CN104777534B - 一种飞秒激光刻蚀波导光栅的制备装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种飞秒激光刻蚀波导光栅的制备装置及方法，该装置由飞秒激光器、光偏振器、分光镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、显微物镜、铌酸锂晶体、精密旋转平台、三维电动平移台、光功率计和计算机依次连接而成。本发明解决如何控制激光条件，并能达到使用一个飞秒激光光源、仅一套加工设备来同时实现光波导以及光栅的制备。

Description

一种飞秒激光刻蚀波导光栅的制备装置及方法
技术领域
本发明属于激光微加工技术领域，涉及一种飞秒激光刻蚀波导光栅的制备装置及方法。
背景技术
长周期波导光栅具有长周期光栅结构(周期为几十到几百微米的光栅)，根据模式耦合理论，LPWG可以把从光波导传输的导模能量耦合至铌酸锂基底中，从而造成与波长相关的传输损耗，表现出很好的带阻滤波特性。其工作原理是，在LPWG的输入波导中输入一定波长范围的光，由于与波导相互垂直的长周期光栅的作用，只有满足相位匹配条件的谐振波长的光才能通过导模与铌酸锂基底中的模式发生耦合，该波长的光能量从输入波导中转移到铌酸锂基底中，由于输出波导与输入波导为同一波导，铌酸锂基底模式必然能与输出波导中的导模耦合，从而该波长的光能量从铌酸锂基底耦合入输出波导中，并建立起相应模式的光传输。因此，LPWG波导耦合结构提供了带有波长选择性的耦合机制，通过该耦合结构就能将满足相位匹配条件(谐振波长)的光从输入的宽谱光中滤出，于是具有滤波功能。因此，LPWG已经应用在一系列宽谱带设备中，如带阻滤波器、带通滤波器、可变衰减器和差分多路复用器等。已有研究指出可以利用聚合物的热光效应制作大范围可调谐的LPWG设备，但为了得到更快的调谐速度，必须利用响应速度更快的效应驱动LPWG，例如电光效应。所以，研究在电光材料上制造LPWG的技术就很有实际意义。而目前在制备长周期波导光栅器件时，多采用离子交换技术，加工复杂、过程耗时，且难以保证LPWG波导的高度平行。而目前得到迅速发展的飞秒激光微加工技术，具有加工精度高、速度快、可实现三维加工等特性，在制作光波导结构、光栅结构等方面的应用已有大量的报道。飞秒加工技术同样能够解决在 LPWG制造中的一些关键技术问题，因此，采用飞秒激光直写这一种简单、高效的制备方法对其发展具有深远意义。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术存在的缺陷，提供一种飞秒激光刻蚀波导光栅的制备装置及方法，该方法解决如何控制激光条件，并能达到使用一个飞秒激光光源、仅一套加工设备来同时实现光波导以及光栅的制备。
其具体技术方案为：
一种飞秒激光刻蚀波导光栅的制备装置，由飞秒激光器1、光偏振器2、分光镜3、第一反射镜4、第二反射镜5、第三反射镜6、显微物镜7、铌酸锂晶体8、精密旋转平台9、三维电动平移台10、光功率计11和计算机12依次连接而成。
一种飞秒激光刻蚀波导光栅的制备方法，包括以下步骤：由飞秒激光器1输出的激光通过光偏振器2和分光镜3，经反射镜组第一反射镜4、第二反射镜5、第三反射镜6，再经显微物镜7聚焦到铌酸锂晶体8内部，通过输入到计算机12内的程序控制三维平移台10移动来改变焦点在铌酸锂晶体8内的位置，并通过旋转精密平台9来改变刻写的方向使光栅与光波导相互垂直，实现光波导以及光栅的刻写；计算机12对三维平移台10的速度、位置、加速度进行控制，以实现高精度的飞秒激光制备长周期波导光栅加工；分光镜3分出部分激光到光功率计11，实现实时监控激光功率，并使得能够及时调整激光系统以达到刻写所需条件。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明在激光光源的前端，加入偏振器及分光镜控制光源能量大小及其偏振性；利用反射镜组将激光引导为与样品加工面的法线方向，在反射镜与三维电动平移台之间设置有显微物镜；激光聚焦采用长焦显微物镜，可实现晶体内部刻写以及改变激光刻写深度；铌酸锂晶体按加工方向置于三维电动平移台上，三维电动平 移台刻写深度、方向及速度由与之相连接的计算机通过程序控制，进一步简化了整套装置。
附图说明
图1为本发明飞秒激光刻蚀波导光栅的制备装置的结构图；
图2为实施例1中，利用本发明技术制备长周期波导光栅可得到一种的样品结构示意图；
图3为实施例2中，利用本发明技术制备长周期波导光栅可得到一种的样品结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
实施例1
在图1中，本实施例的飞秒激光制备长周期波导光栅加工装置由飞秒激光器1、光偏振器2、分光镜3、第一反射镜4、第二反射镜5、第三反射镜6、显微物镜7、铌酸锂晶体8、精密旋转平台9、三维电动平移台10、光功率计11和计算机12依次连接而成。
由飞秒激光器1产生重复频率76MHz、脉冲宽度为50飞秒激光，经显微物镜7后激光聚焦在晶体内部深度为400μm，三维电动平移台10以5mm/s左右的速度载着固定在其上的铌酸锂晶体8运动，完成第一光波导15的刻写。之后改变激光平均功率为350毫瓦，扫描速度为0.1mm/s，在第一光波导15之上刻写垂直于上述光波导的第一光栅14结构。
长周期波导光栅结构示意图如图2所示，图2中第一光波导15以及与之相互垂直的第一光栅14，采用的基底为第一铌酸锂晶体13。
实施例2
在图1中，本实施例的飞秒激光制备长周期波导光栅加工装置由飞秒激光器1、光偏振器2、分光镜3、第一反射镜4、第二反射镜5、第三反射镜6、显微物镜7、铌酸锂晶体8、精密旋转平台9、三维电动平移台10、光功率计11和计算机12依次连接而成。
飞秒激光器输出激光为重复频率为76MHz、脉冲宽度为50飞秒激光，经显微物镜7后 激光聚焦在铌酸锂晶体内部深度为400μm，三维电动平移台10以5mm/s左右的速度载着固定在其上的铌酸锂晶体8运动，完成第二光波导18的刻写，其中两路波导处于同一水平面且严格平行。之后改变激光平均功率为350毫瓦，扫描速度为0.1mm/s，在第二光波导18之上刻写垂直于上述光波导的第二光栅17结构。
两路平行长周期波导光栅样品结构示意图如图3所示，图3中第二光波导18以及与之相互垂直的第二光栅17采用的基底为第二铌酸锂晶体16。
本发明工作过程如下：
由飞秒激光器1输出的激光通过光偏振器2和分光镜3，经反射镜组第一反射镜4、第二反射镜5、第三反射镜6，再经显微物镜7聚焦到铌酸锂晶体8内部，通过输入到计算机12内的程序控制三维平移台10移动来改变焦点在铌酸锂晶体8内的位置，并通过旋转精密平台9来改变刻写的方向使光栅与光波导相互垂直，实现光波导以及光栅的刻写；计算机12对三维平移台10的速度、位置、加速度进行控制，以实现高精度的飞秒激光制备长周期波导光栅加工；分光镜3分出部分激光到光功率计11，实现实时监控激光功率，并使得能够及时调整激光系统以达到刻写所需条件。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种飞秒激光刻蚀波导光栅的制备装置，其特征在于，由飞秒激光器(1)、光偏振器(2)、分光镜(3)、第一反射镜(4)、第二反射镜(5)、第三反射镜(6)、显微物镜(7)、铌酸锂晶体(8)、精密旋转平台(9)、三维电动平移台(10)、光功率计(11)和计算机(12)依次连接而成；计算机(12)通过程序控制三维电动平移台(10)，从而控制刻写深度、方向及速度；显微物镜(7)采用长焦显微物镜。
2.一种飞秒激光刻蚀波导光栅的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：由飞秒激光器(1)输出的激光通过光偏振器(2)和分光镜(3)，经反射镜组第一反射镜(4)、第二反射镜(5)、第三反射镜(6)，再经显微物镜(7)聚焦到铌酸锂晶体(8)内部，通过输入到计算机(12)内的程序控制三维平移台(10)移动来改变焦点在铌酸锂晶体(8)内的位置，并通过旋转精密平台(9)来改变刻写的方向使光栅与光波导相互垂直，实现光波导以及光栅的刻写；计算机(12)对三维平移台(10)的速度、位置、加速度进行控制，以实现高精度的飞秒激光制备长周期波导光栅加工；分光镜(3)分出部分激光到光功率计(11)，实现实时监控激光功率，并使得能够及时调整激光系统以达到刻写所需条件；激光聚焦采用长焦显微物镜，可实现晶体内部刻写以及改变激光刻写深度。
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