CN111458776B - 一种飞秒光丝干涉直写啁啾体光栅制备方法及装置 - Google Patents
一种飞秒光丝干涉直写啁啾体光栅制备方法及装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种飞秒光丝干涉直写啁啾体光栅制备方法及装置,其特点在于采用飞秒脉冲激光在玻璃内形成的光丝,通过调节聚焦透镜的焦距和激光能量,控制等离子体在玻璃内快速扫描并刻蚀出啁啾体光栅结构,装置包括:飞秒脉冲激光器模块、脉冲啁啾管理模块、脉冲时域整形模块、激光分离与干涉模块、玻璃啁啾体光栅加工平台模块和相机在线检测模块。本发明与现有技术相比具有集成化装置设计可有效简化啁啾体光栅的制造流程,有效降低啁啾体光栅制备的成本,为大数值孔径、不同刻线规格、不同玻璃材质的啁啾体光栅制造提供新的制备方法。
Description
技术领域
本发明涉及光学衍射元件制造技术领域,具体的说是一种飞秒光丝干涉直写啁啾体光栅制备方法及其装置。
背景技术
光栅器件具有衍射入射光束的特性,可用于光束的分光、脉冲展宽和脉冲压缩等等,被广泛应用于光谱测量、光计算、光信息处理以及激光放大***等领域中。目前,常用的光栅制作方法有机械刻划、离子束刻划、模板复制、全息光照法等,其中全息法生产效率高,成本相对较低,因此更受青睐。全息法是利用两束激光在光敏玻璃表面或者内部干涉形成周期性的干涉条纹,经曝光后在玻璃上留下全息影像,再经过专业处理即可形成光栅。以全息法为基础逐渐衍生出啁啾光栅、体光栅以及啁啾体布拉格光栅等制备工艺,助力于超快光学以及高功率激光器***的发展。
中国专利文献CN 108415111 A描述了一种利用光热折变玻璃的啁啾体光栅制备方法,该方法利用间距逐渐变化的干涉条纹记录在光热折变玻璃中,然后热处理制得啁啾体光栅。该方法受限于光斑的尺寸和空间走离,所制备的光栅厚度无法满足更多的需求。此外,全息法制作的光栅仅限于光敏玻璃、热折变玻璃,无法加工红外石英、熔融石英等其它功能材质的玻璃。
激光烧蚀加工技术随着飞秒脉冲激光技术的发展,其纳米级加工精度、低热效应、精准的损伤阈值等优势使得超快激光加工被应用于高精度光学加工与光栅制备。传统的超快激光加工方式是用聚焦物镜将激光汇聚成一个微米级的小光斑,然后移动待加工样品的位置,激光扫描出的路径就是需要加工的形状。该加工方式虽然易于加工任意平面形状的结构,但是其激光扫描路径的精度对电机移动的稳定性有更高的要求,且逐点烧蚀的方式不适合大面积的光栅制备。
现有技术的玻璃体光栅制备工艺复杂,生产成本高,质量稳定性不足。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而设计的一种飞秒光丝干涉直写啁啾体光栅制备方法及装置,采用多束脉冲激光在玻璃内干涉,形成啁啾等离子体光栅,然后控制啁啾等离子体在玻璃内快速扫描并刻蚀出啁啾体光栅结构,当飞秒脉冲激光在玻璃内的峰值功率达到约1TW/cm2以上时,引起介质的多光子电离,产成等离子体,非线性克尔自聚焦效应与等离子体的自散焦形成平衡,在玻璃内形成一段数倍于光斑瑞利长度的光丝。在形成光丝的同时,高峰值功率的激光脉冲可改变玻璃的结构,使局部折射率增大,通过调节聚焦透镜的焦距和激光能量,可以轻易地使玻璃内的光丝长度达到几个厘米。利用飞秒脉冲激光在玻璃内形成的光丝快速完成玻璃内啁啾体光栅的加工,大大简化了啁啾体光栅制造流程,集成化装置设计有效降低啁啾体光栅制备的成本,为大数值孔径、不同刻线规格、不同玻璃材质的啁啾体光栅制造提供新的制备方法。
实现本发明目的的具体技术方案是:一种飞秒光丝干涉直写啁啾体光栅制备方法,其特点是采用飞秒脉冲激光在玻璃内干涉,形成一段数倍于光斑瑞利长度的光丝,通过调节聚焦透镜的焦距和激光能量,控制等离子体在玻璃内快速扫描并刻蚀出啁啾体光栅结构,所述飞秒脉冲激光为两束以上的多束激光,其峰值功率>1TW/cm2。
一种飞秒光丝干涉直写啁啾体光栅制备方法制作的啁啾体光栅装置,其特点是该啁啾体光栅装置包括:飞秒脉冲激光器模块、脉冲啁啾管理模块、脉冲时域整形模块、激光分离与干涉模块、玻璃啁啾体光栅加工平台模块、相机在线检测模块。
所述飞秒脉冲激光器模块提供高峰值功率的飞秒脉冲激光,入射到脉冲啁啾管理模块;所述脉冲啁啾管理模块管理飞秒脉冲激光的时域啁啾或空间色散,激光脉冲经过管理后入射到激光分离与干涉模块;所述脉冲时域整形模块管理飞秒脉冲激光的时域波形,操控形成时域矩形分布的激光;所述激光分离与干涉模块将入射激光分离成多束,分离后的多束脉冲各自经过平面反射镜后在时域上达到同步,经过汇聚透镜后在焦点处重合并发生干涉,在玻璃样品内形成啁啾等离子体光栅;所述玻璃啁啾体光栅加工平台模块为精密的电控位移平台,控制玻璃样品移动,完成玻璃啁啾体光栅的激光加工;所述相机在线检测模块实时观察激光在玻璃样品内加工情况。
所述飞秒脉冲激光器模块包括:可调节功率衰减器和高单脉冲能量飞秒激光器或皮秒激光器,所述高单脉冲能量激光器为固体激光器或光纤激光器,脉冲宽度为飞秒,脉冲重复频率为0.01~100千赫兹,中心波长从紫外到近红外波段;所述可调节功率衰减器用于改变输出激光的功率,可以是圆形旋转中性密度衰减片、半波片与格兰棱镜或偏振分束器的组合。
所述脉冲啁啾管理模块包括:第一衍射光栅、第二衍射光栅、0°端面反射镜、第一和第二平面反射镜,所述第一和第二衍射光栅的规格相同,可以是透射式衍射光栅、反射式衍射光栅、色散棱镜或不限于衍射光栅的其它色散器件,衍射光栅用于调制入射激光的啁啾;所述的0°端面反射镜固定在滑轨上,放置在第二衍射光栅的后方。当经过衍射光栅调制后的脉冲不经过0°端面反射镜时,此时的脉冲啁啾管理模块是用于调制激光脉冲的空间色散;当经过衍射光栅调制后的脉冲被0°端面反射镜原路反射回去时,此时的脉冲啁啾管理模块是用于调制激光脉冲的时域色散,激光脉冲经过脉冲啁啾管理模块调制后,进入激光分离与干涉模块。所述经脉冲啁啾管理模块调制后的空间色散激光脉冲,其脉冲特点是在光斑波前平面内不同波长成分的光子在空间上从短波长到长波长依次散开,多束这样空间色散的激光脉冲在时域同步后以一定夹角聚焦在玻璃样品内。在焦点处几束光斑之间波长相同的部分重叠,并且光斑之间不同空间分布处但相同波长成分的光子发生干涉,产生等离子体。由于不同波长的光子在干涉时形成的啁啾等离子体光栅的周期也不同,所以几束空间色散的脉冲激光在玻璃样品内汇聚透镜焦点处形成了周期分布不均匀的啁啾等离子体光栅(周期为Dn),可用于制造啁啾体光栅。所述经脉冲啁啾管理模块调制后的时域啁啾激光脉冲,其时域的色散可用于补偿飞秒激光在空间中和玻璃中传播时积累的色散,控制飞秒激光在焦点处的脉冲宽度,调节成丝时的等离子体密度及其长度。由于此时飞秒脉冲没有空间色散,多束激光脉冲在玻璃样品内汇聚透镜焦点处干涉时,形成的是周期均匀的啁啾等离子体光栅(周期为D),因此可用于制造啁啾体光栅。
所述脉冲时域整形模块包括:若干平面反射镜、第三衍射光栅、凹面反射镜、脉冲整形模板组成,所述啁啾飞秒脉冲激光经过平面反射镜入射到第三衍射光栅上,发生衍射后经过凹面反射镜变成平行光束;所述第三衍射光栅放置在凹面反射镜的焦点处,具有角色散的平行光束在经过平面反射镜改变路径后,垂直入射到脉冲整形模板上;所述飞秒脉冲激光经脉冲整形模板调制改变时域脉冲包络之后,以微小的角度差沿着原光路被发生回去,再次经过凹面反射镜、第三衍射光栅完成脉冲时域整形过程,最后入射到激光分离与干涉模块;所述第三衍射光栅为透射光栅、反射光栅、色散棱镜,其作用是将入射的啁啾飞秒脉冲在空间上散开,分成多束准单色光,利于被脉冲整形模板调制;所述脉冲整形模板为声光调制器、液晶空间调制器、移动镜或变形镜,其作用是调制入射到脉冲整形模板上的多束准单色光的振幅和相位,改变脉冲的时域脉冲形状,用于制作平面啁啾体光栅、曲面啁啾体光栅等。
所述激光分离与干涉模块包括:光路准直、分光器件、时域延迟控制器、汇聚透镜和若干平面反射镜;所述光路准直包括:第三和第四平面反射镜、第一和第二光阑;所述第一和第二光阑依顺序放在平面反射镜后面,用于辅助准直入射的激光;所述分光器件为一块或多块平面分束镜、半波长波片与偏振分束镜的组合或半波长波片与微阵列反射镜的组合,其作用是将脉冲激光按比例分成多束;所述时域延迟控制器由位移平台和两块平面反射镜组成,用于调节激光脉冲之间的时域差,使多束激光脉冲在经过汇聚透镜的焦点处时达到时域同步;所述汇聚透镜为平凸柱透镜、双胶合柱透镜、圆透镜、微透镜阵列或锥透镜,用于同时汇聚多束激光脉冲,不同种类的汇聚透镜所形成的啁啾等离子体光栅形状也不同,汇聚透镜的焦点处放置待加工的玻璃样品上;所述汇聚透镜为多种不同的焦距,脉冲激光经过不同焦距的透镜汇聚后,在玻璃内形成的啁啾等离子体光栅的长度与焦距成正相关;所述汇聚透镜放置在一个移动滑轨上,用于匹配透镜与玻璃样品之间的距离;所述啁啾等离子体光栅为多束飞秒脉冲激光在玻璃样品内以一定的夹角同步干涉,并产生非线性光学效应后形成;所述多束飞秒脉冲激光之间干涉形成的是一维啁啾等离子体光栅,可用于制作一维的啁啾体光栅,尤其是三束飞秒脉冲激光之间干涉,三束激光在同一平面内,且其中两束夹角较小的飞秒脉冲激光之间形成一维啁啾等离子体光栅,第三束激光以与等离子体光栅接近90°的方向入射,第三束激光形成的光丝与另两束激光干涉形成的啁啾等离子体光栅之间相互作用,可以增强相互作用区域附近的等离子体密度,不仅可用于改善啁啾等离子体光栅的均匀性,还可以用于增长啁啾等离子体光栅的长度,加大制作光栅的尺寸。
所述玻璃啁啾体光栅加工平台模块包括:玻璃样品,高精度的电控位移平台;所述玻璃样品为六面抛光的长方体,其材质可以是熔融石英玻璃、K9玻璃、氟化钙玻璃或其它各种光学玻璃,并且不限于以上提到的玻璃材质,也可以是硫化锌晶体等各种光学晶体或陶瓷材料;所述高精度的电控位移平台,可以放置多个玻璃样品,通过移动玻璃样品的位置,从而完成玻璃啁啾体光栅的制造。移动方向与啁啾等离子体光栅所在的平面夹角为α,移动的路径为直线;所述啁啾等离子体光栅在玻璃样品内的刻蚀,啁啾等离子体光栅可以改变玻璃的结构,引起激光作用区域的折射率改变,由于移动方向与啁啾等离子体光栅之间存在夹角α,则实际刻蚀的光栅周期Df=Dsinα。
所述相机在线检测模块包括:两块任意焦距的凸透镜、CCD相机和带显示器的电脑,所述两块任意焦距的凸透镜组成望远镜***,一端的焦点在玻璃样品上,另一端的焦点在CCD相机上,CCD相机的数据线连接到带显示器的电脑上,从而实现玻璃加工过程中的实时检测。
本发明与现有技术相比具有利用飞秒脉冲激光在玻璃内形成的等离子体光丝阵列快速完成玻璃内啁啾体光栅的加工,大大地简化了啁啾体光栅制造流程,集成化装置设计,有效降低啁啾体光栅制备的成本,为大数值孔径、不同刻线规格、不同玻璃材质的啁啾体光栅制造提供新的制备方法。
附图说明
图1为本发明的啁啾体光栅装置结构图;
图2为脉冲啁啾管理模块结构示意图;
图3为脉冲时域整形模块结构示意图;
图4为啁啾体光栅加工平台模块结构示意图;
图5为激光分离与干涉模块结构示意图;
图6为啁啾体光栅在显微镜下的俯视图;
图7为凸面啁啾体光栅在显微镜下的俯视图;
图8为实施例1的啁啾体光栅装置结构示意图。
具体实施方式
本发明的飞秒光丝干涉直写啁啾体光栅的制备方法,利用多束脉冲激光在玻璃内干涉,形成啁啾等离子体光栅,然后控制啁啾等离子体在玻璃内快速扫描并刻蚀出啁啾体光栅结构。
参阅附图1,本发明由飞秒脉冲激光器模块100、脉冲啁啾管理模块200、脉冲时域整形模块300、激光分离与干涉模块400、玻璃啁啾体光栅加工平台模块500和相机在线检测模块600组成。所述飞秒脉冲激光器模块100包括:高功率的飞秒脉冲激光器和圆形旋转可调节功率衰减片,所述飞秒脉冲激光器为再生放大***的钛宝石激光器,可输出水平线偏振,其中心波长为800nm、脉冲宽度为60fs、重复频率为1KHz、功率为4W的飞秒脉冲激光,该飞秒脉冲激光经可调衰减片后入射到脉冲啁啾管理模块200中的第一透射光栅201。
参阅附图2,所述脉冲啁啾管理模块200包括:第一透射光栅201、第二透射光栅202、0°端面反射镜203、第一平面反射镜204、第二平面反射镜205。入射到脉冲啁啾管理模块200的飞秒脉冲激光经第一透射光栅201衍射后入射到第二透射光栅202,第二透射光栅202将入射激光变成准直的且空间角色散调制的脉冲激光束206输出,用于制造啁啾体光栅。移动0°端面反射镜203使脉冲激光206被原光路反射回去,依次经第二透射光栅202、第一透射光栅201后,被第一平面反射镜204、第二平面反射镜205改变路径后为用于制造啁啾体光栅的脉冲激光束207输出,并入射到脉冲时域整形模块300中的第三平面反射镜301。通过改变第一透射光栅201与第二透射光栅202之间的平行间距,可以调节时域啁啾的大小。
参阅附图3,所述脉冲时域整形模块300包括:第三平面反射镜301、第四平面反射镜304、第五平面反射镜306、第三衍射光栅302、凹面反射镜303和脉冲整形模板305。进入脉冲时域整形模块300的脉冲激光束207经第三平面反射镜301改变路径后,入射到第三衍射光栅302上,发生衍射并产生角色散,变成空间线分布的多束准单色光。第三衍射光栅302放置在凹面反射镜303的焦点上。多束准单色光经过凹面反射镜303变成准直光束,然后经第四平面反射镜304入射到脉冲整形模板305上。所述脉冲整形模板305将时域高斯分布的激光调制成时域矩形分布的激光,调制后的激光以微小的角度差按原光路返回,依次经脉冲整形模板305、第四平面反射镜304、凹面反射镜303和第三衍射光栅302,最终由第五平面反射镜306输出时域矩形分布激光,入射到激光分离与干涉模块400中的第六平面反射镜401。
参阅附图4,所述激光分离与干涉模块400包括:第七平面反射镜401、第八平面反射镜402、第九平面反射镜405、第一光阑403、第二光阑404,
第十平面反射镜407、第十一平面反射镜408、第十二平面反射镜409、第十三平面反射镜410、第十四平面反射镜416、第十五平面反射镜417、第十六平面反射镜411、第十七平面反射镜412、第十八平面反射镜413、一比一分束镜406、位移平台418、反射光束430、透射光束420、第一平凸柱透镜414和第二平凸柱透镜415。所述第七平面反射镜401、第八平面反射镜402和第九平面反射镜405背面的中心各安置有一个光电探头,当激光经过平面反射镜的中心时,光电探头会响应;所述第一光阑403和第二光阑404用于辅助准直光束。所述入射到激光分离与干涉模块400中的时域矩形分布激光经过第七平面反射镜401、第八平面反射镜402和第九平面反射镜405准直和位置标定,并由一比一分束镜406将其被分成功率相等的反射光束430和透射光束420。所述反射光束430经第十平面反射镜407、
第十一平面反射镜408与位移平台418组成的时域延迟控制器后,其激光被第十二平面反射镜409、第十三平面反射镜410改变路径,并由第一平凸柱透镜414经第十四平面反射镜416和第十五平面反射镜417汇聚到玻璃样品501内。所述透射光束420经第十六平面反射镜411、第十七平面反射镜412和第十八平面反射镜413改变路径后,被第二平凸柱透镜415汇聚到玻璃样品501内。所述第一平凸柱透镜414和第二平凸柱透镜415之间共焦点,且反射光束和透射光束间的夹角为θ。所述第一平凸柱透镜414和焦点之间放置第十四平面反射镜416和第十五平面反射镜417。
参阅附图4,所述第一平凸柱透镜414的焦点和第十四平面反射镜416的中心分别在椭圆的两个焦点上,第十五平面反射镜417的中心在该椭圆的圆周上。利用椭圆的性质,当第十五平面反射镜417的中心始终在椭圆的圆周上时,经第十四平面反射镜416和第十五平面反射镜417的光程不变,便于改变夹角θ。适当移动位移平台418,当反射光束430和透射光束420时域同步,且激光的峰值功率密度达到玻璃样品501的电离阈值以上时,焦点处的玻璃样品501内会形成间隔均匀的啁啾等离子体光栅,其间距D=λ/sin(θ/2)。
参阅附图5,所述玻璃啁啾体光栅加工平台模块500包括:玻璃样品501和高精度的电控位移平台502;所述相机在线检测模块600包括:第一凸透镜601、第二凸透镜602和CCD相机603;所述高精度的电控位移平台502上可以放置多个玻璃样品501,电控位移平台502以速度v=0.3mm/s匀速移动玻璃样品501,改变啁啾等离子体光栅的作用位置,从而完成玻璃啁啾体光栅的制造。所述移动方向与啁啾等离子体光栅所在的平面夹角为α,移动的路径为直线。啁啾等离子体光栅在玻璃样品501内的刻蚀并改变玻璃的结构,引起激光作用区域的折射率改变,由于移动方向与啁啾等离子体光栅之间存在夹角α,则实际刻蚀的光栅周期Df=Dsinα。所述第一凸透镜601与第二凸透镜602组成的望远镜***,其一端的焦点在玻璃样品501上,另一端的焦点处在放置CCD相机603上,CCD相机603的数据线连接到带显示器的电脑上,从而实现玻璃加工过程中的实时检测。
参阅附图6,上述啁啾等离子体光栅在玻璃样品501内烧蚀形成的啁啾体光栅经显微镜显示:光栅周期约13.1微米,光栅的尺寸在XY平面是400微米x450微米,Z轴的尺寸取决于玻璃的高度,由电机控制加工的长度,其中,XY平面定义为平行于纸面,Z轴则时垂直于纸面向内。该啁啾体光栅的制造采用的脉冲激光的中心波长为800纳米,脉冲宽度约为100飞秒,两束单脉冲能量约为120微焦的时域同步的脉冲激光分别被第一平凸柱透镜414和第二平凸柱透镜415(焦距为150毫米)汇聚后,在玻璃样品501内的XY平面形成啁啾等离子体光栅,控制电控位移平台502以速度v=0.3mm/s沿着Z轴匀速移动,移动方向与啁啾等离子体光栅之间夹角α为90°,使啁啾等离子体光栅在玻璃样品501内烧蚀,烧蚀区域的折射率增大并形成啁啾体光栅。所述啁啾体光栅在Z轴的精度取决于电机的控制的精度和光学平台的稳定性,两激光脉冲之间的夹角为2.9°,根据干涉公式计算得啁啾等离子体光栅的周期约为15.8微米,实际测量的光栅间距为15.5微米,测量的光丝烧蚀的直径为5.7微米,即折射率增大的区域占空比约为36.7%。
参阅附图7,凸面体光栅,其一端的光栅起始点按曲面分布,另一端保持在一个平面内,同时具有衍射和汇聚入射光斑的功能,汇聚的焦点在曲面的圆心上。改变脉冲时域整形模块300中的时域整形模板305的调制参数,将矩形分布脉冲调制设置成类半圆形分布脉冲调制,使进入激光分离与干涉模块400中的脉冲为时域类半圆形分布激光脉冲。根据克尔自聚焦效应,时域类半圆形分布激光脉冲的光斑中心部分能量强,先发生非线性效应产生等离子体光丝,光斑边缘部分的能量相对较弱,在玻璃样品501内传播一段距离后才能产生等离子体光丝,从而使时域类半圆形分布激光脉冲在玻璃样品501内干涉形成的啁啾等离子体光栅内各光丝起点位置成曲线分布。曲率半径由时域整形模板305控制,并与脉冲啁啾、玻璃内的焦深和汇聚透镜的焦距有关。然后,控制高精度电控位移平台502使玻璃样品501沿着直线以速度v=0.3
mm/s匀速移动,移动方向与啁啾等离子体光栅之间夹角α为90°,即可在玻璃样品501内快速刻蚀出曲面体光栅。
以下通过啁啾体光栅制备的具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
参阅附图8,从飞秒脉冲激光器100中输出一束超短脉冲激光,其中心波长为800nm,脉冲宽度约为100fs,光谱宽度约为40nm。然后经过第一透射光栅201和第二透射光栅202,使原飞秒脉冲变成不同波长成分在空间上从短波长到长波长分布的空间色散脉冲激光束206。然后空间色散脉冲激光束206经过第一平面反射镜204、第二平面反射镜205和第三平面反射镜301改变路径后,入射到第三衍射光栅302上发生衍射并产生角色散,变成空间线分布的多束准单色光。第三衍射光栅302放置在凹面反射镜303的焦点上。多束准单色光经过凹面反射镜303变成准直光束,经过第四平面反射镜304后,入射到脉冲整形模板305上。脉冲整形模板305将时域高斯分布的激光调制成时域矩形分布的脉冲激光,经过调制后的激光以微小的角度差按原光路返回,经过第四平面反射镜304、凹面反射镜303、第三衍射光栅302后,最终由第五平面反射镜306输出。时域矩形分布激光脉冲被一比一分束镜406按光功率一比一分成反射光束和透射光束。反射光束经过时域延迟控制器后被第十二平面反射镜409和第十三平面反射镜410改变光学路径,经过第一平凸柱透镜414,汇聚在玻璃样品501内。其中,时域延迟控制器由第十平面反射镜407和第十一平面反射镜408一对平面反射镜组,以及位移平台418组成,用于控制反射光束和透射光束之间的时域间隔,使两束脉冲在玻璃内汇聚处达到同步干涉的效果。透射光束经过第十六平面反射镜411、第十七平面反射镜412和第十八平面反射镜413改变光学路径后,经过第二平凸柱透镜415汇聚,在玻璃样品501内两光束焦点处重合。空间色散激光脉冲,其脉冲特点是在光斑波前平面内不同波长成分的光子在空间上从短波长到长波长依次散开,两束这样空间色散的激光脉冲在时域同步后以一定夹角聚焦在玻璃样品内。在焦点处几束光斑之间波长相同的部分重叠,并且光斑之间不同空间分布处但相同波长成分的光子发生干涉,产生等离子体。由于不同波长的光子在干涉时形成的啁啾等离子体光栅的周期也不同,所以几束空间色散的脉冲激光在玻璃样品内汇聚透镜焦点处形成了周期分布不均匀的啁啾等离子体光栅。令反射光束和透射光束之间的夹角为θ,当两束激光的时域达到同步时,根据干涉原理,形成的干涉条纹的周期常数满足公式D=λ/sin(θ/2)。空间色散脉冲激光中不同波长成分λ在玻璃样品501内干涉时,形成的干涉条纹间距满足公式玻璃样品501放置并固定在高精度的电控位移平台502上,控制电控位移平台502使玻璃样品501沿着直线以速度v=0.3mm/s匀速移动,移动方向与啁啾等离子体光栅之间夹角α为90°。如此,即可利用啁啾等离子体光栅在玻璃样品501内快速刻写出啁啾体光栅。
以上各实施例只是对本发明做进一步说明,并非用以限制本发明专利,凡为本发明等效实施,均应包含于本发明专利的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种飞秒光丝干涉直写啁啾体光栅制备方法,其特征在于采用飞秒脉冲激光在玻璃内干涉,形成一段数倍于光斑瑞利长度的光丝,通过调节聚焦透镜的焦距和激光能量,控制等离子体在玻璃内快速扫描并刻蚀出啁啾体光栅结构,所述飞秒脉冲激光为两束以上,从飞秒脉冲激光器中输出一束超短脉冲激光,其中心波长为800 nm,脉冲宽度约为100 fs,光谱宽度约为40 nm;然后经过第一透射光栅和第二透射光栅,使原飞秒脉冲变成不同波长成分在空间上从短波长到长波长分布的空间色散脉冲激光束;然后空间色散脉冲激光束经过第一平面反射镜、第二平面反射镜和第三平面反射镜改变路径后,入射到第三衍射光栅上发生衍射并产生角色散,变成空间线分布的多束准单色光;第三衍射光栅放置在凹面反射镜的焦点上;多束准单色光经过凹面反射镜变成准直光束,经过第四平面反射镜后,入射到脉冲整形模板上;脉冲整形模板将时域高斯分布的激光调制成时域矩形分布的脉冲激光,经过调制后的激光以微小的角度差按原光路返回,经过第四平面反射镜、凹面反射镜、第三衍射光栅后,最终由第五平面反射镜输出;时域矩形分布激光脉冲被一比一分束镜按光功率一比一分成反射光束和透射光束;反射光束经过时域延迟控制器后被第十二平面反射镜和第十三平面反射镜改变光学路径,经过第一平凸柱透镜,汇聚在玻璃样品内;其中,时域延迟控制器由第十平面反射镜和第十一平面反射镜一对平面反射镜组,以及位移平台组成,用于控制反射光束和透射光束之间的时域间隔,使两束脉冲在玻璃内汇聚处达到同步干涉的效果;透射光束经过第十六平面反射镜、第十七平面反射镜和第十八平面反射镜改变光学路径后,经过第二平凸柱透镜汇聚,在玻璃样品内两光束焦点处重合;空间色散激光脉冲,其脉冲特点是在光斑波前平面内不同波长成分的光子在空间上从短波长到长波长依次散开,两束这样空间色散的激光脉冲在时域同步后以一定夹角聚焦在玻璃样品内;在焦点处几束光斑之间波长相同的部分重叠,并且光斑之间不同空间分布处但相同波长成分的光子发生干涉,产生等离子体;由于不同波长的光子在干涉时形成的啁啾等离子体光栅的周期也不同,所以几束空间色散的脉冲激光在玻璃样品内汇聚透镜焦点处形成了周期分布不均匀的啁啾等离子体光栅,利用啁啾等离子体光栅在玻璃样品内快速刻写出啁啾体光栅。
2.一种权利要求1所述飞秒光丝干涉直写啁啾体光栅制备方法制作的啁啾体光栅装置,其特征在于该啁啾体光栅装置由飞秒脉冲激光器模块、脉冲啁啾管理模块、脉冲时域整形模块、激光分离与干涉模块、玻璃啁啾体光栅加工平台模块和相机在线检测模块组成,所述飞秒脉冲激光器模块包括:飞秒激光器和可调节功率衰减或皮秒激光器和可调节功率衰减器;所述脉冲啁啾管理模块包括:第一衍射光栅、第二衍射光栅、0°端面反射镜、第一和第二平面反射镜;所述脉冲时域整形模块由若干平面反射镜与第三衍射光栅、凹面反射镜和脉冲整形模板组成;所述激光分离与干涉模块由若干平面反射镜与光路准直、分光器件、时域延迟控制器和汇聚透镜组成;所述玻璃啁啾体光栅加工平台模块包括:玻璃样品和电控位移平台;所述相机在线检测模块包括:两凸透镜、CCD相机和电脑;所述飞秒脉冲激光器模块产生的飞秒脉冲激光入射到脉冲啁啾管理模块;所述脉冲啁啾管理模块将入射的激光脉冲经时域啁啾或空间色散管理后入射到脉冲时域整形模块;所述脉冲时域整形模块将入射的时域波形经操控形成时域矩形分布的激光后入射到激光分离与干涉模块;所述激光分离与干涉模块将入射的时域矩形分布的激光分离成多束脉冲经时域同步后在汇聚透镜后的焦点处重合并发生干涉,在玻璃体内形成啁啾等离子体光栅后入射到玻璃啁啾体光栅加工平台模块;所述玻璃啁啾体光栅加工平台模块将入射的啁啾等离子体光栅在玻璃样品上移动,完成玻璃啁啾体光栅的激光加工;所述相机在线检测模块实时监控激光在玻璃样品内的加工情况。
3.根据权利要求2所述飞秒光丝干涉直写啁啾体光栅制备方法制作的啁啾体光栅装置,其特征在于所述可调节功率衰减器为圆形旋转中性密度衰减片、半波片、格兰棱镜或偏振分束器的组合。
4.根据权利要求2所述飞秒光丝干涉直写啁啾体光栅制备方法制作的啁啾体光栅装置,其特征在于所述脉冲啁啾管理模块中的第一和第二衍射光栅为透射式衍射光栅、反射式衍射光栅或色散棱镜光栅。
5.根据权利要求2所述飞秒光丝干涉直写啁啾体光栅的制备方法制作的啁啾体光栅装置,其特征在于所述脉冲时域整形模块中的第三衍射光栅为透射光栅、反射光栅、体光栅或色散棱镜光栅。
6.根据权利要求2所述飞秒光丝干涉直写啁啾体光栅制备方法制作的啁啾体光栅装置,其特征在于所述脉冲整形模板为声光调制器、液晶空间调制器、移动镜或变形镜。
7.根据权利要求2所述飞秒光丝干涉直写啁啾体光栅制备方法制作的啁啾体光栅装置,其特征在于所述分光器件为用于将脉冲激光按功率比例分成多束的微阵列反射镜、半波长波片与偏振分束镜的组合、一块或多块平面分束镜组合。
8.根据权利要求2所述飞秒光丝干涉直写啁啾体光栅制备方法制作的啁啾体光栅装置,其特征在于所述时域延迟控制器由位移平台和两块平面反射镜组成,用于调节激光脉冲之间的时域差,使多束激光脉冲在经过汇聚透镜的焦点处时达到时域同步。
9.根据权利要求2所述飞秒光丝干涉直写啁啾体光栅制备方法制作的啁啾体光栅装置,其特征在于所述汇聚透镜为平凸柱透镜、双胶合柱透镜、圆透镜、微透镜阵列或锥透镜。
10.根据权利要求2所述飞秒光丝干涉直写啁啾体光栅制备方法制作的啁啾体光栅装置,其特征在于所述玻璃样品为六面抛光的长方体,其材质采用熔融石英玻璃、K9玻璃、氟化钙玻璃或硫化锌晶体。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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