CN115166985B - 一种利用超快激光直写制备偏振相关衰减元件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用超快激光直写制备偏振相关衰减元件的方法：具体为利用狭缝整形的超快激光在铌酸锂体内进行辐照直写，得到具有均匀周期的激光诱导微结构，再利用该周期结构制备周期光栅结构，构建偏振相关衰减元件，实现对可见光到近红外的偏振相关衰减。

Description

一种利用超快激光直写制备偏振相关衰减元件的方法
技术领域
本发明属于光学元器件技术领域，特别涉及超快激光微纳精密加工技术与制备方法。
背景技术
光衰减元件是现代光学中重要的元器件之一，在光探测、光传感、光调控等诸多领域具有非常广泛的应用。随着光学系统向集成化、便携化、微型化发展，光学系统对于分衰减元件的要求也日益增高。然而，目前的光衰减元件主要以传统的吸收型或反射型为主，这种光衰减的尺寸较大，无法满足先进光学系统的复杂需求，另外其也不能应用于。光衰减器的尺寸和性能成为制约光学系统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。
目前，已经有研究来利用超快激光直写微纳结构并应用与光衰减的设计，实现了在宽带近红外的光衰减。例如Fangteng Zhang等(Opt.Lett.2013,38,2212.)利用1kHz的飞秒激光在熔石英材料内诱导纳米光栅结构，并设计了单/双层的光衰减元件，展示了对不同偏振的1030nm光波的衰减。例如BoZhang等人(Advanced Optical Materials,2019,7(20):1900593.)采用非常规玻璃体系La2O3-Ta2O5-Nb2O5(LTN玻璃)，并利用皮秒激光在其体内诱导出周期约为的纳米光栅，并基于该纳米光栅制备出偏振相关微型衰减器，并在近红外光谱区域中表现出显著的衰减性能。上述方法能利用超快激光在玻璃体内通过诱导纳米光栅来实现光衰减，但是存在工艺参数要求高、生产效率低，限制了其实际应用。
发明内容
本发明的目的是提出一种利用超快激光直写制备偏振相关衰减元件的方法，该方法成本低，工艺简单。
为实现上述目的，本发明采用以下技术措施构成的技术方案来实现的。
本发明所述的基于超快激光狭缝整形的制备方法，工艺步骤如下：
(1)超快激光狭缝整形：
将狭缝置于超快激光光路中，使超快激光光束通过狭缝中心，通过控制狭缝宽度来调节整形后的超快激光光束的纵横比；
(2)超快脉冲激光辐照：
将基底材料固定在电控平移台上，将整形后超快脉冲激光经显微物镜紧聚焦后辐照到材料的体内，并按照设计好的运动轨迹进行可控辐照，在材料样品中写入所设计的不同间隔的周期结构，制备偏振衰减元件。
(3)元件测试
使用不同波长的激光器，采用四分之一波片和偏振片来控制激光的不同偏振方向，将不同偏振方向的激光垂直照射偏振衰减元件。然后在偏振衰减元件后用功率计测试不同偏振方向的激光透过功率，从而对偏振衰减元件的衰减特性进行分析。
上述方法中步骤(1)所述的超快激光器参数为：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。
上述方法中步骤(1)所述的加工速度50-1000μm/s，加工深度40-1000μm。
上述方法中步骤(1)所述的超快光束的纵向和横向的比值为2.85-40。
上述方法中步骤(1)所述的狭缝宽度为50-700μm。
上述方法中步骤(2)所述的基底材料为铌酸锂。
上述方法中步骤(2)所述的均匀周期结构的周期约为0.5-5μm。
上述方法中步骤(2)所述的均匀周期结构直径为5-6μm。
上述方法中步骤(3)采用的测试激光器的波长为632.8nm和1030nm。
与相关技术相比较，本发明提供的一种利用超快激光直写制备偏振相关衰减元件的方法具有如下有益效果：
本发明通过对狭缝整形的超快激光进行直写，在铌酸锂晶体内部一步生成周期性微结构，这种微结构完全由自组织生成的，不需要设计复杂的运动路径，极大简化了工艺，且加工效率极高。本发明所设计的光衰减元件，其核心组件为晶体体内周期性微结构，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，且具有与材料基底相当的损伤阈值，使用寿命大幅提高。本发明在铌酸锂晶体内部生成了周期排列的微米结构，设计并制造微光衰减元件，为未来小型光学仪器的研发奠定了基础。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为本发明的光路示意图；
图2为本发明的偏振衰减器结构图；
图3为本发明的偏振衰减测试光路图；
图4为本发明的偏振衰减测试图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
先请参阅图1与图3，图1为本发明利用超快激光制备偏振衰减元件的方法光路图，图3为测试光路图。
(1)超快激光辐照
超快激光13脉冲经过狭缝1(缝宽400μm)整形，再经半波片2、分光棱镜3和机械快门4传输，在通过反射镜5、反射镜7、透镜8和反射镜9反射到显微物镜10后，聚焦到样品11表面，样品固定在三维电控平台12上，此辐照过程并通过CCD相机14和计算机15来监控，功率计6来检测实时激光功率。取尺寸为10mm×10mm×0.5mm两面抛光的铌酸锂样品，经清洗固定在三维电控平台上；超快激光在铌酸锂样品内部直写周期性结构时脉宽为400fs，中心波长为1030nm，重复频率为1MHz；直写过程中采用的显微物镜数值孔径为1.25，飞秒激光的平均功率为500mW，扫描速度为100μm/s。最终制备的偏振衰减元件如图2所示。
(2)偏振衰减元件测试
如图3，将激光器输出光束16经偏振片17和四分之一波片18转变为圆偏光，再通过旋转偏振片19得到不同偏振方向的线偏振光，然后经过飞秒激光制备的偏振衰减元件10后通过功率计21不同偏振方向的激光透过的功率。测试曲线由图4所示，采用波长为632.8nm和1030nm激光器进行测试，相比于普通光栅，偏振衰减光栅在波长为632.8nm的情况下性能最佳，衰减比率可达45％以上。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (2)

1.一种利用超快激光直写制备偏振相关衰减元件的方法，其特征在于利用超短脉冲激光对铌酸锂晶体样品进行辐照加工，在铌酸锂晶体样品内部获得周期性结构，包括以下步骤：
(1)将狭缝置于超快激光加工光路中，使超快光束通过狭缝中心，通过控制狭缝宽度来调节整形后的超快光束的纵横比；将铌酸锂晶体固定在位移平台上，使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；
(2)将基底材料固定在电控平移台上，启动超快激光器产生激光，将整形后超快脉冲激光经显微物镜紧聚焦并沿着光轴的方向聚焦到铌酸锂晶体内部，启动位移平台，并按照设计好的运动轨迹进行可控辐照，在材料样品中写入所设计的不同间隔的周期结构，制备偏振相关衰减元件；
(3)采用不同波长的激光器，采用四分之一波片和偏振片来控制光的不同偏振方向，将不同偏振态的激光垂直照射偏振相关衰减元件，然后在偏振相关衰减元件后用功率计测试不同偏振方向的激光透过功率，从而对偏振相关衰减元件的衰减特性进行分析；
上述方法中步骤中所述的超快激光器参数为：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；加工速度50-1000μm/s，加工深度40-1000μm；所述超快光束的纵向和横向的比值为2.85-40；所述狭缝的宽度为50-700μm；所述周期性结构的周期为0.5-5μm；所述周期性结构的直径为5-6μm。
2.根据权利要求1所述的利用超快激光直写制备偏振相关衰减元件的方法，其特征在于，所述的偏振相关衰减元件由狭缝整形的超快激光在铌酸锂晶体内部加工而成。
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