CN116493783A - 飞秒激光在玻璃中直写低损耗趋肤波导的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种飞秒激光在玻璃中直写低损耗趋肤波导的方法，该方法采用飞秒激光直写技术，基于狭缝整形以及激光参数的优化，结合便捷的玻璃样品制备方法，在玻璃表面附近直写深度可调、表面无损、圆对称性高的低损耗趋肤波导。本发明可在玻璃表面附近5‑20微米的不同深度范围内，加工出贯穿玻璃两端长度约1厘米、深度可调、高度对称的低损耗趋肤波导，且不会对玻璃表面造成损伤。
Description
技术领域
本发明涉及飞秒激光加工领域，尤其涉及了一种飞秒激光在玻璃中直写低损耗趋肤波导的方法。
背景技术
随着信息技术的发展，集成光学在光通信、光计算领域得到了广泛应用。光波导作为集成光学中的重要基本单元，被广泛应用在诸如环形腔、耦合器、马赫-曾德尔干涉仪、布拉格光栅等器件中，其性能对于系统整体效率有着重要影响。
与传统的波导加工方式相比，飞秒激光直写具有以下显著优势：(1)加工工艺相对简单。无需配合掩膜、刻蚀等复杂的技术，可以实现材料内部的加工；(2)加工精度高。根据加工需求，可以制造微米、甚至是纳米级别的结构；(3)加工材料不受限，加工效率高。通过调节激光的重频、脉宽、功率、辐照时间等，理论上可以实现不同材料的高效加工。
在玻璃内部构建低损耗波导(深度＞100μm)的工作已被广泛报道，但是如何在近玻璃表面构建低损耗的波导，仍具有极大的挑战性。趋肤波导指的是极其靠近表面的光波导，基于光与外部介质的相互作用原理，趋肤波导被应用于各种原位传感、实时探测等光学传感器中。传统的趋肤波导制造方法包括机械抛光、湿法刻蚀等，但是这些方都过于复杂且低效，因此有必要寻找一种新型的加工方式来构建趋肤波导。
利用飞秒激光直写制造趋肤波导，主要存在以下难点：首先，较高折射率无法避免激光在玻璃内部的聚焦产生球差；其次，随着光波导不断靠近表面，材料的改性阈值会急剧下降，材料的非线性吸收对于入射激光条件脉宽、强度以及聚焦深度的调控要求极高；另外，为了满足趋肤波导传感的功能，最小深度的波导要求能够精密控制激光的聚焦位置。但飞秒激光的自聚焦效应会导致焦点处光斑被拉长、能量分布不均匀，这样加工出来的光波导截面对称性差，难以实现单模传输。因此，如何在飞秒激光直写的技术基础之上，构建出一套能够加工出低损耗且极其靠近样品表面的光波导的方案，具有比较大的意义。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种飞秒激光在玻璃中直写低损耗趋肤波导方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种飞秒激光在玻璃中直写低损耗趋肤波导的方法，包括以下步骤：
(1)制备加工所需的玻璃样品，将所述玻璃样品置于位移载物台上；
(2)选择狭缝和物镜，将狭缝置于物镜与入射激光之间的光路中；
(3)调节激光器的参数，激光器的输出光束经过狭缝后整形，聚焦于玻璃样品中；
(4)通过数控平台软件控制三维位移载物台的移动方向和移动速度，在玻璃材料中直写出深度可调的波导，以获取趋肤波导。
可选地，所述步骤(1)中所述制备加工所需的玻璃样品具体为：首先将待加工玻璃样品置于载玻片上，然后将熔融石英玻璃置于待加工玻璃样品之上，其中，熔融石英玻璃与待加工玻璃样品之间通过酒精进行粘连，最后达到光学接触后视为制样完成。
可选地，所述待加工玻璃样品为商业玻璃，所述商业玻璃包括Eagle玻璃。
可选地，所述物镜的数值孔径NA为0.8，所述物镜的放大倍数为50×。
可选地，所述狭缝的宽度为0.5mm。
可选地，所述激光器的参数包括激光器的输出波长、脉宽、重复频率和平均功率。
可选地，所述激光器的输出波长为1030nm，脉宽为226fs，重复频率为1MHz，平均功率为3.5W。
可选地，所述三维位移载物台的移动方向表示三维位移载物台在X、Y、Z三个轴上的运动方向；所述三维位移载物台的移动速度为5-20mm/s。
可选地，所述波导的深度为波导中心距离玻璃样品上表面的距离。
可选地，所述趋肤波导的深度范围为5-20μm，截面直径为12±2μm；且在显微镜下观察所述趋肤波导的截面，对应截面形貌椭圆度为0.922，模斑尺寸为18.4×17.4μm。
本发明的有益效果是，本发明利用飞秒激光直写技术，采用便捷的玻璃样品制备方法，在玻璃表面覆盖一层折射率匹配的薄片，且玻璃与薄片之间实现光学接触，同时结合狭缝整形技术，可以调控入射激光的扫描速度、聚焦深度，进而在玻璃内部、靠近表面附近加工出圆对称性高、表面无损、低损耗的趋肤波导，同时深度可调控；本发明通过狭缝整形技术增加激光入射方向上的尺寸、减小垂直方向的数值孔径NA。
附图说明
图1是本发明的玻璃材料中飞秒激光直写低损耗趋肤波导的加工方法示意图；
图2是本发明的不同深度下趋肤波导截面的显微镜观察图；
图3是本发明的不同扫描速度、不同深度下的光波导插入损耗图；
图4是本发明的不同扫描速度、不同深度下的光波导模场图；
图5是本发明的不同扫描速度、不同深度下的光波导模场椭圆度图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
应当理解，尽管在本发明可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。
下面结合附图，对本发明进行详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。
参见图1，本发明的飞秒激光在玻璃中直写低损耗趋肤波导的方法，包括以下步骤：
(1)制备加工所需的玻璃样品，将玻璃样品置于位移载物台上。
本实施例中，制备加工所需的玻璃样品具体为：首先将待加工玻璃样品置于载玻片上，然后将熔融石英玻璃置于待加工玻璃样品之上，其中，熔融石英玻璃与待加工玻璃样品之间通过酒精进行粘连，最后达到光学接触后视为制样完成。其中，熔融石英玻璃的厚度约170μm。
进一步地，待加工玻璃样品为商业玻璃，商业玻璃包括康宁公司的Eagle玻璃。应当理解的是，待加工玻璃样品也可选择其它的商业玻璃，具体根据实际情况进行选择。
(2)选择狭缝和物镜，将狭缝置于物镜与入射激光之间的光路中。
本实施例中，选择合适的狭缝和物镜，其中，物镜的数值孔径NA＝0.8，物镜的放大倍数为50×；狭缝的宽度为0.5mm，应当理解的是，狭缝的宽度约为0.5mm。
(3)调节激光器的参数，激光器的输出光束经过狭缝后整形，聚焦于玻璃样品中。
本实施例中，激光器的参数包括激光器的输出波长、脉宽、重复频率和平均功率。
具体地，激光器的输出波长为1030nm，脉宽为226fs，重复频率为1MHz，平均功率为3.5W，经过狭缝后单脉冲能量约为700nJ。
(4)通过数控平台软件控制三维位移载物台的移动方向和移动速度，在玻璃材料中直写出深度可调的波导，以获取趋肤波导。
本实施例中，在控制三维位移载物台的软件(即数控平台软件)中定义加工方向以及在加工方向上的移动速度。其中，三维位移载物台的移动方向表示三维位移载物台在X、Y、Z三个轴上的运动方向；三维位移载物台的移动速度为5-20mm/s。
应当理解的是，数控平台软件是三维位移载物台所配备的商业软件，购买设备时所配套的软件，可以在该软件中定义移动方向和移动速度。
本实施例中，波导的深度为波导中心距离玻璃样品上表面的距离。
本实施例中，在玻璃材料中直写出深度可调的波导，可以获取到加工出的趋肤波导。该加工出的趋肤波导的深度范围为5-20μm，截面直径为12±2μm，且在显微镜下观察波导截面，对应截面形貌椭圆度约为0.922，模斑尺寸为18.4×17.4μm，如图2所示。
下面根据实施例详细描述本发明的飞秒激光在玻璃中直写低损耗趋肤波导的方法，本发明的目的和效果将变得更加明显。
实施例1
如图1所示，本实施例的玻璃材料中飞秒激光直写低损耗趋肤波导的加工方法示意图。本实施例中采用康宁公司的Eagle玻璃作为飞秒激光直写的材料。
本实施例使用的飞秒激光参数为：中心波长1030nm，脉冲宽度226fs，重复频率1MHz，激光器输出平均功率为3.5W。聚焦物镜参数为：放大倍数50×，数值孔径NA＝0.8。狭缝宽度为0.5mm，经过狭缝后的单脉冲能量约为700nJ。三维位移载物台移动速度为5mm/s。
具体包括以下步骤：
(1)打开空压机等基础设备，将制备好的玻璃样品固定在位移载物台上。安装好物镜和狭缝，使用显微镜观察，找到玻璃样品的边缘，聚焦至玻璃样品的上表面，并且保证玻璃样品的边缘与位移载物台的运动方向垂直。
(2)调整好玻璃样品的位置后，打开激光器。设置好激光器的参数，输出激光，测量输出光的功率。
(3)将激光聚焦于玻璃样品表面后，利用数控平台软件控制位移载物台在z方向的移动，使光斑聚焦到玻璃样品表面以下位置，深度的调节范围为5-20μm。
(4)控制位移载物台在x-y平面内的运动，设定位移载物台的运动速度为5mm/s，在玻璃中直写趋肤波导。
实施例2
本实施例中采用康宁公司的Eagle玻璃作为飞秒激光直写的材料。本实施例使用的飞秒激光参数为：中心波长1030nm，脉冲宽度226fs，重复频率1MHz，激光器输出平均功率为3.5W。聚焦物镜参数为：放大倍数50×，数值孔径NA＝0.8。狭缝宽度为0.5mm，经过狭缝后的单脉冲能量约为700nJ。位移载物台移动速度为10mm/s。
具体包括以下步骤：
(1)打开空压机等基础设备，将制备好的玻璃样品固定在位移载物台上。安装好物镜和狭缝，使用显微镜观察，找到玻璃样品的边缘，聚焦至玻璃样品的上表面，并且保证玻璃样品的边缘与位移载物台的运动方向垂直。
(2)调整好玻璃样品的位置后，打开激光器。设置好激光器的参数，输出激光，测量输出光的功率。
(3)将激光聚焦于玻璃样品表面后，利用数控平台软件控制位移载物台在z方向的移动，使光斑聚焦到玻璃样品表面以下位置，调节范围为5-20μm。
(4)控制位移载物台在x-y平面内的运动，设定位移载物台的运动速度为10mm/s，在玻璃中直写趋肤波导。
实施例3
本实施例中采用康宁公司的Eagle玻璃作为飞秒激光直写的材料。本实施例使用的飞秒激光参数为：中心波长1030nm，脉冲宽度226fs，重复频率1MHz，激光器输出平均功率为3.5W。聚焦物镜参数为：放大倍数50×，数值孔径NA＝0.8。狭缝宽度为0.5mm，经过狭缝后的单脉冲能量约为700nJ。位移载物台移动速度为15mm/s。
具体包括以下步骤：
(1)打开空压机等基础设备，将制备好的玻璃样品固定在位移载物台上。安装好物镜和狭缝，使用显微镜观察，找到玻璃样品的边缘，聚焦至玻璃样品的上表面，并且保证玻璃样品的边缘与位移载物台的运动方向垂直。
(2)调整好玻璃样品的位置后，打开激光器。设置好激光器的参数，输出激光，测量输出光的功率。
(3)将激光聚焦于玻璃样品表面后，利用数控平台软件控制位移载物台在z方向的移动，使光斑聚焦到玻璃样品表面以下位置，调节范围为5-20μm。
(4)控制位移载物台在x-y平面内的运动，设定位移载物台的运动速度为15mm/s，在玻璃中直写趋肤波导。
实施例4
本实施例中采用康宁公司的Eagle玻璃作为飞秒激光直写的材料。本实施例使用的飞秒激光参数为：中心波长1030nm，脉冲宽度226fs，重复频率1MHz，激光器输出平均功率为3.5W。聚焦物镜参数为：放大倍数50×，数值孔径NA＝0.8。狭缝宽度为0.5mm，经过狭缝后的单脉冲能量约为700nJ。位移载物台移动速度为20mm/s。
具体包括以下步骤：
(1)打开空压机等基础设备，将制备好的玻璃样品固定在位移载物台上。安装好物镜和狭缝，使用显微镜观察，找到玻璃样品的边缘，聚焦至玻璃样品的上表面，并且保证玻璃样品的边缘与位移载物台的运动方向垂直。
(2)调整好玻璃样品的位置后，打开激光器。设置好激光器的参数，输出激光，测量输出光的功率。
(3)将激光聚焦于玻璃样品表面后，利用数控平台软件控制位移载物台在z方向的移动，使光斑聚焦到玻璃样品表面以下位置，调节范围为5-20μm。
(4)控制位移载物台在x-y平面内的运动，设定位移载物台的运动速度为20mm/s，在玻璃中直写趋肤波导。
综上所述，本发明可以在商业玻璃中，利用飞秒激光直写技术同时结合狭缝整形在玻璃中直写出不同损耗的趋肤波导，且不同的扫描速度对趋肤波导的损耗有着较大影响。如图3所示，在相同的飞秒激光聚焦深度下，随着扫描速度的增加，趋肤波导的插入损耗显著增加，尤其是当聚焦深度为6μm时，随着扫描速度由5mm/s增加到20mm/s，插入损耗由最小的0.91dB激增到6.5dB。
本发明利用基于狭缝整形的飞秒激光直写技术在商业玻璃中制备出低损耗、圆对称性高、表明无损、深度可调的趋肤波导。
不同扫描速度和不同深度下趋肤波导的模场分布图如图4所示，其对应的模斑的椭圆度如图5所示，参见图4和图5，可以清晰地观察到，使用本发明所述的飞秒激光在玻璃中直写低损耗趋肤波导的方法进行加工，最终所加工出的趋肤波导都具有高度的对称性，以距离表面6μm、扫描速度5mm/s的趋肤波导为例，其模场直径为18.4×17.4μm，且中心能量分布符合高斯分布，能够实现能量的基模传输。
本发明采用飞秒激光直写技术，基于狭缝整形以及激光参数的优化，结合便捷的样品制备方法，实现了在玻璃表面附近直写深度可调、表面无损、圆对称性高的低损耗趋肤波导。本发明可以在玻璃表面附近5-20微米的不同深度范围内，加工贯穿玻璃两端长度约1厘米、深度可调、高度对称的低损耗趋肤波导(该趋肤波导插入损耗约为0.91dB)，且不会对玻璃表面造成损伤。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种飞秒激光在玻璃中直写低损耗趋肤波导的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制备加工所需的玻璃样品，将所述玻璃样品置于位移载物台上；
(2)选择狭缝和物镜，将狭缝置于物镜与入射激光之间的光路中；
(3)调节激光器的参数，激光器的输出光束经过狭缝后整形，聚焦于玻璃样品中；
(4)通过数控平台软件控制三维位移载物台的移动方向和移动速度，在玻璃材料中直写出深度可调的波导，以获取趋肤波导。
2.根据权利要求1所述的飞秒激光在玻璃中直写低损耗趋肤波导的方法，其特征在于，所述步骤(1)中所述制备加工所需的玻璃样品具体为：首先将待加工玻璃样品置于载玻片上，然后将熔融石英玻璃置于待加工玻璃样品之上，其中，熔融石英玻璃与待加工玻璃样品之间通过酒精进行粘连，最后达到光学接触后视为制样完成。
3.根据权利要求2所述的飞秒激光在玻璃中直写低损耗趋肤波导的方法，其特征在于，所述待加工玻璃样品为商业玻璃，所述商业玻璃包括Eagle玻璃。
4.根据权利要求1所述的飞秒激光在玻璃中直写低损耗趋肤波导的方法，其特征在于，所述物镜的数值孔径NA为0.8，所述物镜的放大倍数为50×。
5.根据权利要求1所述的飞秒激光在玻璃中直写低损耗趋肤波导的方法，其特征在于，所述狭缝的宽度为0.5mm。
6.根据权利要求1所述的飞秒激光在玻璃中直写低损耗趋肤波导的方法，其特征在于，所述激光器的参数包括激光器的输出波长、脉宽、重复频率和平均功率。
7.根据权利要求6所述的飞秒激光在玻璃中直写低损耗趋肤波导的方法，其特征在于，所述激光器的输出波长为1030nm，脉宽为226fs，重复频率为1MHz，平均功率为3.5W。
8.根据权利要求1所述的飞秒激光在玻璃中直写低损耗趋肤波导的方法，其特征在于，所述三维位移载物台的移动方向表示三维位移载物台在X、Y、Z三个轴上的运动方向；所述三维位移载物台的移动速度为5-20mm/s。
9.根据权利要求1所述的飞秒激光在玻璃中直写低损耗趋肤波导的方法，其特征在于，所述波导的深度为波导中心距离玻璃样品上表面的距离。
10.根据权利要求1所述的飞秒激光在玻璃中直写低损耗趋肤波导的方法，其特征在于，所述趋肤波导的深度范围为5-20μm，截面直径为12±2μm；且在显微镜下观察所述趋肤波导的截面，对应截面形貌椭圆度为0.922，模斑尺寸为18.4×17.4μm。
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