RU2726738C1 - Method of creating refraction index structures inside a sample from transparent material and a device for its implementation - Google Patents
Method of creating refraction index structures inside a sample from transparent material and a device for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2726738C1 RU2726738C1 RU2019143020A RU2019143020A RU2726738C1 RU 2726738 C1 RU2726738 C1 RU 2726738C1 RU 2019143020 A RU2019143020 A RU 2019143020A RU 2019143020 A RU2019143020 A RU 2019143020A RU 2726738 C1 RU2726738 C1 RU 2726738C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sample
- refractive index
- femtosecond laser
- transparent material
- microlens
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
- B23K26/082—Scanning systems, i.e. devices involving movement of the laser beam relative to the laser head
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
- G02B6/02057—Optical fibres with cladding with or without a coating comprising gratings
- G02B6/02076—Refractive index modulation gratings, e.g. Bragg gratings
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Optical Integrated Circuits (AREA)
- Laser Beam Processing (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области оптического приборостроения и может найти применение для изготовления оптических волноводов в объеме прозрачных материалов, волоконных брэгговских решеток, длиннопериодных решеток показателя преломления, представляющих собой периодическую структуру показателя преломления, сформированную в сердцевине волоконного световода.The invention relates to the field of optical instrumentation and can be used for the manufacture of optical waveguides in the volume of transparent materials, fiber Bragg gratings, long-period gratings of the refractive index, which is a periodic structure of the refractive index formed in the core of the optical fiber.
Оптические волноводы применяются в различных областях науки и техники для передачи излучения от одного оптического элемента или устройства к другому, в оптических линиях связи для мультиплексирования/демультиплексирования каналов, для создания элементов интегральной оптики.Optical waveguides are used in various fields of science and technology for transmitting radiation from one optical element or device to another, in optical communication lines for multiplexing / demultiplexing channels, for creating integrated optics elements.
Волоконные брэгговские и длиннопериодные решетки показателя преломления широко применяются в различных областях науки и техники, например, в качестве точечных отражателей резонаторов волоконных лазеров, чувствительных элементов волоконных сенсорных систем.Fiber Bragg and long-period refractive index gratings are widely used in various fields of science and technology, for example, as point reflectors of fiber laser resonators, sensitive elements of fiber sensor systems.
Известно техническое решение создания волноводных структур показателя преломления в объеме прозрачных материалов (Патент US 20020076655 «Direct writing of optical devices in silica-based glass using femtosecond pulse lasers», МПК B23K 26/00; B23K 26/06; C03C 23/00; G02B 6/13; G02B 6/132; G11C 13/04; G02B 6/12 опубликован 20.00.2002), в котором запись волноводных структур преломления осуществляется за счет фокусировки фемтосекундного лазерного излучения в объеме стеклянной подложки и перемещения фокальной области вдоль образца с определенной скоростью, при которой обеспечивается увеличение величины показателя преломления в фокальной области без разрушения материала.A technical solution is known for creating waveguide structures of the refractive index in the volume of transparent materials (US Patent 20020076655 "Direct writing of optical devices in silica-based glass using femtosecond pulse lasers", IPC B23K 26/00; B23K 26/06; C03C 23/00; G02B 6/13; G02B 6/132; G11C 13/04; G02B 6/12 published on 20.00.2002), in which the recording of waveguide refractive structures is carried out by focusing femtosecond laser radiation in the volume of the glass substrate and moving the focal region along the sample at a certain speed , which provides an increase in the value of the refractive index in the focal region without destroying the material.
Недостатком данного метода записи волноводных структур является несимметричность поперечного сечения волновода из-за различий в размерах модификации в поперечном и продольном направлении, а также зависимость размера поперечного сечения волновода от условий фокусировки (от числовой апертуры фокусирующего объектива).The disadvantage of this method of recording waveguide structures is the asymmetry of the waveguide cross-section due to differences in the modification sizes in the transverse and longitudinal directions, as well as the dependence of the waveguide cross-section size on the focusing conditions (on the numerical aperture of the focusing lens).
Известно техническое решение для формирования волноводов с симметричным поперечным сечением в объеме стеклянного образца, представленное в статье (М. Ams, G.D. Marshall, D.J. Spence, and M.J. Withford, "Slit beam shaping method for femtosecond laser direct-write fabrication of symmetric waveguides in bulk glasses," Opt. Express 13, 5676-5681 (2005).), в котором вышеперечисленные недостатки прямой записи волноводов устранены за счет использования астигматического пучка (с различными размерами вдоль ортогональных осей) в процессе записи волноводов. В данном случае при определенном соотношении размеров пучка удается получить симметричную область модификации показателя преломления.Known technical solution for the formation of waveguides with a symmetric cross-section in the volume of a glass sample, presented in the article (M. Ams, GD Marshall, DJ Spence, and MJ Withford, "Slit beam shaping method for femtosecond laser direct-write fabrication of symmetric waveguides in bulk glasses, "Opt. Express 13, 5676-5681 (2005).), in which the above disadvantages of direct waveguide recording are eliminated by using an astigmatic beam (with different sizes along the orthogonal axes) in the waveguide recording process. In this case, at a certain ratio of the beam sizes, it is possible to obtain a symmetric region of refractive index modification.
Недостатком данного метода является невозможность создания более сложных волноводных структур, например, волноводного разветвителя.The disadvantage of this method is the impossibility of creating more complex waveguide structures, for example, a waveguide splitter.
Известно техническое решение в области создания периодических структур фемтосекундным лазерным излучением внутри оптических световодов (WO 2005111677 A3 «Point-by-point femtosecond laser inscribed structures in optical fibres and sensors using the same», МПК G01L 1/24; G02B 6/02, опубликовано 24.11.2005), которое может быть использовано при изготовлении волоконных брэгговских решеток в нефоточувствительных волоконных световодах. В данном методе каждый штрих периодической структуры создается одним лазерным импульсом, сфокусированным высокоапертурным объективом в сердцевину световода. Каждый импульс следует с постоянной частотой повторения, при этом сам световод перемещается с постоянной скоростью. Таким образом, формируется периодическая структура показателя преломления внутри сердцевины световода. В представленном методе волоконный световод фиксируется только в двух точках, участок световода между этими точками испытывает провисание, что приводит к отклонению положения световода от прямолинейного и смещению положения области фокусировки внутри сердцевины волоконного световода. Для устранения данных смещений области фокусировки перемещение волоконного световода необходимо осуществлять по траектории отличной от прямолинейной, которая бы компенсировала данное провисание.A technical solution is known in the field of creating periodic structures by femtosecond laser radiation inside optical fibers (WO 2005111677 A3 "Point-by-point femtosecond laser inscribed structures in optical fibers and sensors using the same", IPC G01L 1/24; G02B 6/02, published 2005), which can be used to fabricate fiber Bragg gratings in non-photosensitive fiber light guides. In this method, each stroke of the periodic structure is created by a single laser pulse focused by a high-aperture lens into the fiber core. Each pulse follows with a constant repetition rate, while the fiber itself moves at a constant speed. Thus, a periodic structure of the refractive index is formed inside the fiber core. In the presented method, the optical fiber is fixed at only two points, the section of the optical fiber between these points experiences a sagging, which leads to a deviation of the position of the optical fiber from the rectilinear one and a displacement of the position of the focusing region inside the core of the optical fiber. To eliminate these displacements of the focusing area, the movement of the fiber light guide must be carried out along a trajectory different from a straight line, which would compensate for this sagging.
Недостатком известного технического решения является необходимость предварительной юстировки положения световода относительно области фокусировки для компенсации провисания световода, что увеличивает трудоемкость и время записи периодической структуры показателя преломления внутри сердцевины световода. Кроме того, для точного перемещения световода для компенсации провисания требуется использование дорогостоящего высокоточного 3-х координатного позиционера.The disadvantage of the known technical solution is the need for preliminary adjustment of the position of the light guide relative to the focusing area to compensate for the sagging of the light guide, which increases the labor intensity and recording time of the periodic structure of the refractive index inside the fiber core. In addition, an expensive high-precision 3-axis positioner is required to accurately move the fiber to compensate for sag.
Известно техническое решение для изготовления периодических структур показателя преломления (волоконных брэгговских решеток) в нефоточувствительных волоконных световодах, представленное в патенте (Патент RU 2610904, «Способ изготовления волоконных брэгговских решеток в нефоточувствительных волоконных световодах», МПК G02B 6/028, опубликован 17.02.2017 г.) где предлагается поточечный метод создания волоконных брэгговских решеток, основанный на протяжке нефоточувствительного волоконного световода через прозрачную ферулу со шлифованной боковой гранью для эффективной фокусировки лазерного излучения в сердцевину нефоточувствительного волоконного световода. Протяжка осуществляется с помощью высокоточного линейного позиционера. В данном случае проблема провисания световода решается, поскольку область фокусировки относительно сердцевины световода не изменяется при протяжке световода.Known technical solution for the manufacture of periodic structures of the refractive index (fiber Bragg gratings) in non-photosensitive fiber light guides, presented in the patent (Patent RU 2610904, "Method of manufacturing fiber Bragg gratings in non-photosensitive fiber light guides", IPC G02B 6/028, published on 17.02.2017 .) where a point-by-point method for creating fiber Bragg gratings is proposed, based on drawing a non-photosensitive fiber light guide through a transparent ferrule with a polished lateral face for efficient focusing of laser radiation into the core of a non-photosensitive fiber light guide. The feed is carried out using a high-precision linear positioner. In this case, the problem of the fiber slack is solved, since the focusing area relative to the fiber core does not change when the fiber is pulled.
Недостатком известного технического решения является малое значение поперечного размера области модификации, определяемое условиями фокусировки излучения высокоапертурным объективом, что приводит к неэффективному взаимодействию излучения, распространяющегося по сердцевине световода, с периодической структурой и, следовательно, к низкому значению коэффициента отражения от данной структуры. По этой причине для увеличения коэффициента отражения необходимо либо повышать величину изменения показателя преломления области модификации с помощью увеличения энергии лазерных импульсов, либо увеличивать общую длину структуры. В первом случае чрезмерное увеличение энергии лазерных импульсов может привести к возникновению явления оптического пробоя в материале и, следовательно, к возникновению существенных оптических потерь в структуре, что нежелательно для многих прикладных задач, где используются волоконные решетки показателя преломления. Во втором случае при записи длинных ВБР могут накапливаться ошибки в позиционировании, что может привести к искажению идеальной формы спектра ВБР.The disadvantage of the known technical solution is the small value of the transverse size of the modification area, determined by the conditions of focusing the radiation with a high-aperture lens, which leads to ineffective interaction of radiation propagating along the fiber core with a periodic structure and, consequently, to a low value of the reflection coefficient from this structure. For this reason, to increase the reflection coefficient, it is necessary either to increase the change in the refractive index of the modification region by increasing the energy of laser pulses, or to increase the total length of the structure. In the first case, an excessive increase in the energy of laser pulses can lead to the appearance of the phenomenon of optical breakdown in the material and, hence, to the appearance of significant optical losses in the structure, which is undesirable for many applied problems where fiber gratings of the refractive index are used. In the second case, when recording long FBGs, positioning errors can accumulate, which can lead to distortion of the ideal shape of the FBG spectrum.
Известно техническое решение, представленное в статье [P. Lu, S.J. Mihailov, Н. Ding, D. Grobnic, R.B. Walker, D. Coulas, C. Hnatovsky, and A.Y. Naumov, "Plane-by-Plane Inscription of Grating Structures in Optical Fibers," J. Light. Technol. 36, 926-931 (2018).]. Способ основан на использовании астигматического гауссова пучка при записи, который формируется цилиндрической линзой, расположенной перед фокусирующим объективом. При фокусировке астигматического гауссова пучка наблюдается формирования двух каустик с взаимно-перпендикулярным расположением: меридиональную и сагиттальную, которые представляет собой две полоски (вертикальная и горизонтальная). Таким образом, располагая одну из каустик в сердцевине, перпендикулярно оси световода, возможно, получить область модификации с поперечным размером равным диаметру сердцевины, поэтому излучение, распространяющееся по сердцевине, будет эффективно отражаться от такой структуры.Known technical solution presented in the article [P. Lu, S.J. Mihailov, H. Ding, D. Grobnic, R.B. Walker, D. Coulas, C. Hnatovsky, and A.Y. Naumov, "Plane-by-Plane Inscription of Grating Structures in Optical Fibers," J. Light. Technol. 36, 926-931 (2018).]. The method is based on the use of an astigmatic Gaussian beam during recording, which is formed by a cylindrical lens located in front of the focusing lens. When focusing an astigmatic Gaussian beam, the formation of two caustics with a mutually perpendicular arrangement is observed: meridional and sagittal, which are two stripes (vertical and horizontal). Thus, by placing one of the caustics in the core, perpendicular to the fiber axis, it is possible to obtain a modification region with a transverse size equal to the core diameter; therefore, radiation propagating along the core will be effectively reflected from such a structure.
Недостатками данного технического решения является фиксированный поперечный размер области модификации, определяемый фокусным расстоянием цилиндрической линзы, что ограничивает запись ВБР в световодах с различными диаметрами сердцевины, а также высокое значение величины энергии лазерных импульсов (на порядок больше, чем при поточечной схеме записи) требуемой для записи, что может привести к повреждению оптических элементов системы.The disadvantages of this technical solution are the fixed transverse size of the modification area, which is determined by the focal length of the cylindrical lens, which limits the recording of FBGs in fibers with different core diameters, as well as the high value of the laser pulse energy (an order of magnitude higher than with a point-to-point recording scheme) required for recording , which can damage the optical elements of the system.
Известно техническое решение, представленное в статье (К. Zhou, М. Dubov, С. Mou, L. Zhang, V.К. Mezentsev, and I. Bennion, "Line-by-Line Fiber Bragg Grating Made by Femtosecond Laser," Photonics Technol. Lett. IEEE 22, 1190-1192 (2010)) где предлагается модифицированный поточечный метод записи посредством наложения соседних областей модификаций, которые образуют непрерывный трек, формирующий периодическую структуру ВБР. Периодическая структура формируется вследствие перемещение световода, закрепленного на высокоточном 2-х координатном позиционере, по заданной траектории движения, состоящей из прямых отрезков, расположенных поперек и вдоль оси волокна. Период периодической структуры равен в данном случае длине отрезка прямой вдоль волокна. При этом с помощью синхронизации открывания/закрывания лазерного затвора модификация показателя преломления осуществляется только в сердцевине световода. В данном случае, поскольку поперечный размер области модификации показателя преломления будет сопоставим или равен диаметру сердцевины световода, излучение, распространяющееся по сердцевине, будет эффективно отражаться от такой структуры.Known technical solution presented in the article (K. Zhou, M. Dubov, C. Mou, L. Zhang, V. K. Mezentsev, and I. Bennion, "Line-by-Line Fiber Bragg Grating Made by Femtosecond Laser," Photonics Technol. Lett. IEEE 22, 1190-1192 (2010)) which proposes a modified point-to-point recording method by superimposing adjacent modification regions that form a continuous track forming a periodic FBG structure. The periodic structure is formed due to the movement of the light guide, fixed on a high-precision 2-axis positioner, along a given trajectory of motion, consisting of straight segments located across and along the fiber axis. The period of the periodic structure is in this case equal to the length of a straight line segment along the fiber. In this case, by means of the synchronization of opening / closing the laser shutter, the refractive index is modified only in the fiber core. In this case, since the transverse size of the refractive index modification region will be comparable to or equal to the diameter of the fiber core, the radiation propagating along the core will be effectively reflected from such a structure.
Недостатком известного технического решения является низкая скорость записи структур, поскольку для создания каждого штриха решетки требуется сместить весь участок световода на величину, превышающую диаметр сердцевины световода, а также необходимость использования высокоточного 2-х координатного позиционера.The disadvantage of the known technical solution is the low speed of writing structures, since to create each line of the grating, it is required to displace the entire section of the fiber by an amount exceeding the diameter of the fiber core, as well as the need to use a high-precision 2-axis positioner.
Известно техническое решение, представленное в схеме записи с помощью сканирования сердцевины с помощью развертки лазерного пучка (патент РФ 2695286, «Устройство для создания периодических структур показателя преломления внутри прозрачных материалов», МПК G02B 6/00, опубликовано 22.07.2019 г.) и выбранное в качестве прототипа. В данном случае создание периодической структуры показателя преломления создается за счет смещения в поперечном к оси волокна направлении с помощью устройства сканирования (развертки) сфокусированного пучка лазерного излучения в фокальной плоскости объектива, которое осуществляется с помощью сканирующего модуля, изменяющего угол наклона сколлимированного пучка лазера на входной апертуре микрообъектива. При этом сканерный модуль состоит из двух собирающих линз, рефрактивной плоскопараллельной пластинки, выполненной из оптически прозрачного материала, вращение которой приводит к наклону сколлимированного пучка лазера на входной апертуре микрообъектива. Данное техническое решение является наиболее близким аналогом предлагаемому изобретению.A known technical solution is presented in the recording scheme by scanning the core using a laser beam sweep (RF patent 2695286, "Device for creating periodic structures of the refractive index inside transparent materials", IPC G02B 6/00, published on July 22, 2019) and selected as a prototype. In this case, the creation of a periodic structure of the refractive index is created due to the displacement in the direction transverse to the fiber axis using a scanning device (sweep) of a focused laser beam in the focal plane of the objective, which is carried out using a scanning module that changes the angle of inclination of the collimated laser beam at the entrance aperture micro lens. In this case, the scanner module consists of two collecting lenses, a refractive plane-parallel plate made of an optically transparent material, the rotation of which leads to a tilt of the collimated laser beam at the entrance aperture of the microlens. This technical solution is the closest analogue of the proposed invention.
Недостатком описанного технического решения является сравнительно низкая область сканирования, определяемая толщиной пластинки и углом поворота пластинки, что важно для записи ВБР в многомодовых световодах с большим диаметром световедущей сердцевины.The disadvantage of the described technical solution is the relatively low scanning area, determined by the thickness of the plate and the angle of rotation of the plate, which is important for recording FBGs in multimode fibers with a large diameter of the light-guiding core.
Перед авторами ставилась задача разработать способ создания различных структур показателя преломления внутри образца из прозрачного материала с различной областью модификации показателя преломления и устройство для его реализации.The authors were tasked with developing a method for creating different structures of the refractive index inside a sample from a transparent material with a different region of refractive index modification and a device for its implementation.
Поставленная задача решается тем, что разработан способ создания структуры показателя преломления внутри образца из прозрачного материала воздействием на образец сфокусированного пучка излучения фемтосекундного лазера, при котором одновременно с подачей пучка излучения обеспечивают сканирование образца путем формирования наклонного падения пучка на апертуру микрообъектива на заданный угол α, определяющий поперечный размер 2Δх2 структуры показателя преломления в образце 2Δх2≈2αƒ3, где Δх2 - амплитуда сканирования, ƒ3 - фокусное расстояние микрообъектива, а угол падения пучка фемтосекундного лазерного излучения на апертуру микрообъектива, и перемещают образец в направлении, перпендикулярном перемещению пучка.The problem is solved by the fact that a method has been developed for creating the structure of the refractive index inside a sample of a transparent material by exposing the sample to a focused beam of femtosecond laser radiation, in which simultaneously with the supply of the radiation beam, scanning of the sample is provided by forming an oblique incidence of the beam on the microlens aperture at a given angle α, which determines the transverse size 2Δx 2 of the refractive index structure in the sample is 2Δx 2 ≈2αƒ 3 , where Δх 2 is the scanning amplitude, ƒ 3 is the focal length of the microlens, and the angle of incidence of the femtosecond laser beam on the microlens aperture, and the sample is moved in a direction perpendicular to the beam movement.
При этом:Wherein:
Для создания однородных волоконных брэгговских решеток задают сканирование в поперечном к оси образца, выполненного в виде оптического световода диаметром D, направлении по синусу с частотой νs и перемещают оптический световод, с постоянной скоростью V вдоль оси оптического световода, при этом, период однородных ВБР будет равен Λ=V/(2νs), причем амплитуда сканирования Δх2 должна быть больше диаметра сердцевины оптического световода D.To create homogeneous fiber Bragg gratings, scanning is set transverse to the axis of the sample, made in the form of an optical fiber with a diameter D, in a sinus direction with a frequency ν s, and the optical fiber is moved at a constant speed V along the axis of the optical fiber, while the period of uniform FBGs will be is equal to Λ = V / (2ν s ), and the scanning amplitude Δх 2 must be greater than the diameter of the optical fiber core D.
Для создания наклонных волоконных брэгговских решеток внутри образца из прозрачного материала, осуществляют развертку пучка фемтосекундного лазерного излучения, при этом функцию сканирования пучка фемтосекундного лазерного излучения задают в виде треугольной функции при непрерывном перемещении оптического световода вдоль оси световода, при этом угол наклона штрихов волоконной брэгговской решетки α в данном случае зависит как от скорости перемещения оптического световода V, так и от частоты сканирования луча ν: tg(α)=V/(2Dνs).To create inclined fiber Bragg gratings inside a sample of a transparent material, a beam of femtosecond laser radiation is scanned, while the function of scanning the beam of femtosecond laser radiation is set in the form of a triangular function with continuous movement of the optical fiber along the axis of the fiber, with the angle of inclination of the lines of the fiber Bragg grating α in this case depends both on the speed of movement of the optical fiber V and on the scanning frequency of the beam ν: tan (α) = V / (2Dν s ).
Для создания длиннопериодных решеток показателя преломления внутри образца из прозрачного материала, производят наложение соседних треков, формирующих периодическую структуру показателя преломления с периодом Λ=2Vτ, где τ - время, в течение которого осуществляют подачу пучка излучения, V - скорость перемещения оптического световода.To create long-period gratings of the refractive index inside the sample made of a transparent material, the adjacent tracks are superimposed, forming a periodic structure of the refractive index with a period Λ = 2Vτ, where τ is the time during which the radiation beam is supplied, V is the speed of movement of the optical fiber.
Для создания однородных волноводных структур показателя преломления с увеличенным по отношению к невозмущенной части значением показателя преломления внутри образца из прозрачного материала, производят наложение соседних треков, при непрерывном перемещении образца, при этом поперечный размер волноводной структуры D равен 2Δх2.To create homogeneous waveguide structures of the refractive index with an increased value of the refractive index in relation to the unperturbed part inside the sample made of a transparent material, the adjacent tracks are superimposed with continuous movement of the sample, while the transverse dimension of the waveguide structure D is equal to 2Δx 2 .
Для создания волноводных структур показателя преломления с разветвлением внутри образца из прозрачного материала осуществляют синхронизацию моментов подачи пучка фемтосекундного лазера и формирование наклонного падения пучка на апертуру микрообъектива, при этом, диаметр оптической волноводной структуры D=2×τ×νs×Δx2, где τ - время, в течение которого осуществляют подачу пучка излучения, νs - частота сканирования пучка фемтосекундного лазерного излучения, а расстояние на которое можно развести оптические волноводы равно d=2Δх2-D-2τc×νs×Δх2=2Δх2(1-τ×νs-τс×νs), где τс - время, в течение которого не происходит подачи излучения, при непрерывном перемещении образцаTo create waveguide structures of the refractive index with branching inside a sample of a transparent material, synchronization of the moments of feeding the femtosecond laser beam and the formation of an oblique incidence of the beam on the microobjective aperture are carried out, while the diameter of the optical waveguide structure is D = 2 × τ × ν s × Δx 2 , where τ is the time during which the radiation beam is supplied, ν s is the scanning frequency of the femtosecond laser beam, and the distance to which the optical waveguides can be separated is d = 2Δx 2 -D-2τ c × ν s × Δx 2 = 2Δx 2 (1 -τ × ν s -τ s × ν s ), where τ s is the time during which no radiation is applied, with continuous movement of the sample
Способ может быть реализован с помощью устройства, которое содержит виброизолированный стенд, на котором размещен позиционер для размещения изготавливаемого образца из прозрачного материала, фемтосекундный лазер, содержащий затвор, и сканерный модуль, который содержит последовательно оптически связанные и формирующие оптическую ось схемы устройства, первую собирающую линзу, вторую собирающую линзу, расположенные друг относительно друга на расстоянии равном сумме фокусных расстояний первой и второй собирающих линз, микрообъектив, расположенный на расстоянии, равном фокусному расстоянию второй собирающей линзы сканерного модуля, отличающийся тем, что, согласно изобретению, в сканерный модуль введено оптически связанное с первой и второй собирающими линзами поворотное зеркало, которое выполнено с возможностью вращения вокруг оси, перпендикулярной оптической оси схемы устройства, устройство также дополнительно оснащено блоком анализа, который предназначен для одновременного формирования управляющих сигналов для позиционера и затвора фемтосекундного лазера и осуществления позиционирования латерального смещения пучка фемтосекундного лазерного излучения в область фокусировки посредством вращения поворотного зеркала в соответствии с зависимостьюThe method can be implemented using a device that contains a vibration-insulated stand, which houses a positioner for placing a manufactured sample from a transparent material, a femtosecond laser containing a shutter, and a scanner module that contains sequentially optically connected and forming the optical axis of the device circuits, the first collecting lens , a second collecting lens, located relative to each other at a distance equal to the sum of the focal lengths of the first and second collecting lenses, a microlens located at a distance equal to the focal length of the second collecting lens of the scanner module, characterized in that, according to the invention, an optically coupled with the first and second collecting lenses, a rotary mirror, which is made with the possibility of rotation about an axis perpendicular to the optical axis of the device circuit, the device is also additionally equipped with an analysis unit, which is designed to simultaneously form a unit control signals for the positioner and shutter of the femtosecond laser and for the positioning of the lateral displacement of the femtosecond laser radiation beam into the focusing area by rotating the rotary mirror in accordance with the dependence
где ƒ3 - фокусное расстояние микрообъектива, α угол падения пучка фемтосекундного лазерного излучения на апертуру микрообъектива, ƒ1 - фокусное расстояния первой собирающей линзы и ƒ2 - фокусное расстояния второй собирающей линзы, θ - угол поворота поворотного зеркала, а позиционер расположен таким образом, чтобы изготавливаемый образец был в фокусе микрообъектива, выполнен с возможностью перемещения.where ƒ 3 is the focal length of the microlens, α is the angle of incidence of the femtosecond laser beam on the aperture of the microlens, ƒ 1 is the focal length of the first converging lens and ƒ 2 is the focal length of the second converging lens, θ is the angle of rotation of the rotating mirror, and the positioner is located in such a way, so that the sample to be produced is in the focus of the microlens, is made movable.
Для создания структур показателя преломления внутри световода, последний должен быть размещен в прозрачной феруле со шлифованной боковой гранью, обращенной к излучениюTo create structures of the refractive index inside the fiber, the latter must be placed in a transparent ferrule with a polished side face facing the radiation
Техническим результатом заявляемого технического решения является возможность изменения размера области сканирования внутри прозрачного материала, увеличение скорости изготовления структур показателя преломления, уменьшение энергии лазерного излучения, требуемой для создания структур показателя преломления, уменьшение потерь при распространении оптического сигнала, вызванных несимметричностью поперечного сечения волновода, повышение точности изготовления структур, а также в расширении ассортимента средств данного назначения.The technical result of the proposed technical solution is the ability to change the size of the scanned area inside the transparent material, increase the speed of production of refractive index structures, decrease the laser radiation energy required to create refractive index structures, reduce losses during the propagation of an optical signal caused by asymmetry of the waveguide cross-section, increase manufacturing accuracy structures, as well as in expanding the range of products for this purpose.
На фиг. 1 представлена схема заявляемого способа изготовления структур показателя преломления внутри образца из прозрачного материала, где 1 - позиционер, 2 - виброизолированный стенд, 3 - образец из прозрачного материала, 4 - фемтосекундный лазер, 5 - пучок фемтосекундного лазерного излучения, 6 - сканерный модуль, 7 - первая собирающая линза, 8 - вторая собирающая линза, 9 - микрообъектив, 10 - блок анализа, 11 - поворотное зеркало.In FIG. 1 shows a diagram of the proposed method for manufacturing refractive index structures inside a sample of a transparent material, where 1 is a positioner, 2 is a vibration-insulated stand, 3 is a sample of a transparent material, 4 is a femtosecond laser, 5 is a beam of femtosecond laser radiation, 6 is a scanner module, 7 - first collecting lens, 8 - second collecting lens, 9 - microlens, 10 - analysis unit, 11 - rotary mirror.
На фиг. 2 представлены схема создания волоконных брэгговских решеток показателя преломления с помощью предложенного способа.In FIG. 2 shows a diagram of the creation of fiber Bragg gratings of the refractive index using the proposed method.
На Фиг. 3 представлена схема создания наклонных волоконных брэгговских решеток внутри образца из прозрачного материала.FIG. 3 shows a diagram of the creation of inclined fiber Bragg gratings inside a sample of a transparent material.
На Фиг. 4 представлена схема создания длиннопериодных волоконных решеток показателя преломления внутри образца из прозрачного материала.FIG. 4 shows a diagram of the creation of long-period fiber gratings of the refractive index inside a sample of a transparent material.
На Фиг. 5 представлена схема создания волноводных структур показателя преломления внутри образца из прозрачного материала.FIG. 5 shows a diagram of the creation of waveguide structures of the refractive index inside a sample of a transparent material.
На Фиг. 6 представлены схема создания волноводных структур показателя преломления с разветвлением внутри образца из прозрачного материала.FIG. 6 shows a diagram of the creation of waveguide structures of the refractive index with branching inside a sample of a transparent material.
Заявляемый способ создания структур показателя преломления внутри прозрачных материалов позволяет создавать различные волноводные и периодические структуры показателя преломления внутри образца из прозрачного материала с помощью предложенного устройства следующим образом.The inventive method for creating structures of the refractive index inside transparent materials makes it possible to create various waveguide and periodic structures of the refractive index inside a sample of a transparent material using the proposed device as follows.
Устройство включает в себя позиционер 1, который размещен на виброизолированном стенде 2, и с расположенным на позиционере 1 изготавливаемым образцом из прозрачного материала 3. Далее содержит оптически последовательно связанные, и, формирующие оптическую ось схемы устройства, фемтосекундный лазер 4, который выполнен содержащим затвор, микрообъектив 9 и сканерный модуль 6, который содержит первую собирающую линзу 7, вторую собирающую линзу 8. Пучок фемтосекундного лазерного излучения 5 фемтосекундного лазера 4 с постоянной частотой следования и энергией импульсов через сканерный модуль 6, который содержит оптически связанные первую собирающую линзу 7, вторую собирающую линзу 8, микрообъектив 9 и с помощью микрообъектива 9, с числовой апертурой NA>0.5 и фокусным расстоянием ƒ3, фокусируется через шлифованную боковую грань внутрь образца из прозрачного материала 3, выполненного из материала прозрачного для излучения фемтосекундного лазера, например образец из прозрачного материала выполнен в виде прозрачной ферулы со шлифованной боковой гранью и размещенным внутри нее оптическим световодом. При этом, с помощью сканерного модуля 6 осуществляется развертка сфокусированного лазерного пучка в области образца из прозрачного материала 3. Задача сканерного модуля 6 создавать изменение угла наклона сколлимированного пучка фемтосекундного лазерного излучения 5 на входной апертуре микрообъектива 9.The device includes a
Сканерный модуль 6 (Фиг. 1) дополнительно оснащен поворотным зеркалом 11, которое выполняют с возможностью вращения вокруг оси перпендикулярной оптической оси схемы устройства и которое оптически связано с первой собирающей линзой 7, второй собирающей линзой 8, с соответствующими фокусными расстояниями ƒ1 и ƒ2. Поворотное зеркало 11 закреплено на оси ротора электродвигателя или гальваносканера, ось вращения поворотного зеркала 11 перпендикулярна оптической оси схемы устройства (Фиг. 1) и перпендикулярно плоскости падения пучка фемтосекундного лазерного излучения 5. Расстояние между поворотным зеркалом 11 и первой собирающей линзой 7 равно ƒ1, между линзами - L1=ƒ1+ƒ2, а между микрообъективом 9 и второй собирающей линзой 8-L2=ƒ2. При повороте поворотного зеркала 11 на угол θ происходит латеральное смещение пучка фемтосекундного лазерного излучения 5 на второй собирающей линзе 8 на величину Δx1≈2θƒ1, а после коллимации второй собирающей линзой 8 угол падения α на апертуру микрообъектива 9 составляет α≈Δxi/ƒ2.The scanner module 6 (Fig. 1) is additionally equipped with a pivoting
Создание структуры показателя преломления внутри изготавливаемого образца из прозрачного материала 3 осуществляют посредством одновременного формирования управляющих сигналов для позиционера 1, и затвора фемтосекундного лазера 4 и позиционированием латерального смещения пучка фемтосекундного лазерного излучения 5 в область фокусировки посредством блока анализа 10 по формулеThe creation of the structure of the refractive index inside the manufactured sample from the
, где f3 - фокусное расстояние микрообъектива 9, α угол падения пучка фемтосекундного лазерного излучения 5 на апертуру микрообъектива 9, f1 - фокусное расстояния первой собирающей линзы 7 и f2 - фокусное расстояния второй собирающей линзы 8, θ - угол поворота поворотного зеркала 11., where f3 is the focal length of the microlens 9, α is the angle of incidence of the
Соотношение фокусных расстояний первой собирающей линзы 7 и второй собирающей линзы 8 позволяет управлять диаметром пучка фемтосекундного лазерного излучения 5 на апертуре микрообъектива 9 а 2, по отношению к исходному диаметру а 1 в плоскости первой собирающей линзы 7 по формуле:The ratio of the focal lengths of the
, где а 2 - диаметр пучка фемтосекундного лазерного излучения 5 на апертуре микрообъектива 9, f1 - фокусное расстояния первой собирающей линзы 7 и f2 - фокусное расстояния второй собирающей линзы 8., where a 2 is the diameter of the
Схема создания волоконных брэгговских решеток внутри образца из прозрачного материала, например в оптическом световоде, с помощью заявляемого способа представлена на фиг. 2, где окружность изображает модификацию от одиночного импульса пучка фемтосекундного лазерного излучения 5. При наложении данных модификаций формируется непрерывный трек с измененной структурой показателя преломления. Таким образом, задавая сканирование в поперечном к оси оптического световода (диаметра D) направлении по синусу с частотой νs и перемещая оптический световод, с постоянной скоростью V, посредством позиционера, возможно создание однородных ВБР. При этом, период однородных ВБР будет равен Λ=V/(2νs). При этом, амплитуда сканирования Δх2 должна быть больше диаметра сердцевины оптического световода D для эффективного взаимодействия пучка фемтосекундного лазерного излучения с волоконной брэгговской решеткой и отсутствия угла наклона штрихов волоконной брэгговской решетки.A diagram of the creation of fiber Bragg gratings inside a sample of a transparent material, for example in an optical fiber, using the proposed method is shown in Fig. 2, where the circle depicts a modification from a single pulse of a
На Фиг. 3 представлена схема изготовления наклонных волоконных брэгговских решеток внутри образца из прозрачного материала, например в оптическом световоде, с помощью развертки пучка фемтосекундного лазерного излучения. В данном случае функция сканирования пучка фемтосекундного лазерного излучения задается в виде треугольной функции при непрерывном перемещении оптического световода позиционером. Угол наклона штрихов волоконной брэгговской решетки α в данном случае зависит как от скорости перемещение оптического световода V, так и от частоты сканирования луча ν: tg(α)=V/(2Dνs).FIG. 3 shows a diagram of the fabrication of tilted fiber Bragg gratings inside a sample of a transparent material, for example, in an optical fiber, by scanning a beam of femtosecond laser radiation. In this case, the function of scanning the beam of femtosecond laser radiation is set as a triangular function with continuous movement of the optical fiber by the positioner. In this case, the angle of inclination of the grooves of the fiber Bragg grating, α, depends both on the velocity V of the optical fiber and on the scanning frequency of the beam ν: tan (α) = V / (2Dν s ).
На Фиг. 4 представлена схема создания длиннопериодных решеток показателя преломления внутри образца из прозрачного материала, например, в оптическом световоде. В данном случае, при наложении соседних треков и модуляции энергии импульсов, возможно, создание периодической структуры показателя преломления с периодом Λ=2Vτ, где τ - время, в течение которого открыт затвор фемтосекундного лазера.FIG. 4 shows a diagram of the creation of long-period gratings of the refractive index inside a sample of a transparent material, for example, in an optical fiber. In this case, by superimposing adjacent tracks and modulating the pulse energy, it is possible to create a periodic structure of the refractive index with a period Λ = 2Vτ, where τ is the time during which the shutter of the femtosecond laser is open.
На Фиг. 5 представлена схема создания волноводных структур показателя преломления внутри образца из прозрачного материала, например оптическом волноводе. В данном случае, при наложении соседних треков, возможно, создание, например, однородной волноводной структуры показателя преломления с увеличенным по отношению к невозмущенной части значением показателя преломления. При этом, поперечный размер волноводной структуры D равен 2Δx2.FIG. 5 shows a diagram of the creation of waveguide structures of the refractive index inside a sample of a transparent material, for example, an optical waveguide. In this case, when superimposing adjacent tracks, it is possible to create, for example, a homogeneous waveguide structure of the refractive index with an increased refractive index value relative to the unperturbed part. In this case, the transverse dimension of the waveguide structure D is equal to 2Δx 2 .
На Фиг. 6 представлена схема создания волноводных структур показателя преломления с разветвлением внутри образца из прозрачного материала. В данном случае, с помощью синхронизации моментов открытия и закрытия затвора фемтосекундного лазера с вращением поворотного зеркала, возможно создание разветвителя, который будет разделять излучение по двум оптическим волноводам, создаваемых в процессе создания, например волноводных структур показателя преломления. При этом, диаметр оптической волноводной структуры D=2×τ×νs×Δx2, где τ - время, в течение которого открыт затвор фемтосекундного лазера, νs - частота сканирования пучка фемтосекундного лазерного излучения, а расстояние на которое можно развести оптические волноводы равно d=2Δх2-D-2τс×νs×Δх2=2Δх2(1-τ×νs-τс×νs), где τс - время, в течение которого закрыт затвор фемтосекундного лазера.FIG. 6 shows a diagram of the creation of waveguide structures of the refractive index with branching inside a sample of a transparent material. In this case, by synchronizing the moments of opening and closing the shutter of the femtosecond laser with the rotation of the bending mirror, it is possible to create a splitter that will separate the radiation along two optical waveguides created in the process of creating, for example, waveguide structures of the refractive index. In this case, the diameter of the optical waveguide structure is D = 2 × τ × ν s × Δx 2 , where τ is the time during which the shutter of the femtosecond laser is open, ν s is the scanning frequency of the femtosecond laser beam, and the distance to which the optical waveguides can be separated is equal to d = 2Δx 2 -D-2τ s × ν s × Δx 2 = 2Δx 2 (1-τ × ν s -τ s × ν s ), where τ s is the time during which the shutter of the femtosecond laser is closed.
Таким образом, заявленный способ позволяет изготавливать периодические структуры показателя преломления (однородные ВБР, ВБР с наклонными штрихами, а также длиннопериодные решетки показателя преломления) внутри прозрачных материалов, методом развертки пучка фемтосекундного лазерного излучения, что существенно увеличивает скорость изготовления волоконных брэгговских решеток показателя преломления, а также упрощает схему создания структур показателя преломления, поскольку в ней не требуется использования 2-х координатных высокоточных позиционеров. Кроме того, данный способ позволяет создавать волноводные структуры показателя преломления с различным поперечным сечением.Thus, the claimed method makes it possible to produce periodic structures of the refractive index (homogeneous FBGs, FBGs with oblique grooves, as well as long-period gratings of the refractive index) inside transparent materials, by scanning a beam of femtosecond laser radiation, which significantly increases the speed of fabrication of fiber Bragg gratings of the refractive index, and also simplifies the design of refractive index structures, since it does not require the use of 2-axis high-precision positioners. In addition, this method makes it possible to create waveguide structures of the refractive index with different cross sections.
Технический результат достигается за счет увеличения чувствительности величины смещения Δх2 от угла поворота поворотного зеркала θ, т.е. для достижения одного и того же смещения будет требоваться гораздо меньший угол поворота. Кроме того, с помощью управления положением затвора фемтосекундного лазера в открытом или закрытом положении одновременно (синхронно) с поворотом зеркала, возможно контролировать поперечный размер модификации величины смещения Δх2 от угла поворота поворотного зеркала θ, а также создавать более сложные структуры с различным поперечным сечением. Технический эффект уменьшения потерь, вызванных несимметричностью поперечного сечения волновода, достигается за счет создания волноводов с симметричным поперечным сечением. Повышение точности изготовления структур показателя преломления достигается за счет отсутствия эффекта «провисания» оптического световода.The technical result is achieved by increasing the sensitivity of the value of the displacement Δx 2 from the angle of rotation of the rotary mirror θ, i.e. a much smaller angle of rotation will be required to achieve the same offset. In addition, by controlling the position of the shutter of the femtosecond laser in the open or closed position simultaneously (synchronously) with the rotation of the mirror, it is possible to control the lateral size of the modification of the value of the displacement Δx 2 from the angle of rotation of the rotating mirror θ, and also to create more complex structures with different cross sections. The technical effect of reducing the losses caused by the asymmetry of the waveguide cross-section is achieved by creating waveguides with a symmetrical cross-section. An increase in the accuracy of fabrication of refractive index structures is achieved due to the absence of the effect of "sagging" of the optical fiber.
Преимуществом заявляемого технического решения также является уменьшение веса устройства за счет применения поворотного зеркала по сравнению с массивной рефрактивной пластинкой.The advantage of the proposed technical solution is also the reduction in the weight of the device due to the use of a rotary mirror in comparison with a massive refractive plate.
Claims (10)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019143020A RU2726738C1 (en) | 2019-12-18 | 2019-12-18 | Method of creating refraction index structures inside a sample from transparent material and a device for its implementation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019143020A RU2726738C1 (en) | 2019-12-18 | 2019-12-18 | Method of creating refraction index structures inside a sample from transparent material and a device for its implementation |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2726738C1 true RU2726738C1 (en) | 2020-07-16 |
Family
ID=71616613
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019143020A RU2726738C1 (en) | 2019-12-18 | 2019-12-18 | Method of creating refraction index structures inside a sample from transparent material and a device for its implementation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2726738C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2778978C1 (en) * | 2021-09-21 | 2022-08-29 | Общество С Ограниченной Ответственностью Научно-Производственная Компания "Инновационное Медицинское Оборудование" | Method for point-by-point inscription of fibre bragg gratings by femtosecond laser radiation |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101576711A (en) * | 2008-12-31 | 2009-11-11 | 南开大学 | Device and method for preparing optical waveguide in transparent solid material by femtosecond laser |
| WO2013067647A1 (en) * | 2011-11-10 | 2013-05-16 | Colibri Technologies Inc. | Internal optical elements produced by irradiation-induced refractive index changes |
| US9488778B2 (en) * | 2013-04-18 | 2016-11-08 | Consiglio Nazionale Delle Ricerche | Method for realizing an optical waveguide in a substrate by means of a femtosecond laser |
| RU2695286C1 (en) * | 2018-12-17 | 2019-07-22 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (Новосибирский государственный университет, НГУ) | Device for creation of periodic structures of refraction index inside transparent materials |
-
2019
- 2019-12-18 RU RU2019143020A patent/RU2726738C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101576711A (en) * | 2008-12-31 | 2009-11-11 | 南开大学 | Device and method for preparing optical waveguide in transparent solid material by femtosecond laser |
| WO2013067647A1 (en) * | 2011-11-10 | 2013-05-16 | Colibri Technologies Inc. | Internal optical elements produced by irradiation-induced refractive index changes |
| US9488778B2 (en) * | 2013-04-18 | 2016-11-08 | Consiglio Nazionale Delle Ricerche | Method for realizing an optical waveguide in a substrate by means of a femtosecond laser |
| RU2695286C1 (en) * | 2018-12-17 | 2019-07-22 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (Новосибирский государственный университет, НГУ) | Device for creation of periodic structures of refraction index inside transparent materials |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2778978C1 (en) * | 2021-09-21 | 2022-08-29 | Общество С Ограниченной Ответственностью Научно-Производственная Компания "Инновационное Медицинское Оборудование" | Method for point-by-point inscription of fibre bragg gratings by femtosecond laser radiation |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10201874B2 (en) | Method and apparatus for realizing tubular optical waveguides in glass by femtosecond laser direct writing | |
| US7310150B2 (en) | Apparatus and method for low coherence ranging | |
| US6144449A (en) | Low coherence interferometric device | |
| US20190193208A1 (en) | Femtosecond laser inscription | |
| US20070091977A1 (en) | Method and system for forming periodic pulse patterns | |
| CN104765099B (en) | A kind of device and method for inscribing cycle adjustable optic fibre grating | |
| KR20020038707A (en) | Direct writing of optical devices in silica-based glass using femtosecond pulse lasers | |
| CN102778713A (en) | Femtosecond infrared laser point-to-point writing fiber grating system for optimized focus of beam spot | |
| CN108318963B (en) | Parallel multi-angle inclined fiber Bragg grating and preparation method thereof | |
| RU2726738C1 (en) | Method of creating refraction index structures inside a sample from transparent material and a device for its implementation | |
| US6374009B1 (en) | TEMC fiber based optical switch | |
| CN107855644A (en) | A kind of laser processing device and system | |
| RU2695286C1 (en) | Device for creation of periodic structures of refraction index inside transparent materials | |
| US7099537B2 (en) | System and method for fabricating Bragg gratings | |
| US10408995B1 (en) | Optical sensing fiber | |
| Wolf et al. | Direct core-selective inscription of Bragg grating structures in seven-core optical fibers by femtosecond laser pulses | |
| CN202995253U (en) | Y-type waveguide laser direct-writing device | |
| JP3334417B2 (en) | Method and apparatus for producing optical waveguide type diffraction grating | |
| RU2610904C1 (en) | Method of making fibre bragg gratings in non-photosensitive fibre-optic guides | |
| Ross et al. | Microlenses for astrophotonic instruments manufactured by ultrafast-laser assisted etching | |
| RU2008707C1 (en) | Optical delay line | |
| Lee et al. | Femtosecond laser microstructuring through optical fibre end faces: inscription of surface gratings and sub-surface splitters | |
| Becker et al. | Fiber Bragg grating inscription with DUV femtosecond exposure and two beam interference | |
| KR100542828B1 (en) | Apparatus for Production of High Polymer Plane Optical Waveguide using Laser Patterning | |
| Ji et al. | Inline power sensor in multimode fiber based on high-intensity femtosecond laser writing |