CN104132801B - 铥离子掺杂硫卤化合物玻璃单线波导刻写的最佳能量测定 - Google Patents
铥离子掺杂硫卤化合物玻璃单线波导刻写的最佳能量测定 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种铥离子掺杂硫卤化合物玻璃单线波导刻写的最佳能量测定，以硫卤化合物作为基质材料，使用不同能量的飞秒激光在硫卤化合物玻璃表面之下100μm处刻写横截面为椭圆形的单线波导，通过研究分析最佳的波导导光特性，确定最佳刻写能量，进一步测量所刻写的有效波导的损耗，通过本发明的测定证明了铥离子掺杂硫化物玻璃可作为波导传输的基质材料，对在该基质材料中研究中远红外波导激光器有着很好的参考价值。
Description
技术领域：
本发明属于光电子技术领域，涉及激光飞秒加工，具体涉及铥离子掺杂硫卤化合物玻璃单线波导刻写的最佳能量研究、有效波导的传输损耗测量以及模场分布，在集成光学和中、远红外领域有重要的应用价值。
背景技术：
随着第一次报道在玻璃中刻写波导以来，飞秒激光在透明介质中加工波导越来越受到人们的欢迎。这种趋势归因于飞秒激光和材料的非线性作用，在扫描区产生等离子体，导致该区域的折射率发生变化。又因为飞秒加工相比于的机械加工和皮秒激光加工有更快的非线性效应、更小的作用面积、极小的热效应及更高的加工精度，在微加工领域有着不可比拟的优势。目前在硼酸盐、磷酸盐、碲酸盐玻璃中刻写波导的报道已有很多，有些掺杂增益介质的玻璃中已经有波导激光器的报道。西安光机所龙学文等人在“buried waveguidein neodymiumdoped phosphate glass obtained by femotosecond laser writingusinga double line approach”一文中报道了钕离子掺杂的磷酸盐玻璃中刻写双线波导，波导的长度为9mm，双线之间的波导区传输损耗为1.22dB/cm，波导表现出了很好的导光特性，文中没有提到连续激光的输出。山东大学提出的专利申请“镱掺杂钇钕石榴石陶瓷平面及条形波导激光器件的制备方法”(申请号：201010284513.1公布号：CN 101969171A)一文中对所刻写的波导端面进行抛光镀膜形成谐振腔，使用976nm的泵光注入波导的一个端面，得到了1030nm的激光输出。硫化物玻璃由于它的宽的透射带宽近年来受到人们的广泛关注，M.Hughes等人在“fabrication and characterization offemtosecond laser writtenwaveguides in chalcogenide glass”一文中研究了GLS(gallium lanthanum sulfide)硫化物玻璃中不同能量下的波导传输模式和损耗，对研究硫化物波导刻写有很好的参考作用。以上的专利和文章研究的都是近、中红外的基质材料的波导和波导激光器。本专利在以上文章和专利的基础上进一步对新的组分的铥离子掺杂的硫卤化合物玻璃进行研究。本样品为掺杂了卤族元素I和Cs的掺铥硫化物玻璃，相比于GLS玻璃有更好的热稳定性和透光特性(透射范围可到11.6μm)，此外它是无毒的，更安全。本专利所述的波导结构在合适的刻写能量下表现出良好的导光特性，进一步可对硫卤化合物玻璃波导激光器的研究提供借鉴，尤其是对于不同离子掺杂的样品更有指导意义，可作为中、远红外波导激光器良好的基质材料。
发明内容：
本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种铥离子掺杂硫卤化合物玻璃单线波导刻写的最佳能量测定方法，对在该基质材料中研究中远红外波导激光器有着很好的参考价值。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：铥离子掺杂硫卤化合物玻璃单线波导刻写的最佳能量测定，以硫卤化合物作为基质材料，使用不同能量的飞秒激光在玻璃表面之下100μm处刻写横截面为椭圆形的单线波导，通过研究分析最佳的波导导光特性，确定最佳刻写能量。
进一步的，所述的铥离子掺杂硫卤化合物玻璃单线波导刻写的最佳能量测定，其特征在于：包括以下步骤：
(1)硫卤化合物玻璃加工：将硫卤化合物玻璃切割成5×5×2mm3的立方体，除面积为5×2mm2的两个面外，其余四个面抛光处理；
(2)硫卤化合物玻璃清理：使用纯度大于99％酒精将四个抛光面的灰尘清理干净；
(3)将硫卤化合物玻璃固定于三维电动平移台上；
(4)设定电动平移台的参数：
(4a)旋转电动平移台和钛宝石放大器之间的衰减片，控制刻写激光的能量；
(4b)设定电动平移台的参数，控制样品的移动方向和移动速率以及刻写波导的种类；
(5c)设定CCD的参数，调整视场的大小，以便最佳的实时监测；
(5)飞秒激光加工：
(5a)飞秒激光的聚焦方向和样品的移动方向垂直，激光光束聚焦到样品的内部；
(5b)在步骤(4a)设定的扫描能量和步骤(4b)设定的扫描速率下刻写单线波导；
(6)通光测试：
(6a)使用白光找到刻写波导的横截面；
(6b)使用聚焦物镜将1039nm的光聚焦到样品中刻写波导的横截面，使用10倍显微物镜将另一个端面出射的光聚集到CCD中，通过CCD观察近场模式分布来判断刻写的波导导光特性，如果通过CCD观察到的经过波导后的模场分布是亮斑，则执行步骤(7)，否则执行步骤(4)；
(7)测量经过刻写的波导损耗；
(8)完成单线波导刻写最佳能量的测试。
进一步的，所述步骤(1)中材料抛光处理的吸收损耗为3.5dB/cm，抛光面为光学精度。
进一步的，所述步骤(3)中三维电动平移台的步长为1nm。
进一步的，所述步骤(4a)中通过旋转衰减片使激光器的输出能量在0和1mJ之间连续变化。
进一步的，所述步骤(4b)中平移台的移动速率设定为30μm/s；步骤(4b)中使用20倍显微物镜找到平面，50倍显微物镜进行加工；所述步骤(4c)中CCD的视场与步骤(4b)设定的参数对应。
进一步的，所述步骤(5a)中激光光束聚焦到样品表面以下100μm处。
进一步的，所述步骤(5b)中刻写能量最小为0μJ，最大为15.9μJ，每次增加0.2μJ的能量。
进一步的，步骤(6b)中CCD的分辨率为300万像素。
进一步的，所述步骤(7)中测量激光经过波导线后的输出功率P'，再测量激光不经过样品直接进入功率计的功率P0，由公式η＝(10/l)×log(P0/P')计算所刻写的波导的传输损耗，功率计的分辨率为1nW,量程为30mW。
本发明的有益效果：本发明的方法通过分析不同的飞秒激光刻写能量下的波导导光特性，确定了铥离子掺杂硫化物玻璃单线波导的最佳刻写能量，进一步测量了所刻写的有效波导的损耗，证明了铥离子掺杂硫化物玻璃可作为波导传输的基质材料，对在该基质材料中研究中远红外波导激光器有着很好的参考价值。
附图说明：
图1是本发明硫卤化合物波导示意图；
图2是本发明硫卤化合物波导加工示意图；
图3是本发明硫卤化合物波导损耗测量示意图；
图4是本发明硫卤化合物波导近场模式分布图。
具体实施方式：
参阅图1，为本发明的波导示意图，左图为飞秒激光加工的波导刻线，右图为波导刻线的横截面图，不同的刻线所对应的刻写能量不同，结合图2和图3对本发明的实施方式做进一步的描述，包括以下步骤：
步骤一：硫卤化合物玻璃加工
将样品切割成外形尺寸5×5×2mm3的立方体1，除面积为5×2mm2的两个面外，其余四个面均被抛光，材料抛光处理的吸收损耗为3.5dB/cm，抛光精度为光学精度。
步骤二：硫卤化合物玻璃清理
加工好的硫卤化合物玻璃使用纯度大于99％的酒精进行清理，保证抛光面光洁，注意不要将抛光面划伤，以免影响后续加工；
步骤三：硫卤化合物玻璃固定
使用抛光纸将样品放到载玻片8上，保证5×2mm2待加工面向上。将载玻片8放置到三维电动平移台7(NIKON)的载物台上(可先使用胶带将载玻片粘在载物台上)，打开电荷耦合器件6(CCD)(AVTMANTA)，将显微物镜(NIKON)旋转到20倍，同时设定CCD6视场为20倍。通过调节三维电动平移台7的高度找到待加工面，开始可粗调，找到表面后精调直至看到清晰的表面抛光线。
通过微调载玻片8使得表面和CCD6里的十字叉线的横线叉线平行，固定载玻片8。
步骤四：设定参数
通过旋转三维电动平移台7和钛宝石放大器3(COHERENT)之间的衰减片4可使所需加工的能量在0和1mJ之间连续变化；电动平移台7的移动速率设定为30μm/s，刻写深度设定为表面以下100μm刻写的波导类型为curveline，扫描距离设定为2000μm。加工时使用50倍，数值孔径0.5的显微物镜5(此时的CCD的视场选为only50×)。
步骤五：飞秒激光加工
显微物镜5将衰减后的激光聚焦到样品1表面之下100μm，通过驱动程序精确控制平移台7在垂直于激光聚焦的方向上(xy平面)沿x方向移动，每增加0.2μJ刻写一次波导2，相邻的两条波导之间的间隔为100nm，直到加工的能量增加到15.9μJ。记录每次刻写完成后的波导图像，以便观察对比。在本发明的实施例中，钛宝石放大器输出的最大脉冲能量为1mJ，脉冲宽度50fs，重复频率1KHz。
步骤六：通光测试将白光通过依次聚焦物镜10、样品1、显微物镜11、CCD12观察刻写波导2的横截面，具体实施方法如下：
如附图4所示，将样品固定在六维平移台上，保证通光面为波导的横截面，样品的两个通光面分别位于聚焦物镜10和显微物镜11的焦点处，CCD12位于显微物镜11后约10cm处。通过白光找到波导的横截面，再使用1039nm的激光9耦合到波导中，通过调节平移台和样品1的位置观察最佳的导光模式，如图3所示。试验中，观察到了不同的刻写能量下的波导的导光特性，最终确定了最佳的刻写能量为0.5μJ。当刻写的飞秒激光的单脉冲能量大于0.5μJ时，波导的导光特性开始变差，当刻写的单脉冲能量增到4.0μJ时观察到了明显的另外形式的波导。
步骤七：损耗测量
如附图4所示安装测试装置，使用CCD12找到有效波导后将功率计13(COHERENT)放于显微物镜11之后，测量每一条有效波导所对应的损耗。
步骤八：完成单线波导刻写最佳能量的测试。
Claims (9)
1.铥离子掺杂硫卤化合物玻璃单线波导刻写的最佳能量测定方法，其特征在于：以铥离子掺杂硫卤化合物玻璃作为基质材料，使用不同能量的飞秒激光在玻璃表面之下100μm处刻写横截面为椭圆形的单线波导，通过研究分析最佳的波导导光特性，确定最佳刻写能量；所述方法包括以下步骤：
(1)铥离子掺杂硫卤化合物玻璃加工：将铥离子掺杂硫卤化合物玻璃切割成5×5×2mm3的长方体，除面积为5×2mm2的两个面外，其余四个面抛光处理；
(2)铥离子掺杂硫卤化合物玻璃清理：使用纯度大于99％酒精将四个抛光面的灰尘清理干净；
(3)将铥离子掺杂硫卤化合物玻璃固定于三维电动平移台上；
(4)设定电动平移台的参数：
(4a)旋转电动平移台和钛宝石放大器之间的衰减片，控制刻写激光的能量；
(4b)设定电动平移台的参数，控制样品的移动方向和移动速率以及刻写波导的种类；
(4c)设定CCD的参数，调整视场的大小，以便最佳的实时监测；
(5)飞秒激光加工：
(5a)飞秒激光的聚焦方向和样品的移动方向垂直，激光光束聚焦到样品的内部；
(5b)在步骤(4a)设定的扫描能量和步骤(4b)设定的扫描速率下刻写单线波导；
(6)通光测试：
(6a)使用白光找到刻写波导的横截面；
(6b)使用聚焦物镜将1039nm的光聚焦到样品中刻写波导的横截面，使用10倍显微物镜将另一个端面出射的光聚集到CCD中，通过CCD观察近场模式分布来判断刻写的波导的导光特性，如果通过CCD观察到的经过波导后的模场分布是亮斑，则执行步骤(7)，否则执行步骤(4)；
(7)测量经过所刻写的波导损耗；
(8)完成单线波导刻写最佳能量的测试。
2.根据权利要求1所述的铥离子掺杂硫卤化合物玻璃单线波导刻写的最佳能量测定方法，其特征在于：所述步骤(1)中材料抛光处理的吸收损耗为3.5dB/cm，抛光面为光学精度。
3.根据权利要求1所述的铥离子掺杂硫卤化合物玻璃单线波导刻写的最佳能量测定方法，其特征在于：所述步骤(3)中三维电动平移台的步长为1nm。
4.根据权利要求1所述的铥离子掺杂硫卤化合物玻璃单线波导刻写的最佳能量测定方法，其特征在于：所述步骤(4a)中通过旋转衰减片使激光器输出的单脉冲能量在0和1mJ之间连续变化。
5.根据权利要求1所述的铥离子掺杂硫卤化合物玻璃单线波导刻写的最佳能量测定方法，其特征在于：所述步骤(4b)中平移台的移动速率设定为30μm/s；步骤(4b)中使用20倍显微物镜找到平面，50倍显微物镜进行加工；所述步骤(4c)中CCD的视场与步骤(4b)设定的参数对应。
6.根据权利要求1所述的铥离子掺杂硫卤化合物玻璃单线波导刻写的最佳能量测定方法，其特征在于：所述步骤(5a)中激光光束聚焦到样品表面以下100μm处。
7.根据权利要求1所述的铥离子掺杂硫卤化合物玻璃单线波导刻写的最佳能量测定方法，其特征在于：所述步骤(5b)中刻写能量最小为0，最大为15.9μJ。
8.根据权利要求1所述的铥离子掺杂硫卤化合物玻璃单线波导刻写的最佳能量测定方法，其特征在于：步骤(6b)中CCD的分辨率为300万像素。
9.根据权利要求1所述的铥离子掺杂硫卤化合物玻璃单线波导刻写的最佳能量测定方法，其特征在于：所述步骤(7)中测量激光经过波导线后的输出功率P'，再测量激光不经过样品直接进入功率计的功率P0，由公式η＝(10/l)×log(P0/P')计算所刻写的波导的传输损耗；所述功率计的分辨率为1nW,量程为30mW。
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