CN108941925A - 飞秒激光加工装置及其加工的1x8脊型光分路器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及飞秒激光加工装置及其加工的1x8脊型光分路器，利用飞秒激光加工装置加工光器件时，飞秒脉冲激光光束依次经过半波片、反射镜、显微物镜后聚焦到固定于六自由度工作平台上的基底材料，聚焦后的飞秒脉冲激光光束在六自由度工作平台的运动过程中将基底材料光刻成光器件，在光刻过程中利用吹气部和吸气部之间的气流进行除尘。本发明装置结构简单，利用本发明装置加工的光器件加工成本低、精度高、一致性好。

Description

飞秒激光加工装置及其加工的1x8脊型光分路器
技术领域
本发明属于激光加工领域，具体涉及飞秒激光加工装置及其加工的1x8脊型光分路器。
背景技术
随着激光器的诞生以及高锟等人提出的利用包层材料的石英玻璃光学纤维以降低损耗这一卓越贡献，光在通信中的应用便有了基础，而光纤就是最初的波导。作为无源光网络的基础性部件，光分路器用于光信号的功率耦合及再分配。它可以在光波长大小的介质中限制光波，并在无辐射的情况下长距离的传输。它具有波长不灵敏，体积小，可靠性高，光分束的均匀性好，工作波长范围宽等特点。目前光分路器的制作多采用化学刻蚀、离子刻蚀等方法，上述方法加工步骤繁琐，对加工环境要求较高，加工成本较高。
随着波导理论与制造业的发展，在现代微波工程中，为了满足微波传输系统性能，研究出特殊截面形状的脊型波导，脊型波导具有低主模截止频率、宽频带和低阻抗特性。
发明内容
本发明一方面的目的在于提供一种飞秒激光加工装置，包括：发出飞秒脉冲激光光束的飞秒激光器；接收并反射所述飞秒脉冲激光光束的反射镜；接收来自所述反射镜的飞秒脉冲激光光束、并对所述飞秒脉冲激光光束进行聚焦的显微物镜；六自由度工作平台，具有放置加工材料的加工区域，所述聚焦后的飞秒脉冲激光光束在六自由度工作平台的运动过程中将所述加工材料光刻成光器件；对所述加工区域进行吹气的吹气部；对所述吹气部吹送来的气体进行吸除的吸气部；监测正在所述加工区域上加工的光器件的形貌的CCD相机；以及计算机，所述计算机根据所要加工成的光器件的形状结构控制六自由度工作平台运动，并将CCD相机采集的图像与光器件设计形貌进行对比，实时调节所述激光器发出的激光光斑大小、激光器功率以及六自由度工作平台与显微物镜的距离，将表面形貌误差控制在一定的范围内。
在上述的飞秒激光加工装置，所述反射镜为45°反射镜。
本发明另一方面的目的在于提供一种1x8脊型光分路器，所述脊型光分路器为多模干涉结构，由上述技术方案所述的飞秒激光加工装置在材质为二氧化硅的基底材料上光刻而成，光分路器输出波导结构采用线性锥形脊波导。
在上述的1x8脊型光分路器，其特征在于，所述线性锥形结构的锥底宽设置为3.6μm，锥顶宽设置为2.5μm。
在上述的1x8脊型光分路器，光分路器的宽度WMMI＝64μm，长度LMMI＝502.38μm，输入波导和输出波导的宽度WIN＝WOUT＝2μm。
本发明一方面的有益效果：由于采用多自由度工作台来实现多自由度运动，因此可以加工任意形貌的波导，使飞秒激光加工装置有更好的适应性；通过吹气和吸气实现气体在加工处的对流，可以最大限度的吸走微尘，改善加工环境，提高加工质量；CCD相机在加工过程中实时监测基底材料的表面形貌，并将表面形貌实时反馈给计算机，计算机将接收到的表面形貌与设计形貌进行对比，实时调节所述激光器发出的激光光斑大小、激光器功率以及三维工作平台与显微物镜的垂直距离，将表面形貌误差控制在一定的范围内，进而提高了加工精度。采用本发明的飞秒激光加工装置所得到的波导器件一致性好、性能稳定；本发明装置结构简单，利用超快激光直接刻蚀、加工方法步骤较少，对加工环境要求较低，有效降低了波导的制作成本。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施方式的飞秒激光加工装置结构示意图。
图2是根据本发明的一个实施方式的1x8脊型光分路器结构示意图。
图3是根据本发明的一个实施方式的1x8脊型光分路器的输出波导结构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对发明作进一步详细的说明。
如图1，一种飞秒激光加工装置，包括飞秒激光器10，半波片11，反射镜12，显微物镜13，吹气部14，六自由度工作平台15，基底材料16，吸气部17，CCD相机18，计算机19。
沿飞秒激光器10发出的飞秒脉冲激光光束路径依次设置半波片11、反射镜12、显微物镜13和六自由度工作平台15。飞秒激光器10、六自由度工作平台15和CCD相机18均连接到计算机19。
飞秒激光器10加工波长为800nm，重复频率为10kHZ，激光脉冲100fs，平均功率为300mW。
反射镜12为45°反射镜，接收飞秒脉冲激光光束，并将其反射至显微物镜13。
显微物镜13的放大倍数为20X，数值孔径(NA)为0.45，接收反射镜12的飞秒脉冲激光光束，并对其进行聚焦。
六自由度工作平台15上有加工基底材料16的加工区，其中基底材料16可为石英玻璃，大小可为10X20mm。六自由度工作平台15的运动受计算机19控制，聚焦后的飞秒脉冲激光光束在六自由度工作平台15的运动过程中将所述基底材料16光刻成光器件，光器件可以是光分路器等。
为了在光刻过程中大限度的吸走微尘，改善加工环境，提高加工质量，将吹气部14和吸气部17设置在加工区的两侧，吹气部14对所述加工区域进行吹气，吸气部17将所述吹气部吹送来的气体进行吸除。
CCD相机18在加工过程中实时监测基底材料16的表面形貌，并将表面形貌实时反馈给计算机19，计算机19将接收到的表面形貌与设计形貌进行对比，实时调节飞秒激光器10的功率、发出的激光光斑大小以及六自由度工作平台15与显微物镜13的垂直距离，将表面形貌误差控制在一定的范围内。
利用上述实施例的飞秒激光加工装置加工1x8脊型光分路器的方法如下：
1、飞秒激光器10发出激光依次经过半波片11、反射镜12、显微物镜13后聚焦到固定在六自由度工作平台15上的石英玻璃片上。
2、调整焦距，保证焦点始终聚焦在基底材料16表面以下10μm处。
3、将规划好的刻蚀路径输入到计算机10中，计算机10将数据进行处理，并控制六自由度工作平台15带动基底材料16的运动，进而刻蚀出相应的图案。
4、在激光刻蚀加工的同时，打开布置于吹气部14和吸气部17，刻蚀产生的粉尘全部吸入吸气部17中。
通过上述实施例的飞秒激光加工装置和加工方法在基底材料上光刻1x8脊型光分路器，参见图2。为了减少加工成本，基底材料16可以为二氧化硅。由于光分路器为多模干涉结构(MMI)，具有低主模截止频率、宽频带和低阻抗特性。为了降低输出光功率的损失，光分路器输出波导结构采用线性锥形脊波导，参见图3。
其中1x8脊型光分路器的尺寸结构如下：光分路器的宽度WMMI＝64μm，长度LMMI＝502.38μm，输入波导和输出波导的宽度WIN＝WOUT＝2μm。8条输出波导间距分别为X1,8＝±28.22μm(端口1与端口8的间距)，X2,7＝±20.06μm(端口2与端口7的间距)，X3,6＝±12.05μm(端口3与端口6的间距)，X4,5＝±3.81μm(端口4与端口5的间距)。线性锥形结构的锥底宽设置为3.6μm，锥顶宽设置为2.5μm。

Claims (5)

1.一种飞秒激光加工装置，其特征在于，包括：
发出飞秒脉冲激光光束的飞秒激光器(10)；
接收并反射所述飞秒脉冲激光光束的反射镜(12)；
接收来自所述反射镜(12)的飞秒脉冲激光光束、并对所述飞秒脉冲激光光束进行聚焦的显微物镜(13)；
六自由度工作平台(15)，具有放置基底材料(16)的加工区，所述聚焦后的飞秒脉冲激光光束在六自由度工作平台(15)的运动过程中将基底材料(16)光刻成光器件；
对所述加工区域进行吹气的吹气部(14)；
对所述吹气部(14)吹送来的气体进行吸除的吸气部(17)；
监测所述基底材料(16)形貌的CCD相机(18)；以及
计算机(19)，所述计算机(19)根据所要加工成的光器件的形状结构控制所述六自由度工作平台(15)运动，并将CCD相机(18)采集的图像与光器件设计形貌进行对比，实时调节飞秒激光器(10)的功率、发出的激光光斑大小以及所述六自由度工作平台(15)与所述显微物镜(13)的距离，将表面形貌误差控制在一定的范围内。
2.根据权利要求1所述的飞秒激光加工装置，其特征在于，所述反射镜(12)为45°反射镜。
3.一种1x8脊型光分路器，所述脊型光分路器为多模干涉结构，其特征在于，由权利要求1～2任一项所述的飞秒激光加工装置在材质为二氧化硅的基底材料上光刻而成，光分路器输出波导结构采用线性锥形脊波导。
4.根据权利要求3所述的1x8脊型光分路器，其特征在于，所述线性锥形结构的锥底宽设置为3.6μm，锥顶宽设置为2.5μm。
5.根据权利要求3所述的1x8脊型光分路器，其特征在于，光分路器的宽度WMMI＝64μm，长度LMMI＝502.38μm，输入波导和输出波导的宽度WIN＝WOUT＝2μm。
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