CN112578498B - 一种飞秒激光焦点阵列直写圆形波导并实现稳定耦合的方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种飞秒激光焦点阵列直写圆形波导并实现稳定耦合的方法，属于激光加工技术领域，解决了飞秒激光在透明介质内直写时的散焦问题，与传统光束整形技术相比，实现了任意长度、方向圆形端面波导的制备。一束飞秒激光经过扩束系统后被空间光调制器SLM调制成特殊设计的多焦点阵列，通过细调二分之一波片HWP光轴来控制直写功率，从而制备出圆形端面波导。同时通过O‑XZ和0‑XY平面内多焦点阵列直写圆形波导定向耦合器的表征，证明了多焦点阵列直写波导耦合能力在竖直Z和水平Y方向保持一致，实现了不同耦合方向的稳定耦合，有利于推动三维耦合波导器件的制备与三维光子芯片的发展。
Description
技术领域
本发明属于激光加工技术领域，具体涉及利用空间光调制器(SLM)调制多焦点阵列进行稳定耦合的圆形端面玻璃波导的飞秒激光直写加工，通过设计焦点阵列中子焦点的间距和排列方式，利用最佳旋转角度(ORA)算法计算出相应全息图(CGH)并加载在空间光调制器SLM上，以实现稳定耦合的圆形端面波导的飞秒激光多焦点阵列直写加工。
技术背景
作为集成光子芯片中最基本和重要的元件，光波导是一个由低折射率包层覆盖的高折射率区域。相比于平面光刻、离子扩散、离子/中子注入等制作光波导的方法，飞秒激光直写加工技术具有高精度、可进行三维(3D)加工的特点，且几乎可以在任何透明介质中实现波导直写。截面对称是飞秒激光直写波导实用化的必要条件之一，但由于聚焦元件的球面像差、样品与空气之间的折射率差以及Kerr自聚焦效应，现有的飞秒激光直写技术在材料内直写的波导端面呈狭长的椭圆型，且材料改性阈值将随着聚焦深度变化而变化，这将导致波导在不同空间方向之间的耦合能力存在差异，极大地影响了3D耦合波导器件的制备以及实用化。不仅如此，上述散焦效应还将导致波导中心对称性差，增大与光纤的耦合损耗。目前，各国课题组主要采用纵向直写、加入柱透镜组或狭缝整形光束、多次扫描及空间光束调制等方法来改善波导横截面的对称性，但上述方法存在制备波导长度短、制备弯曲圆波导困难、需寻找最佳狭缝宽度及最佳透镜组焦距、需采用复杂像差补偿算法等问题，并使得波导加工变得更加复杂。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是：提供一种飞秒激光焦点阵列直写圆形波导并实现稳定耦合的方法。本发明采用空间光调制器，将多焦点阵列替代传统的单焦点来解决利用飞秒激光进行波导直写时的散焦问题。其主要原理是，设计焦点阵列中子焦点间距和排列方式，通过最佳旋转角度ORA算法计算出相应全息图CGH，并加载在空间光调制器上，以实现在物镜焦平面上形成对应焦点阵列。在材料内部将多个激光焦点的能量“凑足”原单焦点的对应的能量阈值，再通过控制三维精密运动平台使多焦点阵列在样品内进行精密运动，从而达到对材料改性的加工目的。同时，焦点处多个子焦点相互作用，不需要采用复杂的补偿算法生成不同深度对应全息图，即可在一定深度下获得圆形端面波导。由于圆形波导折射率改变更均匀，趋于各向同性，因此波导能在不同耦合方向上的耦合能力保持不变。如此，利用空间光调制器调制多焦点阵列，不仅解决了飞秒激光直写波导时的散焦问题，而且实现了波导在不同方向实现稳定耦合，可在待加工材料中制备圆形端面的三维埋入式波导。
本发明通过如下技术方案实现：
一种飞秒激光焦点阵列直写圆形波导并实现稳定耦合的方法，具体步骤如下：
(1)、样品台的调平；
具体步骤为：首先，使激光器出射的飞秒激光先后经过二分之一波片HWP和偏振分束器PBS后，中心入射第一凹透镜L1和第一凸透镜L2进行扩束，将光斑扩大4倍，均匀辐照于空间光调制器SLM上，然后经空间光调制器SLM反射后分别经过第二凸透镜L3和第三凸透镜L4，再依次经由反射镜M反射和物镜OL聚焦后入射至样品台上的玻璃样品表面；照明光源LED固定在反射镜M的镜架上，使照明光源LED发出的白光入射到物镜OL内，聚焦于玻璃样品表面从而照亮样品；照明光透过反射镜M后聚焦成像到CCD中，并将CCD与电脑PC相连，实时监控样品台的调平过程，并对样品台进行调平；
(2)、多焦点阵列的设计与直写全息图的生成、验证和加载；
具体步骤为：首先，设计多焦点阵列FA的子焦点分布和子焦点实际间距，根据焦点实际间距换算得到目标焦点阵列矩阵A1中子焦点间的像素间距，并得到相应的目标焦点阵列矩阵A1；然后，计算得到所需加载在空间光调制器SLM上的全息图CGH；最后，将验证后能生成应焦点阵列FA的相位图CGH加载在电脑PC中空间光调制器SLM的控制软件中；此时，物镜OL的聚焦O-XY平面即可产生多焦点阵列FA。
(3)、波导器件直写；
具体步骤为：首先，移动样品台，将飞秒激光聚焦于待加工衬底内部预设的加工位置；然后，根据所编写的程序，电脑PC将控制精密三维运动平台，使多焦点阵列FA相对待加工衬底进行运动，从而在样品内直写出直波导及波导器件。
进一步地，步骤(2)所述多焦点阵列FA中有四个子焦点，分别为S1、S2、S3、S4；其中，S1和S2，S3和S4分别相对于焦点阵列中心对称，子焦点S1和S2、S3和S4之间的实际间距Z12＝Z34＝1μm。
所述目标焦点阵列矩阵A1大小为1024×1024，S1、S2、S3、S4分别位于矩阵A1中的(512,514)、(512,510)、(510,512)、(514,512)。
所述全息图CGH的计算，为利用最佳旋转角度ORA算法，选取合适的迭代次数n，所述迭代次数n为30-50次，生成的全息图CGH为灰度图，像素大小为1024×1024，相位大小范围为[0,2π]。
本发明还提供了一种利用空间光调制器调制飞秒激光多焦点阵列直写稳定耦合的圆形端面波导的方法在制备波导定向耦合器方面的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)、通过空间光调制器SLM调制出焦点阵列代替传统单焦点进行波导与波导器件的直写，避免使用复杂的补偿算法，有效解决了飞秒激光在材料内加工时的散焦问题，同样能制备圆形端面的波导；
(2)、相比传统的纵向直写及狭缝、柱透镜整形技术，该方法可制备任意长度、方向的圆形波导；
(3)、利用多焦点阵列直写的圆形波导能在不同耦合方向上保持相同的耦合能力，实现不同耦合方向的稳定耦合，从而有利于3D耦合结构的制备，提升光子芯片的集成度。
附图说明
图1为本发明的一种飞秒激光焦点阵列直写圆形波导并实现稳定耦合的光路示意图；其中，HWP-二分之一波片，PBS-偏振分束器，L1-第一凹透镜，L2-第一凸透镜，SLM-空间光调制器，L3-第二凸透镜，L4-第三凸透镜，M-反射镜，OL-物镜，CCD-照相机，LED-照明光源，PC-电脑，FA-焦点阵列。
图2为本发明的一种飞秒激光焦点阵列直写稳定耦合的圆形端面波导的全息图生成与验证示意图；其中，(a)为利用最佳旋转角度ORA算法计算的加工所用全息图CGH；(b)为利用德拜积分模拟的O-XY焦平面归一化能量分布图；
图3为本发明的单焦点直写的普通波导与多焦点阵列直写的圆形波导端面与模场照片实验对比图；其中，(a1)和(a2)为普通波导端面的显微镜照片和模场照片；(b1)和(b2)为圆形波导端面的显微镜照片和模场照片；
图4为本发明的一种利用空间光调制器调制飞秒激光多焦点阵列直写的用于表征波导耦合能力的定向耦合器的结构示意图；
图5为本发明的不同耦合方向的波导耦合振荡实验曲线；其中，(a)为普通波导在水平Y耦合方向和竖直Z耦合方向的振荡曲线；(b)为圆形波导在水平Y耦合方向和竖直Z耦合方向的振荡曲线。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
实施例1
利用空间光调制器调制飞秒激光多焦点阵列直写实现波导圆形度提升。
利用一个子焦点紧密排列的多焦点阵列“凑”能量的方式同样能够提供材料改性所需能量，无需使用复杂的散焦补偿算法，通过在空间光调制器上加载精细设计的多焦点阵列的全息图，从而将单焦点转换成多焦点阵列，解决了单束飞秒激光在进行波导直写加工时的散焦问题，且较传统纵向直写，狭缝、柱透镜等整形方法其能制备任意长度和方向的圆形波导，极大地降低了圆形波导的制备难度。
利用空间光调制器调制飞秒激光多焦点阵列直写圆形端面波导，并且将其端面和模场与同深度下单焦点直写普通波导进行比较，具体步骤如下：
(1)、样品台的调平：所用飞秒激光波长为1030nm，脉冲宽度为239fs，重频为1MHz；所述第一凹透镜L1的焦距为-8cm，第二凸透镜L2的焦距为32cm，第三凸透镜L3的焦距为75cm，第四凸透镜L4的焦距为60cm，从空间光调制器SLM液晶板到物镜OL入瞳孔处的距离是270cm，物镜OL入瞳处光斑尺寸与入射第三凸透镜L3的光斑尺寸之比为0.8，即光斑缩小了0.8倍；所用物镜OL的工作距离为0.51mm，NA＝0.75，放大倍数×40。首先，如图1所示，使激光器出射的飞秒激光经由第一凹透镜L1和第一凸透镜L2进行扩束，将光斑扩大4倍，并依次经由空间光调制器SLM、第二凸透镜L3和第三凸透镜L4，此时，空间光调制器上并未加载全息图CGH，仅起反射镜的作用；接着，激光借助反射镜M入射到物镜OL，转动激光器出口处的二分之一波片HWP的光轴，使反射镜M后、物镜OL入瞳前的激光能量为230mW；随后，物镜OL将激光聚焦后入射至样品台上的玻璃样品表面；然后，借助固定在反射镜M的镜架上的照明光源LED发出的照明光以及反射镜M上方的照相机CCD，得以在电脑PC上实时监控样品台的调平过程。以样品互相垂直的两条边为X轴与Y轴，通过电脑PC调节运动平台在(0，0)和(2.5cm，0)两点间移动，同时调整X方向调平旋钮，直至激光能扫出一条长度为2.5cm、宽度为4μm的均匀损伤线，此时X方向调平完毕；同理，利用激光在(0，0)和(0，2.5cm)两点间划线及Y方向调平旋钮对Y方向进行调平；此时，激光能在X、Y方向均可直写出宽度均匀损伤线，表明样品台已经相对聚焦激光光束垂直，样品台的调平已完成，固定样品台所在位置。
(2)、普通直波导的单焦点直写：首先，转动二分之一波片HWP的光轴，使物镜OL入瞳前激光功率为260mW；然后，在电脑PC上加载提前写好的直波导加工程序，沿X方向单焦点直写普通直波导；其中，所直写的直波导长度为25mm，深度为170μm。
(3)、多焦点阵列的设计与直写全息图的生成、验证和加载；
具体步骤为：首先，设计出多焦点阵列FA的子焦点分布和子焦点实际间距，根据焦点实际间距换算得到目标焦点阵列矩阵A1中子焦点间的像素间距，并得到相应的目标焦点阵列矩阵A1；然后，利用最佳旋转角度ORA算法，选取合适的迭代次数n，计算得到所需加载在空间光调制器SLM上的全息图CGH，如图2(a)所示；接着，将全息图CGH套入德拜积分中，所得模拟聚焦O-XY平面内的归一化能量分布如图2(b)所示，并判断其与设计的焦点阵列FA是否一致；最后，将验证后能生成应焦点阵列FA的相位图CGH加载在电脑PC中空间光调制器SLM的控制软件中；此时，物镜OL的聚焦O-XY平面即可产生焦点阵列FA。其中，所述焦点阵列FA中有四个子焦点，分别为S1、S2、S3、S4；S1和S2，S3和S4分别相对于焦点阵列中心对称，子焦点S1和S2、S3和S4之间间距Z12＝Z34＝1μm；所述目标焦点阵列矩阵A1大小为1024×1024，S1、S2、S3、S4分别位于矩阵A1中的(512,514)、(512,510)、(510,512)、(514,512)；所述迭代次数n为30次，生成的全息图CGH为bmp格式，像素大小为1024×1024，全息图CGH为灰度图，相位大小范围为[0,2π]
(4)、多焦点阵列直写圆形端面波导；
具体步骤为：首先，转动二分之一波片HWP的光轴使物镜OL入瞳前的激光功率为400mW；然后，在电脑PC上加载提前写好的直波导加工程序，沿X方向单焦点直写普通直波导；其中，所直写的直波导长度为25mm，深度为170μm。
加工结束后，对普通波导和多焦点阵列直写波导的端面进行抛光，并表征其端面和模式特性，结果如图3所示。由图3(a1)、(b1)可知，经过步骤(1)-(4)，我们利用空间光调制器调制飞秒激光多焦点阵列直写的方法，将波导的圆形度由84％提升至96％；由图3(a2)、(b2)可知，波导的模场尺寸差异由7％降低至1.9％；成功获得了端面和模式近圆的圆形端面波导。
实施例2
利用空间光调制器调制飞秒激光多焦点阵列直写圆形端面波导定向耦合器，并且将其水平和竖直方向的耦合能力差异与同深度下单焦点直写普通波导定向耦合器进行比较，具体步骤如下：
(1)、样品台的调平：同实施例1。
(2)、普通波导定向耦合器的单焦点直写：首先，转动二分之一波片HWP的光轴，使物镜OL入瞳前激光功率为260mW；然后，在电脑PC上加载提前写好的定向耦合器加工程序，分别在O-XZ平面和0-XY平面直写如图4所示的定向耦合器；其中，所直写的定向耦合器两输入臂之间间距D＝30μm，耦合间距d＝3μm，耦合长度L分别取0.5mm、0.6mm、0.9mm、1.1mm、1.3mm和1.4mm，耦合区与输入臂之间用半径R＝60mm的圆弧波导相连，耦合区的中心深度为170μm。
(3)、多焦点阵列的设计与直写全息图的生成、验证和加载：同实施例1。
(4)、多焦点阵列直写圆形端面波导定向耦合器：首先，转动二分之一波片HWP的光轴，使物镜OL入瞳前激光功率为400mW；然后，在电脑PC上加载提前写好的定向耦合器加工程序，分别在O-XZ平面和0-XY平面直写如图4所示的定向耦合器；其中，所直写的定向耦合器两输入臂之间间距D＝30μm，耦合间距d＝3μm，耦合长度L分别取0.5mm、0.6mm、0.9mm、1.1mm、1.3mm和1.4mm，耦合区与输入臂之间用半径R＝60mm的圆弧波导相连，耦合区的中心深度为170μm。
加工结束后，对普通波导定向耦合器和多焦点阵列直写圆形端面波导定向耦合器的端面进行抛光，通入竖直偏振V的测试光，测试竖直Z和水平Y方向的耦合振荡曲线，结果如图5所示。由图5(a)所示，普通波导定向耦合器NW在竖直Z和水平Y的振荡曲线相差较大，两个耦合方向的耦合系数差为0.33mm-1；由图5(b)所示，利用空间光调制器调制飞秒激光多焦点阵列直写的圆形端面波导定向耦合器CW在竖直Z方向和水平Y方向的振荡曲线几乎重合，两个耦合方向的耦合系数差为0.03mm-1，即多焦点阵列直写的圆形波导在竖直和水平方向能保持相同的耦合能力，实现不同耦合方向的稳定耦合，有利于3D耦合波导器件的制备，从而推动3D光量子芯片的发展。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (3)
1.一种飞秒激光焦点阵列直写圆形波导并实现稳定耦合的方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)、样品台的调平；
具体步骤为：首先，使激光器出射的飞秒激光先后经过二分之一波片HWP和偏振分束器PBS后，中心入射第一凹透镜L1和第一凸透镜L2进行扩束，将光斑扩大4倍，均匀辐照于空间光调制器SLM上，然后经空间光调制器SLM反射后分别经过第二凸透镜L3和第三凸透镜L4，再依次经由反射镜M反射和物镜OL聚焦后入射至样品台上的玻璃样品表面；照明光源LED固定在反射镜M的镜架上，使照明光源LED发出的白光入射到物镜OL内，聚焦于玻璃样品表面从而照亮样品；照明光透过反射镜M后聚焦成像到CCD中，并将CCD与电脑PC相连，实时监控样品台的调平过程，并对样品台进行调平；
其中，所用飞秒激光波长为1030nm，脉冲宽度为239fs，重频为1MHz；
(2)、多焦点阵列的设计与直写全息图的生成、验证和加载；
具体步骤为：首先，设计多焦点阵列FA的子焦点分布和子焦点实际间距，根据焦点实际间距换算得到目标焦点阵列矩阵A1中子焦点间的像素间距，并得到相应的目标焦点阵列矩阵A1；然后，计算得到所需加载在空间光调制器SLM上的全息图CGH；最后，将验证后能生成应焦点阵列FA的相位图CGH加载在电脑PC中空间光调制器SLM的控制软件中；此时，物镜OL的聚焦O-XY平面即可产生多焦点阵列FA；
步骤(2)所述多焦点阵列FA中有四个子焦点，分别为S1、S2、S3、S4；其中，S1和S2，S3和S4分别相对于焦点阵列中心对称，子焦点S1和S2、S3和S4之间的实际间距Z12＝Z34＝1μm；
(3)、波导器件直写；
具体步骤为：首先，移动样品台，将飞秒激光聚焦于待加工衬底内部预设的加工位置；然后，根据所编写的程序，电脑PC将控制精密三维运动平台，使多焦点阵列FA相对待加工衬底进行运动，从而在样品内直写出直波导及波导器件；
其中，所述波导器件的耦合区与输入臂之间采用圆弧波导相连。
2.如权利要求1所述的一种飞秒激光焦点阵列直写圆形波导并实现稳定耦合的方法，其特征在于，所述目标焦点阵列矩阵A1大小为1024×1024，S1、S2、S3、S4分别位于矩阵A1中的(512,514)、(512,510)、(510,512)、(514,512)。
3.如权利要求1所述的一种飞秒激光焦点阵列直写圆形波导并实现稳定耦合的方法，其特征在于，所述全息图CGH的计算，为利用最佳旋转角度ORA算法，选取合适的迭代次数n，所述迭代次数n为30-50次，生成的全息图CGH为灰度图，像素大小为1024×1024，相位大小范围为[0,2π]。
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