CN117086472A - 一种透镜波前整形飞秒激光直写加工像差的方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种透镜波前整形飞秒激光直写加工像差的方法及应用，属于激光加工技术领域，该方法采用4f光学透镜***，通过调节透镜间距校正激光波前来解决飞秒激光进行波导直写时的散焦及纵深有限的问题；本发明通过设计4f透镜中第一个透镜相较于第二个透镜的间距从而将入射激光的波前整形，实现在材料内特定深度下的像差校正；通过三维精密位移平台使激光焦点在样品内的深度与透镜间距匹配，使焦点拉长效应减弱。在改变加工深度同时调节4f透镜间距，即可实现不同层深像差校正，从而实现飞秒激光大深度波导的直写。本发明利用简单的4f透镜组代替了昂贵的空间光调制器，不仅解决了不同层深加工时的像差问题，而且实现了大深度波导的加工直写。
Description
技术领域
本发明属于激光加工技术领域，具体涉及透镜波前像差整形进行大深度玻璃波导的飞秒激光直写加工，通过改变4f***中透镜组的间距从而对物镜前激光波前调制，调节聚焦激光焦点在样品内深度与被调制波前匹配，以实现基于透镜波前像差整形的大深度玻璃波导的直写加工。
背景技术
作为集成光子芯片中最基本和重要的元件，光波导是一个由低折射率包层覆盖的高折射率区域。相比于平面光刻、离子扩散、离子/中子注入等制作光波导的方法，飞秒激光直写加工技术具有高精度、可进行三维(3D)加工的特点，且几乎可以在任何透明介质中实现波导直写，因而在量子计算与模拟中得到重要应用。由于待加工样品与空气之间的折射率差，未经过整形的飞秒激光聚焦在介质材料内时焦斑拉长，引起散焦问题。散焦问题使得激光直写波导的截面呈狭长的椭圆型，且材料改性阈值将随着聚焦深度变化而变化，无法实现大深度下波导的加工。这将导致波导存在空间耦合能力差异，极大地限制了飞秒激光直写真3D波导芯片的能力，阻碍芯片集成度的提高。不仅如此，上述散焦效应还将导致波导中心对称性差，增大与光纤的耦合损耗。
目前，各国课题组主要采用纵向直写、加入柱透镜组或狭缝整形光束、多次扫描等方法来改善波导横截面的对称性，但上述方法分别存在着制备波导长度短、制备弯曲圆波导困难、需寻找最佳狭缝宽度及最佳透镜组焦距的问题。加工深度受限的问题一般通过空间光束调制的方法进行改善，成本较高，需采用复杂像差补偿算法，存在针对不同层深加载不同相位补偿图的问题，并使得波导加工变得更加复杂。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是：提供一种利用透镜进行飞秒激光波前整形从而校正像差，实现大深度玻璃波导加工的方法。本发明采用4f光学透镜***，通过调节透镜间距校正激光波前来解决飞秒激光进行波导直写时的散焦及纵深有限的问题；本发明的原理如下：设计4f透镜中第一个透镜相较于第二个透镜的间距从而将入射激光的波前整形，实现在材料内特定深度下的像差校正；通过三维精密位移平台使激光焦点在样品内的深度与透镜间距匹配，使焦点拉长效应减弱。同时，在改变加工深度同时调节4f透镜间距，即可实现不同层深像差校正，从而实现飞秒激光大深度波导的直写。如此，利用简单的4f透镜组代替了昂贵的空间光调制器，不仅解决了不同层深加工时的像差问题，而且实现了大深度波导的加工直写。
本发明通过如下技术方案实现：
一种透镜波前整形飞秒激光直写加工像差的方法，具体步骤如下：
步骤一、样品台的调平；
具体步骤为：首先，使激光器出射的飞秒激光先后中心入射第一凹透镜L1和第一凸透镜L2进行扩束，将光斑扩大4倍后，依次经过二分之一波片HWP和格兰-泰勒棱镜GTL，然后经第一反射镜M1、第二反射镜M2、第三反射镜M3、第四反射镜M4反射后经过被安装在单轴步进电机LS上的4f透镜组中的一号凸透镜L3，再经过4f透镜组中的二号凸透镜L4，最后依次经由反射镜M5反射和物镜OL聚焦后入射至样品台上的玻璃样品表面；照明光源LED固定在反射镜M5的镜架上，使照明光源LED发出的白光入射到物镜OL内，聚焦于玻璃样品表面从而照亮样品；照明光透过反射镜M5后聚焦成像到CCD中，并将CCD与电脑相连，实时监控样品台的调平过程；
步骤二、一号凸透镜L3坐标库的建立与校正效果验证；
首先，定义L3的原点坐标为4f透镜组中一号凸透镜L3与二号凸透镜L4的间距为2f时的坐标，且一号凸透镜L3靠近二号凸透镜L4时运动方向定义为Y轴正方向；然后，利用ZMAX模拟在材料内部不同深度d1下焦点的z方向尺寸；当一号凸透镜L3处于原点时，为未校正情况，改变一号凸透镜L3的坐标，当焦点z方向长度减小至未校正的60％时，记录4f透镜组中一号凸透镜L3对应的坐标Y1；同理，变化不同聚焦深度d，改变一号凸透镜L3的坐标实现不同深度下的像差校正，从而建立像差校正一号凸透镜L3的坐标库；接着，利用Virtualab中场追迹模拟当一号透镜L3处于一号凸透镜L3坐标库中的坐标Y下时，对应的材料内深度d下的焦点归一化能量分布，判断此时焦点z方向尺寸与一号凸透镜L3位置未变化时的焦点归一化能量分布相比，尺寸是否均为未校正时z方向尺寸的60％；若一号凸透镜L3处于不同坐标下，其z方向尺寸均为未校正时的60％，则一号凸透镜L3坐标库的准确性得到验证，绘制得到一号凸透镜L3坐标与校正深度的曲线图，且其焦点z方向长度校正效果得到验证；若存在不为z方向长度60％的点，则重新利用Virtualab进行仿真，寻找对应深度下的校正坐标，对坐标库中原有点进行替换。
步骤三、不同深度下波导直写；
首先，根据直写目标深度d1，在一号凸透镜L3坐标库中找到校正坐标Y1，并利用单轴步进电机将一号凸透镜L3移动至校正坐标Y1；随后，利用电脑控制物镜下降至直写目标深度d1；然后，控制气浮位移平台在d1深度下直写波导；当d1深度波导直写完毕，此时控制步进电机将一号凸透镜L3移动至校正坐标Y2下，同时使物镜移动至深度d2；接着，利用控制气浮位移平台在d2深度下直写波导；由此，实现样品内不同深度下波导的直写制备。
进一步地，步骤一中所述的样品台的调平过程，具体如下：以样品互相垂直的两条边为X轴与Y轴，通过电脑调节运动平台在X轴上划线，同时调整X方向调平旋钮，直至激光能扫出一条均匀损伤线，此时X方向调平完毕；同理，利用激光在Y轴上划线，同时旋转Y方向调平旋钮对Y方向进行调平；此时，激光能在X、Y方向均可直写出宽度均匀损伤线，表明样品台已经相对聚焦激光光束垂直，即完成样品台的调平。
进一步地，步骤一所述飞秒激光波长为1030nm，脉冲宽度为239fs，重频为1MHz；所述二分之一波片HWP和偏振分束器PBS的组合能控制激光功率，调平时所用功率为300mW；所述第一凹透镜L1的焦距为-8cm，第二凸透镜L2的焦距为32cm，4f透镜组中一号凸透镜L3和二号凸透镜L4的焦距为10cm，物镜OL入瞳处与二号凸透镜L4距离为10cm；所述单轴步进电机LS为直线步进电机，行程为45cm，最大速度50mm/s，定位精度0.3mm；所用物镜OL的工作距离为5mm，NA＝0.75，放大倍数×40；所述物镜OL、反射镜M与照相机CCD元件的几何中心位于同一竖直线上，其几何中心距离样品表面的垂直距离分别为ZOL＝5.25cm，ZM＝10.50cm，ZCCD＝21cm；所述待加工样品为康宁玻璃，尺寸为2.5cm×2.5cm×0.5cm。
进一步地，步骤二所述一号凸透镜L3处于原点0cm时，与二号凸透镜L4相距20cm；所述ZMAX模拟的像差校正一号凸透镜L3坐标库中，校正深度d的范围为1.1至3.0mm，步长为0.1mm；根据一号凸透镜L3坐标与校正深度的曲线图，得到对应深度下一号凸透镜L3的Y坐标，对应坐标范围为18.77至-22.76cm。
进一步地，步骤三所述的波导的直写功率为650mW，直写速度为20mm/s；所述直波导沿X轴方向，长度为25mm；所述深度d大于1mm，此时利用SLM校正相差效果较差；直写结束后，对直波导的两个端面进行精细抛光，接着对波导进行端面及模式进行表征。
另一方面，本发明还提供了一种透镜波前整形飞秒激光直写加工像差的方法在大聚焦深度下实现波导结构直写的应用。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
(1)、利用简单的4f凸透镜组代替昂贵的空间光调制器***，实现了大深度下波导结构的直写，突破了加工***成本与加工深度成正比的问题；
(2)、通过调节4f透镜中两个凸透镜间距进而调制飞秒激光波前，实现了不同深度下飞秒激光直写像差的校正，避免使用复杂的像差校正算法，有效解决了飞秒激光在材料内大深度下拉长焦斑的问题，即散焦问题；
(3)、通过控制步进电机和物镜的同步运动，实现了样品内不同深度下的散焦校正的功能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明的一种透镜波前像差整形进行大深度玻璃波导的飞秒激光直写加工的光路示意图；
其中，Fs Laser-飞秒激光器，L1-第一凹透镜，L2-第一凸透镜，HWP-二分之一波片，GTL-格兰泰勒棱镜，LS-单轴步进电机，M1-第一反射镜，M2-第二反射镜，M3-第三反射镜，M4-第四反射镜，M5-第五反射镜，L3-一号凸透镜，L4-二号凸透镜，OL-物镜，CCD-照相机，LED-照明光源，GS-康宁玻璃样品；
图2为本发明的一种透镜波前像差整形进行大深度玻璃波导的飞秒激光直写加工的像差校正L3坐标库；
图3为不同深度下加工时，一号凸透镜L3校正坐标下，物镜入瞳前的校正波前相位图；
图4为本发明的一种透镜波前像差整形进行大深度玻璃波导的飞秒激光直写加工的材料内像差校正前后焦点形貌图；
其中，图4的(a1)-(a15)为一号凸透镜L3处于原点时飞秒激光聚焦于材料内不同深度的焦点形貌；图4的(b1)-(b15)为一号凸透镜L3处于相应校正坐标时飞秒激光聚焦于材料内不同深度的焦点形貌；
图5为本发明的种透镜波前像差整形进行大深度玻璃波导的飞秒激光直写加工的波导端面光学显微镜照片；
其中，图5的(a1)-(b1)和(a2)-(b2)分别为1.5mm和2.5mm深度下飞秒激光波前未整形直写波导端面显微镜照片和模场照片；图5的(c1)-(d1)和(c2)-(d2)分别为2.5mm深度下飞秒激光波前整形后直写波导端面显微镜照片和模场照片。
具体实施方式
为清楚、完整地描述本发明所述技术方案及其具体工作过程，结合说明书附图，本发明的具体实施方式如下：
实施例1
利用4f透镜组实现不同深度下飞秒激光直写像差校正。
利用简单的4f透镜组同样能够实现物镜前飞秒激光波前的调节。无需使用昂贵的SLM和复杂的散焦补偿算法，通过改变4f透镜组中前透镜相较后透镜的间距，从而改变了物镜前的激光波前相位，且通过控制焦点深度与凸透镜位置同步运动，解决了飞秒激光在不同层深下波导直写加工时的散焦问题，极大地降低了材料内大深度埋入波导的制备难度。
利用4f透镜组实现不同深度下飞秒激光直写像差校正，具体步骤如下：
(1)、样品台的调平：所用飞秒激光波长为1030nm，脉冲宽度为239fs，重频为1MHz；所述第一凹透镜L1的焦距为-8cm，第二凸透镜L2的焦距为32cm，4f透镜组中一号凸透镜L3和二号凸透镜L4的焦距为10cm，物镜OL入瞳处与二号凸透镜L4距离为10cm；所用单轴步进电机LS为直线步进电机，行程为45cm，最大速度50mm/s，定位精度0.3mm；所用物镜OL的工作距离为5mm，NA＝0.5，放大倍数40×。首先，如图1所示，使激光器出射的飞秒激光经由第一凹透镜L1和第一凸透镜L2进行扩束，将光斑扩大4倍，并依次经由二分之一波片HWP、格兰泰勒棱镜GTL、第一反射镜M1、第二反射镜M2、第三反射镜M3、第四反射镜M4、一号凸透镜L3、二号凸透镜L4，此时，一号凸透镜L3处于原点坐标，并未对激光波前进行调制，仅起汇聚的作用；接着，激光借助第五反射镜M5入射到物镜OL，转动二分之一波片HWP的光轴，使飞秒脉冲在传播至第五反射镜M5后、物镜OL入瞳前的激光能量为300mW；随后，物镜OL将激光聚焦后入射至样品台上的玻璃样品表面；然后，借助固定在五号反射镜M5的镜架上的照明光源LED发出的照明光以及反射镜M5上方的照相机CCD，得以在电脑上实时监控样品台的调平过程。以样品互相垂直的两条边为X轴与Y轴，通过电脑PC调节运动平台在(0，0)和(2.5cm，0)两点间移动，同时调整X方向调平旋钮，直至激光能扫出一条长度为2.5cm、宽度为4μm的均匀损伤线，此时X方向调平完毕；同理，利用激光在(0，0)和(0，2.5cm)两点间划线及Y方向调平旋钮对Y方向进行调平；此时，激光能在X、Y方向均可直写出宽度均匀损伤线，表明样品台已经相对聚焦激光光束垂直，样品台的调平已完成，固定样品台所在位置。
(2)、一号凸透镜L3坐标库的生成与校正效果验证：首先，利用ZMAX计算在样品内部1.0mm至3.0mm深度下焦点的z方向尺寸。变化一号凸透镜L3的坐标，当焦点z方向长度减小至未校正的60％时，记录4f透镜组中一号凸透镜L3对应的坐标，建立如图2所示的一号透镜L3坐标库；然后，如图3所示，利用Virtualab构建光路，生成一号透镜在不同L3坐标时在物镜前产生的像差校正激光波前相位图；接着，利用Virtualab的场追迹功能，分别模拟激光波前整形前后在材料内不同深度下聚焦时的焦点形貌，如图4所示。此时，利用Virtualab可以验证整形后焦斑z方向尺寸是否为未校正时z方向尺寸的60％。其中，所述激光波前相位图为灰度图，像素大小为1024×1024，相位大小范围为[0,2π]。
(3)、不同深度下波导直写：
首先，根据实验设计确定结构目标加工深度d1并从一号透镜L3坐标库中找到相应的校正坐标Y1，并利用电脑控制步进电机LS使一号透镜L3运动至相应校正坐标Y1，同时控制物镜OL使焦点聚焦于深度d1；然后，控制气浮位移平台在d1深度下直写波导，结束d1深度下波导结构的加工后，根据L3坐标库将L3移动至坐标Y2进行深度d2校正波前的切换，同时控制物镜OL使焦点聚焦于深度d2；此时，物镜OL入瞳前的激光校正波前由d1深度校正切换至d2深度校正。其中，所述加工深度d1和d2分别为2.5和1.5mm，所对应一号透镜L3坐标Y1和Y2分别为-1.13和14.96cm；所述步进电机LS和物镜OL的运动速度为40mm/s。
实施例2
利用4f透镜组校正像差在大深度下直写波导，并且将其端面和模式形貌与同深度下无波前整形直写的普通波导进行比较，具体步骤如下：
(1)、样品台的调平：同实施例1。
(2)、大深度下无波前整形普通波导的直写：首先，转动二分之一波片HWP的光轴，使物镜OL入瞳前激光功率为700mW；然后，利用电脑移动步进电机LS使一号凸透镜L3处于0.0cm处，并在电脑上加载提前写好的直波导加工程序，沿X方向单焦点直写普通直波导；其中，所直写的直波导长度为25mm，深度分别为2.5和1.5mm。
(4)、大深度下透镜波前整形像差校正波导的直写：首先，转动二分之一波片HWP的光轴，使物镜OL入瞳前激光功率为600mW；然后，利用电脑移动步进电机LS使一号凸透镜L3处于分别处-1.13cm和14.96cm处，并在电脑上加载提前写好的直波导加工程序，在透镜波前整形条件下沿X方向分别直写对应深度下的像差校正波导；其中，所直写的直波导长度为25mm，深度为2.5和1.5mm。
加工结束后，对无波前整形和有波前整形下直写波导的端面进行抛光，并表征其端面和模式特性，结果如图5所示。由图5的(a1)、(b1)、(c1)、(d1)可知，经过步骤(1)-(4)利用4f透镜组进行波前整形的方法校正了散焦问题引起的焦点拉长，使波导端面的对称性得到改善；由图5的(a2)、(b2)、(c2)、(d2)可知，波导的模场对称性得到提高，即经过4f透镜组进行波前整形后直写的波导的传输损耗与对接损耗得到降低，有利于大深度波导器件的制备，从而推动3D光量子芯片的发展。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (6)
1.一种透镜波前整形飞秒激光直写加工像差的方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤一、样品台的调平；
具体步骤为：首先，使激光器出射的飞秒激光先后中心入射第一凹透镜L1和第一凸透镜L2进行扩束，将光斑扩大4倍后，依次经过二分之一波片HWP和格兰-泰勒棱镜GTL，然后经第一反射镜M1、第二反射镜M2、第三反射镜M3、第四反射镜M4反射后经过被安装在单轴步进电机LS上的4f透镜组中的一号凸透镜L3，再经过4f透镜组中的二号凸透镜L4，最后依次经由反射镜M5反射和物镜OL聚焦后入射至样品台上的玻璃样品表面；照明光源LED固定在反射镜M5的镜架上，使照明光源LED发出的白光入射到物镜OL内，聚焦于玻璃样品表面从而照亮样品；照明光透过反射镜M5后聚焦成像到CCD中，并将CCD与电脑相连，实时监控样品台的调平过程；
步骤二、一号凸透镜L3坐标库的建立与校正效果验证；
首先，定义L3的原点坐标为4f透镜组中一号凸透镜L3与二号凸透镜L4的间距为2f时的坐标，且一号凸透镜L3靠近二号凸透镜L4时运动方向定义为Y轴正方向；然后，利用ZMAX模拟在材料内部不同深度d1下焦点的z方向尺寸；当一号凸透镜L3处于原点时，为未校正情况，改变一号凸透镜L3的坐标，当焦点z方向长度减小至未校正的60％时，记录4f透镜组中一号凸透镜L3对应的坐标Y1；同理，变化不同聚焦深度d，改变一号凸透镜L3的坐标实现不同深度下的像差校正，从而建立像差校正一号凸透镜L3的坐标库；接着，利用Virtualab中场追迹模拟当一号透镜L3处于一号凸透镜L3坐标库中的坐标Y下时，对应的材料内深度d下的焦点归一化能量分布，判断此时焦点z方向尺寸与一号凸透镜L3位置未变化时的焦点归一化能量分布相比，尺寸是否均为未校正时z方向尺寸的60％；若一号凸透镜L3处于不同坐标下，其z方向尺寸均为未校正时的60％，则一号凸透镜L3坐标库的准确性得到验证，绘制得到一号凸透镜L3坐标与校正深度的曲线图，且其焦点z方向长度校正效果得到验证；若存在不为z方向长度60％的点，则重新利用Virtualab进行仿真，寻找对应深度下的校正坐标，对坐标库中原有点进行替换；
步骤三、不同深度下波导直写；
首先，根据直写目标深度d1，在一号凸透镜L3坐标库中找到校正坐标Y1，并利用单轴步进电机将一号凸透镜L3移动至校正坐标Y1；随后，利用电脑控制物镜下降至直写目标深度d1；然后，控制气浮位移平台在d1深度下直写波导；当d1深度波导直写完毕，此时控制步进电机将一号凸透镜L3移动至校正坐标Y2下，同时使物镜移动至深度d2；接着，利用控制气浮位移平台在d2深度下直写波导；由此，实现样品内不同深度下波导的直写制备。
2.如权利要求1所述的一种透镜波前整形飞秒激光直写加工像差的方法，其特征在于，步骤一中所述的样品台的调平过程，具体如下：以样品互相垂直的两条边为X轴与Y轴，通过电脑调节运动平台在X轴上划线，同时调整X方向调平旋钮，直至激光能扫出一条均匀损伤线，此时X方向调平完毕；同理，利用激光在Y轴上划线，同时旋转Y方向调平旋钮对Y方向进行调平；此时，激光能在X、Y方向均可直写出宽度均匀损伤线，表明样品台已经相对聚焦激光光束垂直，即完成样品台的调平。
3.如权利要求1所述的一种透镜波前整形飞秒激光直写加工像差的方法，其特征在于，步骤一所述飞秒激光波长为1030nm，脉冲宽度为239fs，重频为1MHz；所述二分之一波片HWP和偏振分束器PBS的组合能控制激光功率，调平时所用功率为300mW；所述第一凹透镜L1的焦距为-8cm，第二凸透镜L2的焦距为32cm，4f透镜组中一号凸透镜L3和二号凸透镜L4的焦距为10cm，物镜OL入瞳处与二号凸透镜L4距离为10cm；所述单轴步进电机LS为直线步进电机，行程为45cm，最大速度50mm/s，定位精度0.3mm；所用物镜OL的工作距离为5mm，NA＝0.75，放大倍数×40；所述物镜OL、反射镜M与照相机CCD元件的几何中心位于同一竖直线上，其几何中心距离样品表面的垂直距离分别为ZOL＝5.25cm，ZM＝10.50cm，ZCCD＝21cm；所述待加工样品为康宁玻璃，尺寸为2.5cm×2.5cm×0.5cm。
4.如权利要求1所述的一种透镜波前整形飞秒激光直写加工像差的方法，其特征在于，步骤二所述一号凸透镜L3处于原点0cm时，与二号凸透镜L4相距20cm；所述ZMAX模拟的像差校正一号凸透镜L3坐标库中，校正深度d的范围为1.1至3.0mm，步长为0.1mm；根据一号凸透镜L3坐标与校正深度的曲线图，得到对应深度下一号凸透镜L3的Y坐标，对应坐标范围为18.77至-22.76cm。
5.如权利要求1所述的一种透镜波前整形飞秒激光直写加工像差的方法，其特征在于，步骤三所述的波导的直写功率为650mW，直写速度为20mm/s；所述直波导沿X轴方向，长度为25mm；所述深度d大于1mm，此时利用SLM校正相差效果较差；直写结束后，对直波导的两个端面进行精细抛光，接着对波导进行端面及模式进行表征。
6.一种透镜波前整形飞秒激光直写加工像差的方法在大聚焦深度下实现波导结构直写的应用。
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