CN115832853A - 玻璃材料中基于趋肤光波导的可饱和吸收器件及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种玻璃材料中基于趋肤光波导的可饱和吸收器件及其方法。通过飞秒激光在玻璃材料内直写光波导，所述光波导中部的一段向玻璃的一侧表面弯曲靠近布置形成趋肤波导，在趋肤波导所靠近玻璃的一侧表面上设有可饱和吸收材料，通过趋肤波导所泄露光信号的倏逝场与可饱和吸收材料相互作用构成可饱和吸收器。本发明制作的可饱和吸收器件具有插入损耗低，占用空间小的特点，能够将多条不同深度或长度的趋肤波导集成在一块玻璃中，实现对可饱和吸收特性的调控，性能优异。

Description

玻璃材料中基于趋肤光波导的可饱和吸收器件及其方法

技术领域

本发明涉及激光加工领域的一种飞秒激光加工方法，特别是涉及了一种玻璃材料中基于趋肤光波导的片上集成的可饱和吸收器件及其方法。

背景技术

在具有超短脉冲输出的激光器系统当中，可饱和吸收体是实现调Q和锁模的核心器件，也是影响激光器性能的核心指标。具体而言，选择高性能的可饱和吸收体，并将其高效地耦合到激光光路系统当中，可以有效地提升激光器的损伤阈值、脉宽和重复频率调制深度等性能。传统上，相比于将可饱和吸收体直接插入的耦合方式，利用波导的倏逝场与物质互作用的耦合方式具有许多优势。因为倏逝场具有比中心光场更弱的光强，可以克服因高功率密度引起的热损伤，并且可以通过改变相互作用距离调控可饱和吸收效果。在以往的方案中，基于切削形成的D型光纤或者熔融形成的拉锥光纤可以达到倏逝场耦合的目的，但破坏了光纤原本的机械结构，使得这类微纳光纤变得更加脆弱，通常需要额外的结构支撑保护微纳光纤，在制备和使用时既增添了复杂的步骤，又占据了额外的空间，阻碍了设备小型化的可能。

针对上述问题，飞秒激光直写技术提供了一种高效、制备工艺简单、且能实现三维波导结构的加工方法。

传统上，飞秒激光直写光波导是利用脉冲激光在聚焦区域的非线性吸收引起的局部改性，产生正的折射率变化，形成波导。

然而，当激光脉冲能量过高，并且聚焦区域在表面时，会因为吸收导致的热效应烧蚀玻璃表面，破坏波导结构的均匀性，增加额外的传输损耗。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明结合飞秒激光加工精度高、灵活性强，便于多条集成的特点，提出了一种玻璃材料中片上集成的可饱和吸收器件及其飞秒激光在玻璃中直写制备基于趋肤光波导的可饱和吸收器件的方式和应用方法。

本发明的目的在于提供一种新型可控光子光路集成器件(包括可饱和吸收器件)的制备，能控制飞秒激光辐照玻璃后材料中残余应力场分布，实现低应力场甚至是无应力场影响的局部致密化效果，达到波导折射率均匀分布的目的。利用这种方法加工出来的趋肤波导具有插入损耗低，不损伤表面的特点，集成可饱和吸收体之后可以得到较高的可饱和调制深度。

本发明所采用的技术方案是：

一、一种玻璃材料中基于趋肤光波导的可饱和吸收器件：

在玻璃材料内设有波导，所述波导中部的一段向玻璃的一侧表面弯曲靠近布置形成趋肤波导，在趋肤波导所靠近玻璃的一侧表面上设有可饱和吸收材料，通过趋肤波导泄露光信号的倏逝场与可饱和吸收材料相互作用构成可饱和吸收器。

所述的趋肤波导是由飞秒激光在玻璃材料中多次直写制备而成。

所述的趋肤光波导是由多条轨迹沿直线/曲线紧密平行布置在一起构成，每条轨迹都是由飞秒激光在玻璃材料中直写制备而成，多次直写轨迹组成一条光波导。

通过调整光波导中各个轨迹的路径、数量、排布形成低损耗波导，单根轨迹的截面尺寸为亚微米或微米量级。单根轨迹不能导光，再经过激光多次扫描堆叠排布，具体可直写形成与单模光纤模式匹配的截面直径10μm的圆柱形光波导。

具体实施中，将聚焦飞秒激光的镜头固定于三维平台，在飞秒激光在玻璃材料中直写时，控制三维平台带动飞秒激光的聚焦点移动，控制在玻璃材料中控制单根轨迹的排布和趋肤深度，进而直写出趋肤波导。

所述的光波导贯穿于玻璃材料的两端，两端延伸到玻璃材料的两端面并用于和外部裸露的单模光纤互联。

所述的趋肤波导中，位于玻璃两端的波导埋在玻璃内部作为深埋的波导，波导的中间段趋近玻璃表面形成趋肤波导，还有两段反向弯曲的波导连接于趋肤波导和深埋的波导之间。趋肤波导所在的波导一段为趋肤段，深埋的波导所在的波导一段为深埋段。

所述的玻璃材料，包括所有透明玻璃材料，例如：石英玻璃、硼硅酸盐玻璃、多孔玻璃、磷酸盐玻璃、碲酸盐玻璃、锗酸盐玻璃、铋酸盐玻璃、氟硅酸盐玻璃、氟锗酸盐玻璃、氟化物玻璃等。

所述玻璃在中间靠近趋肤波导的表面上集成上可饱和吸收材料，所述的可饱和吸收材料包括所有具有三阶非线性光学可饱和吸收特性的材料，包括碳纳米管材料、纳米等离子体、二维材料、石墨烯，氧化铟锡等，但不限于上述所有具有光学非线性可饱和吸收特性的材料。

所述的可饱和吸收材料采用聚乙烯醇/碳纳米管复合薄膜。

具体实施在一块玻璃上集成不同深度、不同长度的趋肤波导，提供不同调制深度的可饱和吸收参数。

方法所述轨迹的路径是通过控制三维平台的运动来实现，这样能获得趋肤长度或深度可调的趋肤光波导。

具体实施中，使用轨迹的加工参数，规划各条轨迹的写入路线，并编写程序控制三维精密位移平台，可实现各种功能的光子波导器件。

所述的飞秒激光加工参数采用不同输出波长(如：355、515、800、1030nm等)、不同脉宽(40fs–10ps)、不同重复频率(1kHz–10MHZ)、不同功率和不同偏振输出的飞秒激光器，采用不同数值孔径的聚焦物镜(0.4<NA<1.5)，采用不同扫描速度(0.1-50mm/s)和多次直写不同的间隔(0.5-1.5μm)。

光信号从波导的一端输入，经过趋肤波导处产生的倏逝场泄露到玻璃外，进而和玻璃一侧表面上的可饱和吸收材料相互作用而产生可饱和吸收作用，波导的另一端输出具有可饱和吸收特性的光信号，由此构建获得片上集成的可饱和吸收器件。

通过制备趋肤波导的深度或长度的不同，进而调整所述可饱和吸收器件的可饱和吸收曲线，进而调整可饱和吸收器件的可饱和吸收特性参数。

本发明的制备过程为：通过改变飞秒激光的功率，脉宽，波长，重复频率，激光光束在样品中的扫描速度、聚焦深度以及聚焦物镜的放大倍数、数值孔径，规划各条亚微米或微米量级轨迹的写入路径实现具有低插入损耗的弯曲的趋肤光波导。再在玻璃表面集成一层可饱和吸收体薄膜，使用裸露的单模光纤在波导两端耦合，构成一个可饱和吸收器件，进而制备出调Q/锁模激光器。

二、可饱和吸收方法：

光信号从波导的一端输入，经过趋肤波导处产生的倏逝场泄露到玻璃外，进而和玻璃一侧表面上的可饱和吸收材料相互作用而使得波导的另一端输出的光信号具有可饱和吸收特性，实现可饱和吸收器件的工作。

本发明可用于各种集成的可控光子光路器件，包括调Q和锁模脉冲激光器等。

本发明是利用飞秒激光在玻璃中通过多次扫描直写出由多条亚微米或微米量级轨迹构成的弯曲波导，使波导其中一段接近玻璃的表面，即为趋肤波导；在趋肤波导集成上可饱和吸收体，使透过波导的光具有可饱和吸收特性，通过调控趋肤波导深度或长度的不同，进而调整可饱和吸收曲线。

本发明的原理为：

飞秒激光在玻璃中可产生非线性吸收效应，其修饰区域形成正折射率变化，单次飞秒激光扫描所诱导的正折射率变化截面在亚微米或微米量级尺度范围，且单次扫描轨迹不能导光，通过飞秒激光多次扫描进而实现多根轨迹的堆叠排布以形成与单模光纤模式匹配的截面直径约为10μm的光波导；进一步，通过调整飞秒激光参数，控制玻璃材料中应力场分布，实现低应力甚至是无应力分布的结果，最终实现在距离玻璃表面很近(0-10μm)的地方写入全正折射率、且玻璃表面无损伤的光波导。

由于倏逝场的效果，波导中传输的光有一部分泄露到玻璃以外，与玻璃外集成的可饱和吸收材料相互作用，使得整个器件呈现出光学非线性可饱和吸收性质，从而为制备调Q/锁模激光器提供条件。

本发明的飞秒激光的波长、脉宽、重频、功率、偏振，聚焦镜，聚焦深度、扫描速度等参数任意可调；波导距离表面深度可调；所得可饱和吸收深度和阈值功率可调。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

(1)与传统的纳米压印、光刻、离子注入等加工手段相比，本发明基于飞秒激光直写趋肤光波导，加工工艺简单、高效，且能够实现三维结构波导的加工。

(2)与通用的飞秒激光直写趋肤波导相比，本发明克服了传统激光直写趋肤波导折射率分布不均且表面容易出现空腔或者裂痕的缺点，使得飞秒激光直写趋肤波导可以在保证低插入损耗的条件下，更接近表面，趋肤深度和模式泄漏可控，趋肤波导中的倏逝波与表面可饱和吸收材料相互作用更强烈，具有优异的可饱和调制深度和可饱和阈值功率以及更低的插入损耗。

综合来说，本发明制作的可饱和吸收器件具有插入损耗低、占用空间小的特点，能够将多条不同深度或长度的趋肤波导集成在一块玻璃中，实现对可饱和吸收特性的调控，性能优异。

附图说明

图1为本发明的玻璃材料中飞秒激光直写趋肤波导的加工方法示意图。

图2为本发明公开的一种片上集成可饱和吸收器件的设计示意图。

图3为本发明公开的不同趋肤深度光波导的实际结构显微照片和近场模场图。

图4为本发明可饱和吸收器在不同波导趋肤深度下的可饱和吸收特性曲线。

图5为本发明公开的基于趋肤波导和可饱和吸收体集成而开发的调Q脉冲激光器。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

本发明的实施例如下：

实施例1

图1为本实施例的飞秒激光直写“类光子晶格”趋肤光波导的示意图。本实施例中采用Eagle玻璃作为飞秒激光直写“类光子晶格”趋肤波导的材料。

本实施例的飞秒激光直写“片上集成器件”方法，主要包括以下三个步骤：

步骤1)飞秒激光在玻璃材料中单次直写亚微米或微米量级的轨迹；

采用的飞秒激光器参数为：中心波长1030nm，脉冲宽度213fs，重复频率1MHz，线偏振光输出。聚焦物镜参数为：放大倍数100X和数值孔径NA＝1.2的油浸镜头，激光功率为10–40mW，扫描速度为5mm/s，聚焦深度为0-10μm。在上述飞秒激光参数条件下，单次直写只能形成亚微米或微米量级、正折射率变化的单根轨迹，且单根轨迹光限域特性很差、不具备导光特性；

步骤2)多次扫描，直写多次轨迹，轨迹间隔按设定参数堆叠排列，以形成与单模光纤模式匹配的圆柱状趋肤光波导；

激光每次直写间距间隔0.5-1.5μm，一共由40-110次扫描直写构成一个与单模光纤模场匹配的直径约为10μm的圆柱状趋肤光波导。如图2所示，波导中部趋肤段和两边深埋段由弯曲半径10mm的两段反向弯曲结构连接。趋肤段深度范围为1-10μm，趋肤长度范围为0.1-5mm，所形成的的趋肤光波导的插入损耗低至1dB。

步骤3)将溶液共混法制备的碳纳米管/聚乙烯醇(SWCNT/PVA)可饱和吸收材料裁剪成5×10mm²的薄膜，再将其平整集成到上述趋肤波导的玻璃表面。再将裸露的单模光纤对准波导的端面，使用折射率与单模石英光纤匹配的紫外光固胶固定封装。

本实施例以上述飞秒激光加工方法在Eagle玻璃中加工得到的集成可饱和吸收体，不同趋肤深度波导的实际结构显微照片和近场模场图如图3所示。在趋肤深度比较深(5-10μm)的区域，趋肤波导形状是完整的圆形，近场模场是对称的圆形模场。在趋肤波导深度比较浅(1-5μm)的区域，由于趋肤波导被空气层截断，趋肤波导形状变为圆缺形，近场模场受到空气层压缩，模场变为上短下长的椭圆形模场。趋肤段长度为1mm的不同深度的趋肤波导，能够实现可饱和调制深度1-10％，可饱和阈值功率在20-200MW/cm²，测试结果如图4所示。

进一步，将集成可饱和吸收器与Er掺杂的光纤激光器集成互联并实现调Q脉冲输出。Er掺杂的光纤激光器包括980nm泵浦源，980/1550nm波分复用器，掺Er光纤，光纤耦合器，集成可饱和吸收体以及偏振控制器，按图5(a)所示连接各个器件。调Q脉冲激光器输出波形如图5(b)所示。

实施案例结果表明，本发明可以在玻璃表面直写低损耗、表面无损伤的趋肤光波导，形成趋肤段深度和长度可调的波导。以上实例中制作了可饱和吸收器件，实现了吸收率随入射光强变化的可饱和吸收特性。用1550nm的光纤光源耦合测得波导的插入损耗低至1dB。此外，利用上述飞秒激光直写技术加工出的趋肤波导原则上可以实现任意趋肤长度、任意趋肤深度，并可应用在任意可控光子光路集成器件中。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种玻璃材料中基于趋肤光波导的可饱和吸收器件，其特征在于：

在玻璃材料内设有波导，所述波导中部的一段向玻璃的一侧表面弯曲靠近布置形成趋肤波导，在趋肤波导所靠近玻璃的一侧表面上设有可饱和吸收材料，通过趋肤波导泄露光信号的倏逝场与可饱和吸收材料相互作用构成可饱和吸收器。

2.根据权利要求1所述的一种玻璃材料中基于趋肤光波导的可饱和吸收器件，其特征在于：所述的趋肤波导是由飞秒激光在玻璃材料中多次直写制备而成。

3.根据权利要求1所述的一种玻璃材料中基于趋肤光波导的可饱和吸收器件，其特征在于：所述的趋肤光波导是由多条轨迹平行布置在一起构成，每条轨迹都是由飞秒激光在玻璃材料中直写制备而成。

4.根据权利要求1所述的一种玻璃材料中基于趋肤光波导的可饱和吸收器件，其特征在于：所述的光波导贯穿于玻璃材料的两端，两端延伸到玻璃材料的两端面并用于和外部裸露的单模光纤互联。

5.根据权利要求1所述的一种玻璃材料中基于趋肤光波导的可饱和吸收器件，其特征在于：所述玻璃在中间靠近趋肤波导的表面上集成上可饱和吸收材料，所述的可饱和吸收材料包括所有具有三阶非线性光学可饱和吸收特性的材料。

6.根据权利要求1所述的一种玻璃材料中基于趋肤光波导的可饱和吸收器件，其特征在于：所述的可饱和吸收材料采用聚乙烯醇/碳纳米管复合薄膜。

7.根据权利要求1所述的一种玻璃材料中基于趋肤光波导的可饱和吸收器件，其特征在于：光信号从波导的一端输入，经过趋肤波导处产生的倏逝场泄露到玻璃外，进而和玻璃一侧表面上的可饱和吸收材料相互作用而产生可饱和吸收作用，波导的另一端输出具有可饱和吸收特性的光信号，由此构建获得片上集成的可饱和吸收器件。

8.根据权利要求7所述的一种玻璃材料中基于趋肤光波导的可饱和吸收器件，其特征在于：通过制备趋肤波导的深度或长度的不同，进而调整所述可饱和吸收器件的可饱和吸收曲线，进而调整可饱和吸收器件的可饱和吸收特性参数。

9.应用于权利要求1-8任一可饱和吸收器件的可饱和吸收方法，其特征在于：光信号从波导的一端输入，经过趋肤波导处产生的倏逝场泄露到玻璃外，进而和玻璃一侧表面上的可饱和吸收材料相互作用而使得波导的另一端输出的光信号具有可饱和吸收特性，实现可饱和吸收器件的工作。

10.根据权利要求1-8任一所述可饱和吸收器件的应用，其特征在于：

在可控光子光路器件中应用。

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