍率为20的显微物镜；形成的器件为光子晶体；移动使用振镜。具体步骤为：

a、b同实施例1；

c.通过振镜偏转超短脉冲激光2实现超短脉冲激光2和介质1的相对移动，振镜沿网格状扫描，在每个格点处定点触发激光曝光制作出周期性点阵，从格点向周围扩散的应力相互挤压形成网格状折射率分布，如图7所示，该结构具有用于光子晶体的可能。

实施例4：

介质1为金刚石；超短脉冲激光2的波长为800nm，重复频率为1kHz，脉冲宽度为120fs；聚焦***3为倍率为20的显微物镜；形成的器件为光学波导；移动使用三维移动平台。具体步骤为：

a、b同实施例1；

c.通过移动平台承载介质1实现超短脉冲激光2和介质1的相对移动，平台在水平面内沿圆形路径运动，同时在垂直方向向下移动，在介质1内部扫描出截面为圆形的柱形壳层，壳层包裹区域被挤压从而折射率增大，形成光波导。

应理解，上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于供本领域技术人员了解本发明的内容并据以实施，并非具体实施方式的穷举，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种超短脉冲激光自聚焦成丝诱导应力场制备光波导器件的方法，其特征在于，包括如下步骤：

a.通过聚焦***(3)将超短脉冲激光(2)聚焦到介质(1)内部；

b.调节所述超短脉冲激光(2)功率，使激光作用的微***冲击波在所述介质(1)内聚焦光斑周围诱导梯度应力场，形成激光成丝损伤结构；

c.根据待制备光波导器件结构，使所述介质(1)和所述超短脉冲激光(2)聚焦光斑发生相对移动并曝光。

2.根据权利要求1所述的超短脉冲激光自聚焦成丝诱导应力场制备光波导器件的方法，其特征在于：所述的介质(1)和超短脉冲激光(2)聚焦光斑的相对移动，通过使用移动平台承载所述介质(1)和/或使用振镜偏转所述超短脉冲激光(2)实现。

3.根据权利要求2所述的超短脉冲激光自聚焦成丝诱导应力场制备光波导器件的方法，其特征在于：所述曝光为聚焦光斑定点曝光或沿聚焦光斑扫描路径的连续曝光。

4.根据权利要求1至3任一项所述的超短脉冲激光自聚焦成丝诱导应力场制备光波导器件的方法，其特征在于：所述介质(1)和超短脉冲激光(2)的相对移动，所述聚焦光斑在所述介质(1)内沿闭合曲线扫描曝光，形成柱形壳层的损伤结构，所述壳层为光波导包层，所述壳层包围区域为光波导芯层。

5.根据权利要求4所述的超短脉冲激光自聚焦成丝诱导应力场制备光波导器件的方法，其特征在于：所述聚焦光斑在所述介质(1)内沿闭合曲线扫描曝光后，再沿垂直所述闭合曲线平面的方向移动扫描曝光，形成多个首尾相连的柱形壳层状光波导包层节，制得长尺寸光波导器件。

6.根据权利要求1至3任一项所述的超短脉冲激光自聚焦成丝诱导应力场制备光波导器件的方法，其特征在于：所述介质(1)为玻璃或晶体。

7.根据权利要求6所述的超短脉冲激光自聚焦成丝诱导应力场制备光波导器件的方法，其特征在于：所述玻璃为磷酸盐玻璃或硅酸盐玻璃，所述晶体为石英或金刚石。

8.根据权利要求1至3任一项所述的超短脉冲激光自聚焦成丝诱导应力场制备光波导器件的方法，其特征在于：所述超短脉冲激光(2)脉冲宽度为10fs-10ps。

9.根据权利要求1至3任一项所述的超短脉冲激光自聚焦成丝诱导应力场制备光波导器件的方法，其特征在于：所述聚焦***(3)为显微物镜。