CN113917586A - 一种微型分光元件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型分光元件及其制备方法。包括起偏器、铌酸锂晶体和检偏器；铌酸锂晶体对称的两侧面分别设置有起偏器和检偏器，铌酸锂晶体在靠近检偏器的一侧加工为纳米光栅，且纳米光栅和铌酸锂晶体光轴平行；光源发出垂直于铌酸锂晶体光轴的光线，光线依次透过起偏器、铌酸锂晶体、检偏器后被探测器接收。本发明采用超快激光自组织加工，在铌酸锂晶体中平行于光轴方向制备纳米光栅结构，并利用单轴晶体的色偏振效应，配合小周期纳米光栅的分光能力，对色偏振效应进行增强，最终实现50×50μm内的微区分光。

Description

一种微型分光元件及其制备方法

技术领域

本发明涉及超快激光微纳精密加工技术领域的一种光学元件及其制备方法，特别涉及一种微型分光元件的设计方案和制备方法。

背景技术

分光元件是现代许多重要的光学仪器如光谱仪的核心部件之一，在光探测、光传感、光调控等诸多领域具有非常广泛的应用。分光元件不但影响着光学仪器的尺寸大小、工作环境，更关系到仪器的探测精度、灵敏度等核心参数，直接决定着光学仪器的性能。随着光学仪器向集成化、便携化、微型化发展，光学系统对于分光元件的要求也日益增高。然而，目前的分光元件主要以传统的光栅为主，这种光栅尺寸较大，且对于信号光的入射角度有特定的要求，难以实现微区分光，无法满足先进光学系统的复杂需求。光栅的尺寸和性能成为制约光谱仪整体尺寸进一步缩小的重要因素，限制着光学仪器向集成化、便携化、微型化的进一步推进。

超快激光自组织加工技术是一种利用峰值能量极高的光脉冲激发材料非线性电离，诱导材料局部区域发生周期性相变，通过微区修饰实现精密加工的制造技术。该技术主要通过强场激光与物质的相互作用，在焦点区域诱导建立高强度的空间干涉场，配合材料对超快激光的多光子吸收效应，可以在极短时间内一步实现突破光学衍射极限的纳米级周期性结构的超分辨光学快速制造。

发明内容

为了克服现有分光元件存在的普遍问题，本发明提出一种基于单轴晶体色偏振效应的微型分光元件及其制备方法，实现了在50×50μm范围内的微区分光，极大降低分光元件的尺寸，可以集成在感光芯片上，有力推动光谱仪微型化和集成化。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一、一种微型分光元件：

包括起偏器、铌酸锂晶体和检偏器；铌酸锂晶体对称的两侧面分别设置有起偏器和检偏器，铌酸锂晶体在靠近检偏器的一侧加工为纳米光栅，且纳米光栅和铌酸锂晶体光轴平行；

光源发出垂直于铌酸锂晶体光轴的光线，光线依次透过起偏器、铌酸锂晶体、检偏器后被探测器接收。

所述的起偏器和检偏器均平行于铌酸锂晶体光轴布置，并分别紧密贴合于铌酸锂晶体中平行于铌酸锂晶体光轴的对称两侧面。

所述的纳米光栅的栅面暴露在铌酸锂晶体紧贴有检偏器的表面，且和检偏器表面紧贴。

所述的纳米光栅由超快激光在铌酸锂晶体内部加工而成。

所述的起偏器和检偏器均为偏振片或偏振膜，消光比至少达到1000:1以上。

所述的起偏器和检偏器的偏振化方向既不相互垂直，也不相互平行，而是呈0-90°之间的角度。具体角度根据实际分光效果确定，选择分光色彩最显著的位置即可。

二、一种微型分光元件的制备方法，方法包括以下步骤：

步骤1：将铌酸锂晶体固定在位移平台上，激光入射方向与铌酸锂晶体光轴方向保持一致，将待加工参数导入到计算机中，由计算机控制位移平台带动铌酸锂晶体运动，控制超快激光器产生激光；

待加工参数包括运动参数和加工激光参数。

运动参数导入位移平台：设置加工速度50-1000μm/s，加工深度40-1000μm，根据需求和铌酸锂晶体3的大小设置扫描距离，一般不小于50μm。

加工激光参数导入到超快激光器：设置激光波长为1030nm，平均功率为100-500mW，脉冲宽度0.2-6ps，重复频率100-500kHz。

步骤2：启动超快激光器产生激光，激光通过光路系统中的反射镜进入物镜并沿着光轴的方向聚焦到铌酸锂晶体内部，启动位移平台，使铌酸锂晶体按照设定的路径和运动参数相对于激光做运动，诱导生成纳米光栅，诱导生成玻璃与晶体交替排列的自组织周期性结构；

通过光路系统中的快门来控制激光的通过与阻断，通过光路系统中的格兰泰勒棱镜和半波片来控制激光的偏振方向，通过超快激光器控制激光实际输出的平均功率。

步骤3：加工完成后，通过精密抛光使纳米光栅暴露在铌酸锂晶体的表面，精密抛光过程中使得纳米光栅的栅面与铌酸锂晶体的光轴平行，然后将起偏器和检偏器分别与纳米光栅和铌酸锂晶体紧密贴合，形成最终微型分光元件。

微型分光元件制备的基本过程为：

超快激光在晶体内部的辐照会在焦点区域形成纳米级电离中心，这些电离中心在局部场增强的作用下，会各向异性扩展成片状，形成周期排列的光栅图案。在这些各向异性电离中心的作用下，所述的被加工材料将发生周期性相变，形成玻璃-晶体交替排列的周期性结构，其中玻璃相和晶体相的折射率差异将导致激光辐照区的折射率呈现周期性分布，进而使得该结构具有光栅的性质。由于电离中心只存在于聚点中心的非线性电离区，因此可以突破光学衍射极限，使这种周期性玻璃化结构具有纳米级精度，其取向与激光偏振方向垂直，这种通过自组装微区修饰生成光栅的周期一般在200nm左右，光栅线宽在20nm左右。

本发明的整体光路设计思路为：在未知光源后放置起偏器，将光源发出的光线转变为复色偏振光，当复色偏振光沿着垂直于铌酸锂晶体的晶体光轴方向传播时，由于双折射效应此时复色偏振光中的O光和E光两束光的传播方向一样，但传播速度不同，因此在传播一段距离之后，两束光会形成相位差，初步具备了发生干涉的条件。

当光线通过铌酸锂晶体的纳米光栅后，不同波长的O光和E光的相位差会进一步增大，通过纳米光栅的色散效应将不同波长的O光和E光在空间上会发生分离。此时，O光和E光的偏振方向仍然相互垂直，无法产生干涉，再通过在铌酸锂晶体后端放置第二个偏振片的检偏器，在经过第二个偏振片作用后，O光和E光均会在第二偏振片的透光轴方向上产生偏振分量，从而发生干涉。

由于不同波长的光发生干涉需要的光程差不同，因此，在不同位置上，特定波长的光会干涉相消或增强，从而在出射端产生显著的分光现象，被探测器接收后，进行光谱重构，即可得到未知光源的光谱信息。

实验表明，根据这种分光原理所制备的新型分光元件的尺寸可以大大被压缩，该元件在50×50μm空间范围内就可实现可见光谱的完全展开。

由此本发明整体器件尺寸更小，整体元件的尺寸能够达到微米级别，大大减小了现有同等性质分光元件的毫米级别尺寸。

本发明具有如下有益效果：

本发明利用超快激光诱导的焦点区域干涉场，实现铌酸锂晶体内部周期性玻璃化，一步生成玻璃-晶体型周期结构，这种微纳结构完全由自组织生成的，不需要设计复杂的运动路径和外部光路，光栅的制作只需要位移平台16做简单的直线运动即可，极大简化了工艺，且加工效率极高。

本发明利用超快激光与物质相互作用引发的多光子吸收过程实现自组织周期性结构的制备。这一过程是典型的非线性效应，强烈依赖激光强度，只有在焦点中心才能被激发，因此该制备过程能够突破衍射极限，实现亚波长光栅加工，其周期约为200nm左右，极大的提高了光栅结构的分光能力。

本发明所设计的微型分光元件，其尺寸完全由超快激光诱导的纳米光栅决定，而纳米光栅的整体尺寸可以小至微米级，因此，分光元件的尺寸也可以达到微米级。目前已经成功实现了50×50μm的分光尺寸，远远低于目前商业化感光芯片的尺寸，打破了以往分光元件尺寸对光学仪器尺寸的限制，极大提升了光谱仪等现代光学仪器的集成化潜力。

本发明所设计的微型分光元件，其核心组件为玻璃-晶体周期性微结构，嵌入在铌酸锂晶体中，其物理化学性质稳定，可以承受高温、高压，对外界的腐蚀，污染均不敏感，使用寿命大幅提高。

本发明首次在铌酸锂晶体内部生成了周期排列的玻璃相构成的纳米光栅，发现了纳米光栅对色偏振效应的增强作用，设计并制造了基于这一原理的微型分光元件，为未来超小型精密光学仪器的研发奠定了基础。

附图说明

图1是本发明的总体构成示意图。

图2是图1中微型分光元件示意图。

图3是图1中纳米光栅加工示意图。

图4是微型分光元件制备过程及工作原理示意图。

图5为元件在可见光波段的分光实验结果图。

图中，光源1、起偏器2、铌酸锂晶体3、铌酸锂晶体光轴4、纳米光栅5、检偏器6、光线7、探测器8、计算机9、超快激光器10、快门11、格兰泰勒棱镜12、半波片13、反射镜14、物镜15、位移平台16、激光17。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作详细描述。

如图1和图2所示，分光元件包括起偏器2、铌酸锂晶体3和检偏器6；铌酸锂晶体3置于中间，铌酸锂晶体3对称的两侧面分别设置有起偏器2和检偏器6，铌酸锂晶体3在靠近检偏器6的一侧局部加工为纳米光栅5，且纳米光栅5所在的平面和铌酸锂晶体光轴4平行；这样，微型分光元件由Z向切割的铌酸锂单晶，超快激光诱导的自组织纳米光栅，起偏器和检偏器构成，耦合顺序依次为起偏器、铌酸锂晶体、纳米光栅、检偏器。

光源1发出垂直于铌酸锂晶体光轴4的光线7，光线7依次透过起偏器2、铌酸锂晶体3、检偏器6后被探测器8接收，光线7透过铌酸锂晶体3的同时也透过纳米光栅5。分光后的光线7被探测器8收集，通过光谱重构算法得到未知光源1的光谱。

光源1发出的光线7的传播方向与铌酸锂晶体光轴4相互垂直，可借助准直器实现，同时，未知光源1发出的光线7的传播方向与纳米光栅5的栅面相互垂直，铌酸锂晶体光轴4与纳米光栅5的栅面相互平行。

起偏器2和检偏器6均平行于铌酸锂晶体光轴4布置，并分别紧密贴合于铌酸锂晶体3中平行于铌酸锂晶体光轴4的对称两侧面。

纳米光栅5的栅面经抛光后，暴露在铌酸锂晶体3紧贴有检偏器6的表面，且和检偏器6表面紧贴。

起偏器2与铌酸锂晶体3紧密贴合，用于将未知光源1发出的光转变为线偏光。检偏器6与纳米光栅5紧密贴合，用于将O光和E光的转变为相干光。纳米光栅5由超快激光在铌酸锂晶体3内部诱导产生，通过抛光暴露到表面，用于分离不同波段的光，同时进一步增大不同波段光的相位差。

未知光源1发出的光经过准直后垂直于光轴4入射，以保证O光和E光传播方向相同，且具有一定的速度差。未知光源1发出的光线7经过起偏器2、铌酸锂晶体3、纳米光栅5和检偏器6后，被探测器8接收，即可得到未知光源所含的波长成分及强度。

纳米光栅5由超快激光在铌酸锂晶体3内部加工而成。

用于加工的铌酸锂晶体3的厚度不小于100μm，产生足够的光程差。

起偏器2和检偏器6均为高质量偏振片或偏振膜，消光比至少达到1000:1以上。起偏器和检偏器分别与铌酸锂和纳米光栅紧密贴合，起偏器和检偏器的偏振化方向既不平行也不垂直，未知光源的入射光进入微型分光元件之前需经过准直，沿垂直于铌酸锂晶体3的光轴4的方向入射。

具体实施中，起偏器2和检偏器6的偏振化方向既不相互垂直，也不相互平行，而是呈0-90°之间的角度，具体角度根据实际分光效果确定，选择分光色彩最显著的位置即可。

如图3所示，具体实施中，，纳米光栅5的生成通过一套飞秒激光加工系统实现。用于制作微型分光元件中铌酸锂晶体3的纳米光栅5的装置，包括超快激光器10、快门11、格兰泰勒棱镜12、半波片13、反射镜14、物镜15和位移平台16，如图4所示，超快激光器10发出激光，激光依次经、快门11、格兰泰勒棱镜12、半波片13后被反射镜14反射，反射镜14的反射光经物镜15照射聚焦到铌酸锂晶体3的内部。

通过激光照射到铌酸锂晶体3内部进行诱导生成纳米光栅5的微结构，通过位移平台16移动带动铌酸锂晶体3内部生成纳米光栅5微结构的位置，进而在铌酸锂晶体3内部完整生成纳米光栅5。

超快激光器10、快门11、半波片13和位移平台16均连接到计算机9，均由计算机9控制工作。计算机9与超快激光器10、快门11和偏振控制器12连接，实现对激光参数的控制。

其中，计算机9和超快激光器10用于控制激光器功率、重频、脉宽等参数，快门11的开闭用于控制光束的通过与断开，格兰泰勒棱镜12和偏振控制器13用于控制激光束的偏振方向，反射镜14用于将光束导入物镜15，光束通过物镜15聚焦到铌酸锂晶体3内部。铌酸锂晶体3通过夹具固定在位移平台16上，位移平台16的控制端口与计算机9相连，用于实现铌酸锂晶体3的三维运动。

本发明实施例的微型分光元件的制备过程包括：

步骤一：如图3所示，将铌酸锂晶体3固定在位移平台16上，使得铌酸锂晶体3的光轴4与激光入射方向保持一致，确定其xyz三轴坐标，找到适合加工的位置，以备后续加工。

步骤二：如图3所示，将待加工参数的代码信息导入到计算机9中，具体运动参数为：设置加工速度50-1000μm/s，加工深度40-1000μm，根据需求和铌酸锂晶体3的尺寸设置扫描距离；

步骤三：如图3所示，将加工激光参数导入到计算机9中，具体激光参数为：设置激光波长为1030nm，平均功率为100-500mW，脉冲宽度为0.2-6ps，重复频率为100-500kHz；

步骤四：如图3所示，启动超快激光器10，通过光路系统中的快门11来控制激光的通过与阻断，通过光路系统中的格兰泰勒棱镜12和半波片13来控制激光束的偏振方向，通过计算机9将激光实际输出的平均功率调整为100-500mW。激光束通过光路系统中的反射镜14，进入物镜15并沿着光轴4的方向聚焦到铌酸锂晶体3内部。启动位移平台，使铌酸锂晶体3按照设定的路径和运动参数相对于激光束做运动，诱导生成纳米光栅5；

步骤五：加工完成后，沿着垂直于光轴4的方向对铌酸锂晶体3进行精密抛光，使纳米光栅5暴露在铌酸锂晶体3的表面，这一过程中需保证纳米光栅5的栅面与铌酸锂晶体3的光轴4平行。

本发明所述的微型分光元件分光波段400-1000nm可覆盖可见光波段，并可以拓展至近红外波段。本发明所述的微型分光元件基于铌酸锂晶体，其化学性质稳定可靠。作为核心精密结构的纳米光栅嵌在晶体内部，与外界环境完全隔离，可承受1000℃高温，屏蔽各种污染，理论上拥有无限的使用寿命。该元件在可见光波段的分光实验结果如图5所示。

由此实施可见，本发明采用超快激光自组织加工技术，在铌酸锂晶体中制备了平行于光轴方向的纳米光栅结构，并利用单轴晶体的色偏振效应，配合小周期纳米光栅的分光能力，对色偏振效应进行二次增强，最终实现50×50μm内的微区分光。

Claims (7)

1.一种微型分光元件，其特征在于：包括起偏器(2)、铌酸锂晶体(3)和检偏器(6)；铌酸锂晶体(3)对称的两侧面分别设置有起偏器(2)和检偏器(6)，铌酸锂晶体(3)在靠近检偏器(6)的一侧加工为纳米光栅(5)，且纳米光栅(5)和铌酸锂晶体光轴(4)平行；光源(1)发出垂直于铌酸锂晶体光轴(4)的光线(7)，光线(7)依次透过起偏器(2)、铌酸锂晶体(3)、检偏器(6)后被探测器(8)接收。

2.根据权利要求1所述的一种微型分光元件，其特征在于：

所述的起偏器(2)和检偏器(6)均平行于铌酸锂晶体光轴(4)布置，并分别紧密贴合于铌酸锂晶体(3)中平行于铌酸锂晶体光轴(4)的对称两侧面。

3.根据权利要求1所述的一种微型分光元件，其特征在于：

所述的纳米光栅(5)的栅面暴露在铌酸锂晶体(3)紧贴有检偏器(6)的表面，且和检偏器(6)表面紧贴。

4.根据权利要求1所述的一种微型分光元件，其特征在于：

所述的纳米光栅(5)由超快激光在铌酸锂晶体(3)内部加工而成。

5.根据权利要求1所述的一种微型分光元件，其特征在于：

所述的起偏器(2)和检偏器(6)均为偏振片或偏振膜，消光比至少达到1000:1以上。

6.根据权利要求1所述的一种微型分光元件，其特征在于：

所述的起偏器(2)和检偏器(6)的偏振化方向既不相互垂直，也不相互平行，而是呈0-90°之间的角度。

7.应用于权利要求1-6任一所述一种微型分光元件的制备方法，其特征在于：方法包括以下步骤：

步骤1：将铌酸锂晶体(3)固定在位移平台(16)上，激光入射方向与铌酸锂晶体光轴(4)方向保持一致，将待加工参数导入到计算机(9)中，由计算机(9)控制位移平台(16)带动铌酸锂晶体(3)运动，控制超快激光器(10)产生激光；

步骤2：启动超快激光器(10)产生激光，激光通过光路系统中的反射镜(14)进入物镜(15)并沿着光轴的方向聚焦到铌酸锂晶体(3)内部，启动位移平台(16)，使铌酸锂晶体(3)按照设定的路径和运动参数相对于激光做运动，诱导生成纳米光栅(5)；

步骤3：加工完成后，通过精密抛光使纳米光栅(5)暴露在铌酸锂晶体(3)的表面，使得纳米光栅(5)的栅面与铌酸锂晶体(3)的光轴平行，然后将起偏器(2)和检偏器(6)分别与纳米光栅(5)和铌酸锂晶体(3)紧密贴合，形成最终微型分光元件。

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