CN104199144B - 利用飞秒激光器在铌酸锂波导上刻写光栅的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种利用飞秒激光器在铌酸锂波导上刻写光栅的装置及方法，所述装置包括飞秒激光器，准直系统，以及沿光路依次设置的衰减系统，快门，滤波系统，聚焦系统和位移平台系统。该方法是利用飞秒激光器输出功率密度超过铌酸锂波导损伤阈值，导致铌酸锂波导的非线性吸收增强，材料的结构得到改变，折射率形成周期性调制，从而达到刻写光栅的效果。本发明方法结构简单灵活，制作的光栅精密度高，光栅周期可根据需要相应调整，有利于推广应用。

Description

利用飞秒激光器在铌酸锂波导上刻写光栅的装置及方法

技术领域

本发明属于飞秒激光器和波导光栅领域，具体涉及利用飞秒激光器在铌酸锂波导上刻写光栅的方法。

背景技术

目前，常见光栅的刻写方法主要有掩膜板法，干涉仪法等，这些方法刻写的光栅周期固定，不灵活可调，而且光栅精度比较低。

近年来，随着飞秒激光微纳精密加工的发展，利用飞秒激光烧蚀、改性LiNbO₃晶体制作光电器件已经成为研究的热点。飞秒激光在对物质处理的过程具有热作用区域小、加工精度高等优点，因此已经成为材料加工的一种新型工具，人们已经将飞秒激光广泛的应用于制作光波导、光耦合器件、光存储等光电子领域。由于LiNbO₃波导的激光烧蚀阈值比较低，利用飞秒激光烧蚀其表面，使其表面折射率发生周期性改变，因此，可以利用飞秒激光在LiNbO₃晶体表面制作光栅周期很小的光栅，并通过选择合适的加工参数可以使烧蚀的光栅线宽均匀，边沿光滑，而且其具有加工速度快、成本低、易操作的优点，为光栅制作和拓展LiNbO₃波导在光电子领域的应用提供一种新的途径。

发明内容

本发明目的是提供一种利用飞秒激光器在铌酸锂波导上刻写光栅的方法，解决了常见刻写光栅方法中光栅周期固定，不灵活可调，精密度低的缺点。该方法是利用飞秒激光器输出功率密度超过铌酸锂波导损伤阈值，导致铌酸锂波导的非线性吸收增强，材料的结构得到改变，折射率形成周期性调制，从而达到刻写光栅的效果。该方法结构简单灵活，光栅周期可根据需要相应调整，有利于推广应用。

本发明的技术方案:

一种利用飞秒激光器在铌酸锂波导上刻写光栅的装置，包括飞秒激光器，准直系统，以及沿光路依次设置的衰减系统，快门，滤波系统，聚焦系统以及样品位移平台系统。飞秒激光器经过准直系统连接到衰减系统，经过衰减的光经由快门以及滤波系统得到改进的光束，将改进光束通过聚焦系统聚焦照射在位移平台系统上。

所述的准直系统包括两个反射镜，两个可调光阑。连接次序为反射镜-反射镜-可调光阑-可调光阑。

所述的衰减系统由格兰泰勒棱镜，二分之一波长片，以及一套中性密度滤波片组成，连接次序为二分之一波片-格兰泰勒棱镜-中性密度滤波片，这一套组合可以通过调节格兰泰勒棱镜的偏振态以及中性密度片的组合情况灵活的调节通过的光脉冲能量大小。

所述的滤波系统是由物镜，针孔及透镜组成。连接次序为物镜-针孔-透镜。通过这套滤波系统，可以改进光束的质量，提高光束的可聚焦性。

所述的位移平台系统由精密位移平台，六维架，样品台组成，叠放次序由上到下依次为样品台-六维架-精密位移平台。精密位移平台的定位精度小于1um，六维架搭载在精密位移平台上面，样品台安置在六维架上，将铌酸锂波导样品固定在样品台上，通过调节六维架可以灵活的将聚焦的光斑覆盖铌酸锂波导的表面。

本发明同时提供了利用上述装置在铌酸锂波导上刻写光栅的方法，步骤如下：

（1）根据上面所述装置搭建完整光路。

（2）打开飞秒激光器，通过调节两个反射镜，将光打入可调光阑，进行准直。

（3）调节衰减系统，通过调节格兰泰勒棱镜以及中性密度滤波片的组合将飞秒激光发射的脉冲能量调整到最低。

（4）调整滤波系统，通过物镜的聚焦，经过针孔，光束打在透镜上，以改进光束的质量，提高光束的可聚焦性。

（5）将铌酸锂波导固定在样品台上面，调整六维架，将聚焦的光斑打在铌酸锂波导表面，调节衰减系统，逐渐增大光脉冲能量。

（6）当刻写长周期光栅时，设置快门的开关时间以及精密位移平台的速度，快门与精密位移平台配合使用，以此控制长周期光栅周期。设定快门关闭时间是t，精密位移平台移动速度为v，长周期光栅周期为T，则有关系式T=v*t；当刻写布拉格光栅时，在波导表面放置相应的掩模板，以此控制布拉格光栅的周期。

上述所说的步骤（6）中，在刻写长周期光栅时，通过快门与位移平台的配合，可以得到不同周期结构的长周期光栅，包括均匀周期以及非均匀周期。当每次快门关闭的时间t相同，精密位移平台以速度v匀速移动时，所写铌酸锂波导光栅周期T为常数，该光栅为均匀周期的长周期光栅。当每次快门关闭的时间不同，分别为t₁，t₂，t₃，t₄…t_n，n取正整数，精密位移平台以速度v匀速移动时，所写铌酸锂波导光栅周期T不是常数，该光栅为非均匀周期的长周期光栅，周期分别为T₁，T₂，T₃，T₄…T_n。

上述所说的步骤（6）中，当刻写布拉格光栅时，设定掩膜板周期为T₀，当每次快门关闭的时间t相同，精密位移平台速度为v，所写铌酸锂波导光栅周期T=v*t，其中T=n T₀，该光栅为均匀取样周期的取样布拉格光栅；当每次快门关闭的时间不同，分别为t₁，t₂，t₃，t₄…t_n，n为正整数，精密位移平台速度为v，所写铌酸锂波导光栅周期不是常数，周期分别为T₁，T₂，T₃，T₄…T_n，其中T_n=mT₀，m为不同正整数且小于 ，该光栅为非均匀取样周期的取样布拉格光栅。

上述所说的工作方法所刻写的长周期光栅周期由快门的关闭时间和精密位移平台的移动速度决定，光栅的长度由精密位移平台的移动范围限制，利用相同的系统可获得不同周期及不同长度的长周期光栅。所刻写的布拉格光栅周期由掩模板的周期决定。

本发明的原理：

当飞秒激光在照射铌酸锂波导时，如果功率较低时，则铌酸锂波导具有很大的透射率，如果功率超过铌酸锂波导的损伤阈值，则铌酸锂波导对激光能量的非线性吸收较强。所以我们设定飞秒激光器的输出功率为P，重复频率为f Hz，则飞秒激光器输出的单脉冲能量为P/f，铌酸锂波导的损伤阈值为W，则满足P/f>W时，飞秒激光器能够在铌酸锂波导上刻写光栅。

本发明的优点和积极效果：

本发明结构灵活可变，制作的光栅精密度高，光栅周期根据需要通过调整光路就能够实现，并且该结构制备成本相对低廉，有着广阔的应用前景。

附图说明

图1是飞秒激光器在铌酸锂波导上刻写光栅的结构图。

图中：1.飞秒激光器，2.准直系统，3.衰减系统，4.快门，5.滤波系统，6.聚焦系统，7.位移平台系统。

图2是均匀周期铌酸锂波导长周期光栅结构示意图。

图3是非均匀周期铌酸锂波导长周期光栅结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例1：

一种利用飞秒激光器在铌酸锂波导上刻写光栅的装置，结构图如图1所示，该装置包括飞秒激光器1，准直系统2，以及沿光路依次设置的衰减系统3，快门4，滤波系统5，聚焦系统6和位移平台系统7。

所述的准直系统包括两个反射镜，两个可调光阑，连接次序为反射镜-反射镜-可调光阑-可调光阑；

所述的衰减系统包括格兰泰勒棱镜，二分之一波长片，一套中性密度滤波片，连接次序为二分之一波长片-格兰泰勒棱镜-中性密度滤波片；

所述的滤波系统包括物镜，针孔以及一个透镜组成，连接次序为物镜-针孔-透镜；

所述的位移平台系统由精密位移平台，六维架，样品台组成，叠放次序由上到下依次为样品台-六维架-精密位移平台。

在铌酸锂波导上刻写光栅的方法步骤：

首先，根据上面所述装置搭建完整光路，打开飞秒激光器，飞秒激光器作为光源部分输出一定功率的光脉冲，经过准直系统后通过衰减系统的衰减，由快门控制脉冲的通过数量，然后通过滤波系统滤波的光束经由聚焦系统聚焦以后照射在装有铌酸锂波导的位移平台上面。

铌酸锂波导样品为X切，大小为13.5mm*9mm*0.5mm，波导的宽度为8um；飞秒激光器的波长为780nm，重复频率80MHZ，输出功率为1.91W，脉冲宽度80fs；滤波系统采用了20倍的物镜，3um的针孔，以及f50、φ30的双胶合消色差透镜配合使用。我们用40倍的物镜进行聚焦；我们的位移平台系统中的精密位移平台定位精度为0.1um，最大速度1.5mm/s，行程50mm，六维架的灵敏度小于1um，我们可以通过精密位移平台还有六维架精确的调整样品的位置；设定快门开与关的时间均为1s，精密位移平台速度度为20um/s，当快门打开，精密位移台停止运动，当快门关闭，精密位移平台开始运动，可以得到刻写的光栅周期为20um，依次重复，得到均匀周期的长周期光栅，如图2所示。采用同样装置，我们在铌酸锂波导表面放置周期为360nm的掩膜板，快门保持打开，精密位移平台以速度360nm/s匀速运动，我们会得到周期为360nm的均匀周期布拉格光栅。当快门开的时间设定为1s，关闭的时间设为2s，精密位移平台速度为360nm/s，当快门打开，精密位移台停止运动，当快门关闭，精密位移平台开始运动，得到取样周期为720nm的均匀取样布拉格光栅。

实施例2:

一种利用飞秒激光器在铌酸锂波导刻写光栅的装置，结构如图1所示，同实施例1。

在铌酸锂波导上刻写光栅的方法步骤：

飞秒激光器作为光源部分输出一定功率的光脉冲，经过衰减系统的衰减，由快门控制脉冲的通过数量，然后通过滤波系统滤波的光束经由聚焦系统聚焦以后照射在装有铌酸锂波导的位移平台上面。采用的铌酸锂波导样品为X切，大小为13.5mm*9mm*0.5mm，波导的宽度为8um；飞秒激光器的波长为780nm，重复频率80MHZ，输出功率为1.91W，脉冲宽度80fs；滤波系统我们采用了20倍的物镜，3um的针孔，以及f50、φ30的双胶合消色差透镜配合使用。我们用40倍的物镜进行聚焦；我们的位移平台系统中的精密位移平台定位精度为0.1um，最大速度1.5mm/s，行程50mm，六维架的灵敏度小于1um，我们可以通过精密位移平台还有六维架精确的调整样品的位置；我们设定快门开的时间为1s，关闭的时间t依次为0.5s，1s，1.5s，2s，精密位移平台速度v为20um/s，当快门打开，精密位移台停止运动，当快门关闭，精密位移平台开始运动，可以根据T=v*t得到刻写的光栅周期T依次为10um，20um，30um，40um，通过此方法刻写的光栅为非均匀周期的长周期光栅，如图3所示。采用同样装置，我们在铌酸锂波导表面放置周期为360nm的掩膜板，精密位移平台速度为360nm/s，快门开的时间均为1s，关闭的时间分别为1s、2s，当快门打开，精密位移台停止运动，当快门关闭，精密位移平台开始运动，得到周期为360nm、720nm的非均匀取样布拉格光栅。

实施例3

一种利用飞秒激光器在铌酸锂波导刻写光栅的装置，结构如图3所示，同实施例1。

在铌酸锂波导上刻写光栅的方法步骤：

飞秒激光器作为光源部分输出一定功率的光脉冲，经过衰减系统的衰减，由快门控制脉冲的通过数量，然后通过滤波系统滤波的光束经由聚焦系统聚焦以后照射在装有铌酸锂波导的位移平台上面。采用的铌酸锂波导样品为X切，大小为13.5mm*9mm*0.5mm，波导的宽度为8um；飞秒激光器的波长为780nm，重复频率80MHZ，输出功率为1.91W，脉冲宽度80fs；滤波系统我们采用了20倍的物镜，3um的针孔，以及f50、φ30的双胶合消色差透镜配合使用。我们用40倍的物镜进行聚焦；我们的位移平台系统中的精密位移平台定位精度为0.1um，最大速度1.5mm/s，行程50mm，六维架的灵敏度小于1um，我们可以通过精密位移平台还有六维架精确的调整样品的位置；我们设定刻写的长周期光栅周期T为500um，精密位移平台的速度为V um/s，快门的关闭时间为t，根据关系式T=V*t，我们设V=100um/s，t为5s，当快门打开，精密位移台停止运动，当快门关闭，精密位移平台开始运动，得到长周期光栅周期T=500um。

Claims (6)

1.一种利用飞秒激光器在铌酸锂波导上刻写光栅的装置，其特征在于该装置包括飞秒激光器，以及沿光路依次设置的准直系统，衰减系统，快门，滤波系统，聚焦系统和位移平台系统；

所述的准直系统包括两个反射镜，两个可调光阑，连接次序为反射镜-反射镜-可调光阑-可调光阑；

所述的衰减系统包括格兰泰勒棱镜，二分之一波长片，一套中性密度滤波片，连接次序为二分之一波长片-格兰泰勒棱镜-中性密度滤波片；

所述的滤波系统包括物镜，针孔以及一个透镜组成，连接次序为物镜-针孔-透镜；

所述的位移平台系统由精密位移平台，六维架，样品台组成，叠放次序由上到下依次为样品台-六维架-精密位移平台。

2.一种利用权利要求1所述装置在铌酸锂波导上刻写光栅的方法，其特征在于通过调节精密位移平台与快门的开关时间以及利用掩模板可以实现光栅周期的灵活调节，具体方法如下：

1)根据权利要求1所述装置搭建完整光路；

2)打开飞秒激光器，通过调节两个反射镜，将光打入可调光阑，进行准直；

3)调节衰减系统，通过调节格兰泰勒棱镜以及中性密度滤波片的组合将飞秒激光发射的脉冲能量调整到最低；

4)调整滤波系统，通过物镜的聚焦，经过针孔，光束打在透镜上，以改进光束的质量，提高光束的可聚焦性；

5)将铌酸锂波导固定在样品台上面，调整六维架，将聚焦的光斑打在铌酸锂波导表面，调节衰减系统，增大光脉冲能量；

6)当刻写长周期光栅时，设置快门的开关时间以及精密位移平台的速度，快门与精密位移平台配合使用，以此控制长周期光栅周期，设定快门关闭时间是t，精密位移平台移动速度为v，长周期光栅周期为T，则有关系式T＝v*t；当刻写布拉格光栅时，在波导表面放置相应的掩模板，以此控制布拉格光栅周期。

3.根据权利要求书2所述的方法，其特征在于在刻写长周期光栅时，当每次快门关闭的时间t相同，精密位移平台以速度v匀速移动时，所写铌酸锂波导光栅周期T为常数，该光栅为均匀周期的长周期光栅。

4.根据权利要求书2所述的方法，其特征在于在刻写长周期光栅时，当每次快门关闭的时间不同，分别为t₁，t₂，t₃，t₄…t_n，n取正整数，精密位移平台以速度v匀速移动时，所写铌酸锂波导光栅周期T不是常数，该光栅为非均匀周期的长周期光栅，周期分别为T₁，T₂，T₃，T₄…T_n。

5.根据权利要求书2所述的方法，其特征在于当刻写布拉格光栅时，通过快门与精密位移平台的配合，可以得到不同结构的布拉格光栅，包括均匀周期的布拉格光栅，均匀取样周期的取样光栅及非均匀取样周期的取样光栅；

在刻写光栅整个过程中保持快门开，精密位移平台匀速移动时，所写铌酸锂波导光栅周期为常数，该光栅为均匀周期的布拉格光栅；

当刻写布拉格光栅时，设定掩膜板周期为T₀，当每次快门关闭的时间t相同，精密位移平台速度为v，所写铌酸锂波导光栅周期T＝v*t，其中T＝n T₀，该光栅为均匀取样周期的取样布拉格光栅；当每次快门关闭的时间不同，分别为t₁，t₂，t₃，t₄…t_n，n取正整数，精密位移平台速为度v，所写铌酸锂波导光栅周期不是常数，周期分别为T₁，T₂，T₃，T₄…T_n，其中T_n＝mT₀，m为不同正整数且小于1μm/v，该光栅为非均匀取样周期的取样布拉格光栅。

6.根据权利要求书2所述的方法，其特征在于所刻写的长周期光栅周期由快门的关闭时间和位移平台的移动速度决定，光栅的长度由精密位移平台的移动范围限制，利用相同的系统可获得不同周期及不同长度的长周期光栅；所刻写的布拉格光栅周期由掩模板的周期决定。