CN105499806A - 透明材料中环状波导的飞秒激光直写装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种透明材料中环状波导飞秒激光直写的方法。本方法的核心是利用空间光调制器等对飞秒激光脉冲进行空间相位整形和滤波，操控飞秒激光聚焦光斑光强为较为均匀的狭长分布。具有这种特性的飞秒激光脉冲与某些晶体、高分子聚合物、玻璃等透明介质相互作用，能够诱导介质内部激光焦点的狭长作用区域折射率变小。利用这种飞秒激光脉冲在透明材料内部直写，可以方便高效的得到折射率相对较小的层状结构。将相似的四个这种层状结构作为包层围成一条横截面为正方形的透明材料通道，即可得到在该透明材料内部的环状光波导。利用此方法诱导形成的波导结构能够方便控制模场尺寸，并且具备高加工效率、低损耗的特点。该方法对微纳光学中三维光器件集成化和芯片化有着重要的意义。

Description

透明材料中环状波导的飞秒激光直写装置和方法
技术领域
本发明涉及飞秒激光微纳加工,特别是透明材料中环状波导的飞秒激光直写装置和方法。
背景技术
飞秒激光以其加工精度高、热效应小、损伤阈值低和可以对透明材料实现三维微加工等优点在当代微制造领域中独树一帜，它为我们提供了一种全新的制备大规模、复杂三维微结构的方法。飞秒激光能通过非线性过程对玻璃进行局域改性，从而具有高分辨的三维加工能力。利用飞秒激光能够在多种透明物质结构中诱导出折射率变化，可在样品内部制备光波导、分束器、耦合器、多模干涉仪等各种光子器件。利用这种方法制备的光子器件具有加工过程简单、高度集成、测试方便、性能优良等特点，在集成光学、信息光学、量子光学等领域有着重要的应用。当前利用飞秒激光微加工形成光波导主要有两种途径：1、飞秒激光诱导与透明介质作用区域折射率上升，利用作用区域作为纤芯，未作用区域作为包层形成光波导(参见文献：K.Davis,K.Miura,N.Sugimotoetal.,Opt.Lett.,1996,21(21):1729-1731)；2、飞秒激光与透明介质相互作用诱导局域折射率减小组成光波导的包层，从而实现透明材料内部的环状光波导。其中，后者由于具备制造大模场尺寸光波导的潜力从而广受关注。但是，传统飞秒激光直写获得这种光波导包层需要经过次数繁多的扫描，并且最终形成的包层较厚，使得光波导耦合效率很难提高。这些缺点局限了基于这种技术诱导产生的光波导构建微纳光学器件(如分束器、干涉仪等)的可能性。此外，也有人利用空间光调制器对飞秒激光脉冲进行整形，使其在透明介质内部聚焦形成环状焦斑，通过纵向直写直接形成圆环状的光波导(参见文献：XuewenLong,JingBai,WeiZhaoetal.,Opt.Lett.,2012,37(15):3138-3140)。然而，这种技术需要借助高数值孔径的物镜来得到理想的模场尺寸和较薄的包层，导致加工得到的光波导长度十分有限。
发明内容
本发明目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种透明材料中环状波导的飞秒激光直写装置和方法，操作简单、有效，利用这种方法加工产生的波导具有模场面积可控、损耗低的特点，在构建微纳光学器件、实现光器件芯片化等领域有重要的应用价值。
本发明的技术解决方案如下：
一种透明材料中环状波导的飞秒激光直写装置，其特点在于，包括飞秒激光器、衰减片、光闸、空间光调制器、第一反射镜、第一凸透镜、狭缝、第二反射镜、第二凸透镜、分色镜、显微物镜、透明材料、三维平移台、电脑、冷光源、第三反射镜和CCD；
沿所述飞秒激光器发出的激光脉冲方向依次放置所述的衰减片、光闸和空间光调制器，经空间光调制器反射的激光脉冲依次经所述的第一反射镜、第一凸透镜、第二反射镜、第二凸透镜和分色镜，经所述分色镜反射后经显微物镜聚焦于固定在三维平移台上的透明材料的内部，三维平移台与电脑相连，所述狭缝放置在所述第一凸透镜的焦平面处，即空间光调制器反射光斑的傅里叶成像面上，所述冷光源发出的光经第三反射镜照射到透明材料底部，经透明材料透射后经所述的显微物镜聚焦后，入射到所述的分色镜，经该分色镜透射后，由CCD接收，该CCD的输出端与电脑相连。
利用上述透明材料中环状波导的飞秒激光直写装置进行飞秒激光直写方法，包含下列步骤：
①设计第一相位调制掩膜，并写入空间光调制器；
②将透明材料固定在三维平移台之上，并调整三维平移台，使飞秒激光脉冲聚焦于透明材料内部；
③以激光传输相反方向为z方向，透明材料的宽边和长边分别为x方向和y方向，经过整形、滤波的飞秒激光脉冲通过显微物镜聚焦于透明材料，诱导在激光焦斑区域形成一条沿x方向宽度为D的折射率变小的狭长区域，以此为起始位置，通过电脑驱动三维平移台沿-y方向平动距离L，在透明材料内部形成一个长为L，宽为D的平面薄层，该层平面薄层的折射率小于透明材料的折射率，作为波导包层下壁；
④设计第二相位调制掩膜，并写入空间光调制器；
⑤调节衰减片改变激光入射功率，驱动三维平移台改变透明材料位置，使飞秒激光脉冲经过整形滤波后在透明材料内部聚焦在起始位置平面内形成沿z方向的狭长焦斑分布,其宽度为D，该焦斑区域与步骤③中激光在起始位置xy平面内形成的狭长区域垂直且与其左端相交，通过电脑驱动三维平移台沿-y方向平动距离L，形成波导包层左侧壁；
⑥驱动三维平移台改变透明材料位置，使飞秒激光脉冲经过整形滤波后在透明材料内部聚焦在起始位置平面内形成沿z方向的狭长焦斑分布,其宽度为D，该焦斑区域与步骤③中激光在起始位置xy平面内形成的狭长区域垂直且与其右端相交，驱动三维平移台沿-y方向平动L，加工形成波导包层右侧壁；
⑦驱动三维平移台回到起始位置，空间光调制器写入第一相位调制掩膜，通过电脑驱动三维平移台向+z方向平动距离D，使飞秒激光脉冲经过整形滤波后在透明材料内部聚焦形成的狭长焦斑在起始位置平面内与步骤③的激光焦斑平行，驱动三维平移台沿-y方向平动距离L，加工形成波导包层上侧壁。
本发明的有益结果：
本发明将预设好的光栅相位写入空间光调制器来调制飞秒激光脉冲的空间相位，经过调制的飞秒激光脉冲在其傅里叶变换面上会出现衍射光强分布，利用狭缝空间滤波得到傅里叶变化面的一级衍射光斑。通过上述相位调制和空间滤波处理的飞秒激光脉冲经过物镜聚焦到特定的透明材料中，焦点处光强呈较均匀的狭长分布。由于飞秒激光与这些特定材料相互作用能够诱导局域折射率减小，从而可以利用经过调制、滤波的飞秒激光脉冲在材料内部诱导出狭长的折射率减小区域。通过移动三维平台带动透明材料移动，飞秒激光能够在材料内部直写形成折射率减小的层状结构。通过合理的空间整合与几何构建，能够将多个这种层状结构作为包层围起横截面为正方形的通道，从而实现透明材料内部的方形环状光波导。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明：
图1是本发明中空间光调制器的掩膜图像,a为中心光栅区竖直长度12000μm，水平长度120μm的掩膜图像，b为中心光栅区竖直长度800μm，水平长度16000μm的掩膜图像。
图2是本发明的光路图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1，图1是本发明空间光调制器的掩膜图像。a为中心光栅区竖直长度12000μm，水平长度120μm的掩膜图像。矩形内部的灰度值沿竖直方向周期变化，其周期为420μm，灰度值变化为0-210(对应调制度为0-2π)，光栅区之外的区域灰度值设置为0。b为中心光栅区竖直长度800μm，水平长度16000μm的掩膜图像。矩形内部的灰度值沿竖直方向周期变化，周期为100μm，灰度值变化为0-210，光栅区之外的区域灰度值设为0。预设掩膜通过改变空间光调制器的液晶面折射率来调制激光脉冲空间相位分布。入射飞秒激光脉冲经上述光栅掩模调制在傅里叶变换面上光强呈衍射分布，通过空间滤波可以得到一级衍射光斑。以激光传输相反的方向为z方向，透明材料的宽边和长边分别为x方向和y方向。利用图像a和图像b进行相位调制和空间滤波后得到的一级衍射激光聚焦在透明材料内部，光强分别沿x方向和z方向狭长分布，当光强超过一定阈值即可诱导出狭长型的折射率变小区域。
再请参阅图2，图2为飞秒激光在透明材料中直写环状光波导具体实施的光路图。
飞激光器1发出的飞秒激光脉冲中心波长为800nm，脉冲宽度约为40fs，重复频率为1KHz,衰减片2用于调节激光入射功率，光闸3用于控制光路闭合。空间光调制器4反射的飞秒激光脉冲经第一反射镜5反射后通过由第一凸透镜6、第二反射镜8和第二凸透镜9组成的4f成像系统并由双色镜10反射。第一凸透镜6和第二凸透镜9的焦距均为70cm。在第一凸透镜6的焦平面处，亦即空间光调制器4反射光斑的傅里叶成像面上放置狭缝7进行空间滤波得到衍射一级光斑。经过上述相位调制、空间滤波后的飞秒激光脉冲并通过NA为0.8的显微物镜11聚焦到ZBLAN玻璃材料12内部。ZBLAN玻璃材料12尺寸为10*7*3mm，放置在三维平移台13上，三维平移台13由电脑14控制。冷光源15发出的光照射到ZBLAN玻璃材料12底部，透射光线经所述的显微物镜11聚焦，透过所述的分色镜10后，由CCD17接收，该CCD17接收的图像输出至电脑14，以便实时观察到整个加工过程。
光路布置好后，控制衰减片2调节激光入射功率至60mW，将图1中的相位调制掩膜图像a输入空间光调制器4。调节三维平移台13的高度使光斑聚焦至ZBLAN玻璃材料12内部距上表面50μm处。随后，通过以下4步操作得到环状光波导的包层：
1、以激光传输相反方向为z方向，ZBLAN玻璃材料12的宽边和长边分别为x方向和y方向，设置当前平台位置为平台移动坐标原点。打开光闸3，利用电脑14控制三维平移台13沿-y方向移动，移动速度为20μm/s，移动距离为7mm，形成长度为7mm、宽度为9.7μm的折射率相对较小的包层。关闭光闸3，移动平台回到原点，加工形成的层状折射率变小的结构作为环状光波导包层的下壁。
2、将图1中的相位调制掩膜图像b载入空间光调制器4。驱动三维平移台13将位置回到原点，随后调节三维平移台13向-z方向移动4μm，向x方向移动6μm。打开光闸3，控制衰减片2将激光功率调节至20mW，控制三维平移台1313沿-y方向移动，移动速度和距离均保持不变，加工结束后关闭光闸3，移动平台回到原点，得到环状光波导包层的左侧壁。
3、驱动三维平移台13将位置回到原点，随后调节三维移动平台13向-z方向移动4μm，向-x方向移动6μm。打开光闸3，控制三维平移台13沿-y方向移动，移动速度和距离均保持不变，加工结束后关闭光闸，移动平台回到原点，得到环状光波导包层的右侧壁。
4、将图1中的相位调制掩膜图像a载入空间光调制器4。驱动三维平移台13将位置回到原点，随后调节三维移平台13向+z方向移动9.7μm。打开光闸3，控制衰减片2将激光功率调节至60mW，控制三维平移台13沿-y方向移动，移动速度和距离均保持不变，加工结束后关闭光闸3，移动平台回到原点，得到环状光波导包层的上壁。
经过上述四次扫描后飞秒激光脉冲与ZBLAN玻璃材料13相互作用区域构成光波导包层，包层围成的长方体玻璃材料构成光波导的纤芯。最终形成的环状光波导长度为7mm，模场尺寸约为9.7*9.7μm。
实验结果表明，本发明可以在特定透明材料中诱导形成模场尺寸一定范围内可调谐的低损耗环状光波导。实验中加工制作了9.7*9.7μm和20*20μm两种模场面积的光波导。其中，9.7*9.7μm模场的光波导损耗测量值为0.5dB/cm，将氦氖激光器发出的激光耦合至光波导的一端，可从另一端得到明亮、均匀的单模光斑。此外，利用上述技术加工出的光波导原则上可以实现任意长度，实验中加工一条长度为7mm的光波导耗时为18分钟，具有较高的加工效率。

Claims (2)

1.一种透明材料中环状波导的飞秒激光直写装置，其特征在于，包括飞秒激光器(1)、衰减片(2)、光闸(3)、空间光调制器(4)、第一反射镜(5)、第一凸透镜(6)、狭缝(7)、第二反射镜(8)、第二凸透镜(9)、分色镜(10)、显微物镜(11)、透明材料(12)、三维平移台(13)、电脑(14)、冷光源(15)、第三反射镜(16)和CCD(17)；
沿所述飞秒激光器(1)发出的激光脉冲方向依次放置所述的衰减片(2)、光闸(3)和空间光调制器(4)，经空间光调制器(4)反射的激光脉冲依次经所述的第一反射镜(5)、第一凸透镜(6)、第二反射镜(8)、第二凸透镜(9)和分色镜(10)，经所述分色镜(10)反射后经显微物镜(11)聚焦于固定在三维平移台(13)上的透明材料(12)的内部，三维平移台(13)与电脑(14)相连，所述狭缝(7)放置在所述第一凸透镜(6)的焦平面处，即空间光调制器(4)反射光斑的傅里叶成像面上，所述冷光源(15)发出的光经第三反射镜(16)照射到透明材料(12)底部，经透明材料(12)透射后经所述的显微物镜(11)聚焦后，入射到所述的分色镜(10)，经该分色镜(10)透射后，由CCD(17)接收，该CCD(17)的输出端与电脑(14)相连。
2.利用权利要求1所述的透明材料中环状波导的飞秒激光直写装置进行飞秒激光直写方法，其特征在于该方法包含下列步骤：
①设计第一相位调制掩膜，并写入空间光调制器(4)；
②将透明材料(12)固定在三维平移台(13)之上，并调整三维平移台(13)，使飞秒激光脉冲聚焦于透明材料(12)内部；
③以激光传输相反方向为z方向，透明材料(12)的宽边和长边分别为x方向和y方向，经过整形、滤波的飞秒激光脉冲通过显微物镜(11)聚焦于透明材料(12)，诱导在激光焦斑区域形成一条沿x方向宽度为D的折射率变小的狭长区域，以此为起始位置，通过电脑(17)驱动三维平移台(14)沿-y方向平动距离L，在透明材料(13)内部形成一个长为L，宽为D的平面薄层，该平面薄层的折射率小于透明材料(13)的折射率，作为波导包层下壁；
④设计第二相位调制掩膜，并写入空间光调制器(4)；
⑤调节衰减片(2)改变激光入射功率，驱动三维平移台(13)改变透明材料(12)位置，使飞秒激光脉冲经过整形滤波后在透明材料(12)内部聚焦在起始位置平面内形成沿z方向的狭长焦斑分布,其宽度为D，该焦斑区域与步骤③中激光在起始位置xy平面内形成的狭长区域垂直且与其左端相交，通过电脑(14)驱动三维平移台(13)沿-y方向平动距离L，形成波导包层左侧壁；
⑥驱动三维平移台(13)改变透明材料(12)位置，使飞秒激光脉冲经过整形滤波后在透明材料(12)内部聚焦在起始位置平面内形成沿z方向的狭长焦斑分布,其宽度为D，该焦斑区域与步骤③中激光在起始位置xy平面内形成的狭长区域垂直且与其右端相交，驱动三维平移台(14)沿-y方向平动L，加工形成波导包层右侧壁；
⑦驱动三维平移台(13)回到起始位置，空间光调制器(4)写入第一相位调制掩膜，通过电脑(14)驱动三维平移台(13)向+z方向平动距离D，使飞秒激光脉冲经过整形滤波后在透明材料(12)内部聚焦形成的狭长焦斑在起始位置平面内与步骤③的激光焦斑平行，驱动三维平移台(13)沿-y方向平动距离L，加工形成波导包层上侧壁。
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