利用飞秒激光在透明固体材料中制作光波导的装置及方法.pdf

一种利用飞秒激光在透明固体材料中制作光波导的装置及方法。该装置包括：飞秒激光器系统、可变衰减器、分束器、功率计、显微物镜、三维移动平台和CCD探测器。制作方法是：由飞秒激光系统产生飞秒脉冲，将脉冲能量衰减至所需大小，通过显微物镜紧聚焦将飞秒脉冲垂直入射到透明材料表面以下，利用飞秒激光和材料非线性作用产生的折射率变化，从而制作出二维或三维光波导，采用多趟扫描刻写或刻写两线式波导可优化制作波导的形状和尺寸。本发明在透明固体材料中刻写掩埋波导工艺简单，可方便、高效的制作如耦合器、分束器以及用来产生二次谐波的波导等二维或三维波导结构，是一种简便、新颖而且高效的光波导制作技术，可广泛应用于集成光学领域。

1、  一种利用飞秒激光在透明固体材料中制作光波导的装置，其特征在于该装置依次包括：
飞秒激光器系统：用于提供刻写光波导的飞秒激光脉冲；
可变衰减器：根据光波导刻写需要，用于对飞秒激光器输出的飞秒激光脉冲能量进行衰减；
分束器：用于将可变衰减器衰减后的飞秒激光脉冲进行分束以便对脉冲能量进行实时监测；
功率计：飞秒激光束被分束器分束后其中一束被耦合进功率计，用于监测刻写飞秒激光脉冲的能量；
高数值孔径显微物镜：设置在分束器后面飞秒激光脉冲的主光路上，用于将飞秒激光脉冲紧聚焦；
三维移动平台：用于放置待刻写光波导的透明固体材料样品，并由计算机精确控制其二维或三维的移动。
CCD探测器：用于监测聚焦飞秒激光束的光斑尺寸及其在待刻写样品内的定位。

2、  一种使用权利要求1所述的装置在透明固体材料中制作光波导的方法，其特征在于该方法包括：
第一、将待刻写光波导的透明固体材料固定于三维移动平台上，三维移动平台由计算机自动控制；
第二、由飞秒激光器系统产生飞秒激光脉冲，并将高能量的飞秒激光脉冲经可变衰减器进行衰减；
第三、用分束器将飞秒激光脉冲分束，由功率计监测脉冲的能量大小，以便与第二步所述的可变衰减器配合将飞秒激光脉冲的能量调整至刻写光波导所需的能量水平；
第四、将调整好能量的飞秒激光脉冲由NA＝0.3～0.65的高数值孔径显微物镜紧聚焦，聚焦的飞秒激光脉冲垂直待刻写光波导的透明固体材料的xy面入射，飞秒激光脉冲的焦点位于透明固体材料xy表面下；
第五、在第四步所述的将飞秒激光入射到透明材料内部时，采用CCD探测器来监测飞秒激光焦点在待刻写波导透明固体材料样品内的定位；
第六、根据待刻写光波导的要求，使第一步所述的三维移动平台在xy面内或是在xyz三维空间沿设定路径移动以制作出二维或三维的光波导；
第七、在第六步所述的光波导刻写过程中，采用多趟扫描刻写或刻写两线式波导来优化刻写波导的形状和尺寸。

3、  根据权利要求2所述的方法，其特征在于本发明所指的透明固体材料是玻璃、融石英，或非线性晶体铌酸锂、磷酸氧钛钾，或周期极化铌酸锂和磷酸氧钛钾，或无机盐晶体。

4、  根据权利要求2所述的方法，其特征在于第二步所述的飞秒激光器系统产生的飞秒激光脉冲的中心波长为775～810nm、脉冲宽度为50～150fs、重复频率为1～5kHz。

5、  根据权利要求2所述的方法，其特征在于第二步所述经可变衰减器衰减后用于刻写光波导的飞秒激光脉冲的能量为0.1～100μJ。

6、  根据权利要求2所述的方法，其特征在于第四步、第五步所述聚焦飞秒激光脉冲的焦点位于透明固体材料表面下100～700μm。

7、  根据权利要求2所述的方法，其特征在于第六步所述的三维移动平台的移动速度为1～500μm/s。

利用飞秒激光在透明固体材料中制作光波导的装置及方法
【技术领域】：
本发明属于光波导及器件的制作技术领域，特别是二维或三维光波导及器件的制作，具体涉及利用飞秒激光在透明固体材料中制作光波导的装置和方法。
【背景技术】：
非线性透明材料如铌酸锂(LN)和磷酸氧钛钾(KTP)等在集成光学和光子学领域有着广泛的应用。目前，在集成光学的许多应用中需要在LN、KTP等透明材料中制作光波导或波导阵列，运用离子扩散和质子交换技术能够很好的制作波导结构。虽然这些技术成熟，也可以制作低传输损耗的波导，但是它们只能在靠近材料的表面制作二维光波导结构，制作三维波导非常困难。另外，运用这些技术制作波导时工艺复杂，需要使用半导体制作中如光刻、腐蚀和扩散等一些工艺。
自从第一台飞秒激光器问世以来，飞秒激光就一直受到人们的广泛关注。近年来，它在光通信、光存储、生物医学、精密加工等诸多领域显示出了巨大的应用潜力。飞秒激光峰值功率极高，可以达到10¹⁵W/cm²，飞秒激光在介质中传播时将引起十分丰富的非线性效应，如自聚焦、自散焦、灯丝效应等。1996年，Davis等人发现在透明材料中飞秒脉冲激光在其聚焦焦点附近可以诱发折射率变化。目前利用飞秒激光进行波导写制的技术已经日趋成熟，飞秒激光在晶体、玻璃、聚合物等透明材料中均可直接写入二维或三维光波导或微结构。
运用飞秒激光器进行光波导的刻写时，样品的移动方向可以和光束方向平行(平行刻写)，也可以和光束方向垂直(垂直刻写)。采用平行刻写方式时，刻写波导会具有较好的对称性和圆形形状，但受聚焦物镜的工作距离的限制而使得波导刻写的长度受限制，此种方式需要低数值孔径的显微物镜(NA≤0..3)以便使得显微物镜的工作距离尽可能的长一些。采用垂直刻写时，则波导刻写长度不受限制，然而刻写的波导截面形状为椭圆形状，采用多重扫描刻写(多次重复刻写，每次刻写时激光焦点位移一定距离)可以使得波导截面接近圆形；另外，也可以通过刻写两线式波导(刻写两条相同且相距一定距离的波导，在两条波导的中间交叠区域形成光传导区域)来获得截面接近圆形的波导。采用多重扫描刻写和刻写两线式波导既可以优化波导的截面形状，还可以控制波导的截面尺寸的大小。垂直刻写不受显微物镜数值孔径的影响，但采用高数值孔径显微物镜(NA在0.3～0.65之间)可提高焦点区的激光强度，因此增强飞秒激光与透明固体材料的非线性作用。由于垂直刻写方式不受显微物镜数值孔径的限制，而且刻写的波导长度也不受限，同时波导形状和尺寸也有多种途径来优化，因此成为刻写二维或三维波导的最常用方式。
【发明内容】：
本发明所要解决的技术问题在于克服传统光波导制作的工艺复杂以及不能制作三维波导的缺点，提供一种利用飞秒激光束在透明固体材料内部快速、高效地制作二维或三维光波导的装置和方法。
本发明采用垂直刻写方式，通过高数值孔径的显微物镜(NA在0.3～0.65之间)将飞秒激光束紧聚焦至待刻写透明固体材料样品表面下，采用多重扫描刻写或刻写两线式波导来获得波导尺寸和形状均可控的二维或三维光波导结构。
本发明提供的利用飞秒激光在透明固体材料中制作光波导的装置依次包括：
飞秒激光器系统：用于提供刻写光波导的飞秒激光脉冲；
可变衰减器：根据光波导刻写需要，用于对飞秒激光器输出的飞秒激光脉冲能量进行衰减；
分束器：用于将可变衰减器衰减后的飞秒激光脉冲进行分束以便对脉冲能量进行实时监测；
功率计：飞秒激光束被分束器分束后其中一束被耦合进功率计，用于监测刻写飞秒激光脉冲的能量；
高数值孔径显微物镜：设置在分束器后面飞秒激光脉冲的主光路上，用于将飞秒激光脉冲紧聚焦；
三维移动平台：用于放置待刻写光波导的透明固体材料样品，并由计算机精确控制其二维或三维的移动。
CCD探测器：用于监测聚焦飞秒激光束的光斑尺寸及其在待刻写样品内的定位。
一种使用以上所述的装置在透明固体材料中制作光波导的方法，该方法包括：
第一、将待刻写光波导的透明固体材料固定于三维移动平台上，三维移动平台由计算机自动控制；
第二、由飞秒激光器系统产生刻写飞秒激光脉冲，并将高能量的飞秒激光脉冲经可变衰减器进行衰减；
第三、用分束器将飞秒激光脉冲分束，由功率计监测脉冲的能量大小，以便与第二步所述的可变衰减器配合将飞秒激光脉冲的能量调整至刻写光波导所需的能量水平；
第四、将调整好能量的飞秒激光脉冲由高数值孔径(NA＝0.3～0.65)的显微物镜紧聚焦，聚焦的飞秒激光脉冲垂直待刻写光波导的透明固体材料的xy面入射，飞秒激光脉冲的焦点位于透明固体材料xy表面下；
第五、在第四步所述的将飞秒激光入射到透明材料内部时，采用CCD探测器来监测飞秒激光焦点在待刻写波导的透明材料内的定位；
第六、根据待刻写光波导的要求，使第一步所述的三维移动平台在xy面内或是在xyz三维空间沿设定路径移动以制作出二维或三维的光波导；
第七、在第六步所述的光波导刻写过程中，采用多趟扫描刻写或刻写两线式波导来优化刻写波导的形状和尺寸；
本发明所指的透明固体材料是玻璃、融石英，或非线性晶体铌酸锂、磷酸氧钛钾，或周期极化铌酸锂和磷酸氧钛钾，或无机盐晶体。
第二步所述的飞秒激光器系统产生的飞秒激光脉冲的中心波长为775～810nm、脉冲宽度为50～150fs、重复频率为1～5kHz。
第三步所述经可变衰减器衰减后用于刻写光波导的飞秒激光脉冲的能量为0.1～100μJ。
第四步、第五步所述聚焦飞秒激光脉冲的焦点位于透明固体材料表面下100～700μm。
第六步所述的三维移动平台在xy面或xyz空间内的移动速度为1～500μm/s。
本发明的优点和积极效果：
利用飞秒激光刻写光波导时(垂直刻写)，将飞秒光束聚焦到透明材料表面下一定深度，在飞秒激光聚焦区材料对飞秒脉冲的非线性吸收会导致其结构变化，导致了作用区折射率的变化。在合适的刻写参数条件下，材料折射率的变化可以允许形成光波导，基于此原理，可以刻写出各种不同的掩埋光波导结构。利用飞秒激光刻写掩埋波导工艺简单，通过精确的控制样品移动的轨迹，即可方便的制作二维或三维波导结构，因此飞秒激光刻写是一种简便、新颖而且高效的波导制作技术。
与传统的光刻等表面微加工技术相比，飞秒微加工技术的优势在于：该技术不仅可以在各种材料的表面，而且可以在内部进行光学微加工；该技术不需要设计专门的光刻模版，不需要化学处理过程，适用于加工各种特异设计的光学微结构。用飞秒激光刻写可制作光耦合器、光分束器，以及在非线性晶体或周期极化的非线性晶体中刻写用来高效产生二次谐波(SHG)的波导等。利用飞秒激光刻写透明材料制作光波导的技术可广泛应用于集成光学领域光波导的制作，可方便的制作二维或复杂结构的三维波导结构等。
【附图说明】：
图1是本发明的二维或三维波导制作装置示意图；
图2是利用本发明所述的波导制作装置和方法制作的PPLN波导。图2-a是飞秒激光垂直刻写制作PPLN波导的示意图，图2-b是制作的两线式波导的截面图，图2-c是制作的两线式波导的近场光斑模式图；
图3是基于图2制作的PPLN波导的二次谐波转换光谱图，插图是基频光的光谱图；
图4是图3所示的二次谐波转换的斜率效率。
图中，1飞秒激光器，2可变衰减器，3分束器，4功率计，5显微物镜，6带刻写光波导的透明固体材料，7计算机控制的三维移动平台，8CCD探测器。
【具体实施方式】：
现结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。
实施例1、光波导的制作装置
如图1所示，该制作装置依次包括：
飞秒激光器系统1：用于提供刻写光波导的飞秒激光脉冲；
可变衰减器2：根据光波导刻写需要，用于对飞秒激光器输出的高能量飞秒激光脉冲进行衰减；
分束器3：用于将可变衰减器衰减后的飞秒激光脉冲进行分束；
功率计4：飞秒激光束被分束器分束后其中一束被耦合进功率计，用于监测刻写飞秒激光脉冲的能量；
高数值孔径显微物镜5：设置在分束器后面飞秒激光脉冲的主光路上，用于将飞秒激光脉冲紧聚焦，经聚焦的飞秒脉冲垂直入射到待刻写透明固体材料6上；
三维移动平台7：用于放置待刻写光波导的透明固体材料6，并由计算机控制其二维或三维的移动。
CCD探测器8：用于监测聚焦飞秒激光束的光斑尺寸及其在待刻写样品内的定位。
实施例2、三维1×3光分束器的制作
采用中心波长为800nm、脉冲宽度为50fs、重复频率为1kHz的飞秒激光作为刻写激光束，将其紧聚焦到融石英玻璃内刻写制作出三维的光分束器。
飞秒激光器1产生中心波长800nm、脉冲宽度为50fs、重复频率为1kHz的飞秒激光，脉冲能量一般可达mJ量级，采用可变衰减器2将飞秒脉冲能量衰减至0.5μJ左右，用分束器3将飞秒激光束分束，由功率计4监测脉冲的能量大小，以便能准确及时的采用可变衰减器2将脉冲能量调整至所需的能量水平。调整好能量的飞秒激光束由显微物镜5(NA＝0.45)紧聚焦，聚焦的飞秒激光束垂直入射到融石英玻璃6的xy面，由CCD探测器8监测聚焦飞秒光斑的大小以及在玻璃内的定位，聚焦飞秒激光束焦点位于融石英玻璃表面下200μm左右，融石英玻璃6固定在精密三维移动平台7上，三维移动平台7的移动速度为125μm/s，沿x方向移动。为了制作1×3分束器，将样品的三维移动路径预设好并由计算机控制，分束器的三个波导支路在空间互成120°，在出口端面波导之间的距离互为100μm，刻写的三维1×3光分束器在1.05μm波段具有单模传输特性，分束比为32∶33∶35％。
实施例3、二维Y型光分束器的制作
采用中心波长为775nm、脉冲宽度为150fs、重复频率为1kHz的飞秒激光作为刻写激光束，将其紧聚焦到z切铌酸锂(LN)晶体内刻写出掩埋光波导，制作出二维Y型光分束器。
飞秒激光器1产生中心波长775nm、脉冲宽度为150fs、重复频率为1kHz的飞秒激光，脉冲能量可达0.5mJ，采用可变衰减器2将飞秒脉冲能量衰减至10μJ左右，用分束器3将飞秒激光束分束，由功率计4监测脉冲的能量大小，以便能准确及时的采用可变衰减器2将脉冲能量调整至所需的能量水平。调整好能量的飞秒激光束由显微物镜5(NA＝0.4)紧聚焦，聚焦的飞秒激光束垂直入射到LN晶体6的xy面，由CCD探测器8监测聚焦飞秒光斑的大小以及在LN内的定位，聚焦飞秒激光束焦点位于LN晶体6表面下500μm左右，LN晶体6固定在精密三维移动平台7上，三维移动平台7的移动速度为50μm/s，沿x方向移动，即刻写出沿x方向的掩埋光波导。制作波导的截面y、z方向的尺寸分别为3μm和20μm，制作波导在632.8nm的传输损耗为1dB/cm左右，激光焦点作用区折射率的变化约为6×10^-4。为了制作出Y型分束器，使待刻写样品沿Y型的路径移动，Y型分束器两臂的夹角为0.5°，两臂在出射端之间的距离为60μm，刻写的分束器分光比为1.1∶1。
实施例4、用于产生二次谐波(SHG)的光波导的制作
采用中心波长为800nm、脉冲宽度为100fs、重复频率为1kHz的飞秒激光作为刻写激光束，将其紧聚焦到z切周期极化铌酸锂(PPLN)晶体内刻写出掩埋光波导，制作的波导可以用来产生SHG。
飞秒激光器1产生中心波长800nm、脉冲宽度为100fs、重复频率为1kHz的飞秒激光，脉冲能量一般可达mJ量级，采用可变衰减器2将飞秒脉冲能量衰减至1μJ左右，用分束器3将飞秒激光束分束，由功率计4监测脉冲的能量大小，以便能准确及时的采用可变衰减器2将脉冲能量调整至所需的能量水平。调整好能量的飞秒激光束由显微物镜5(NA＝0.4)紧聚焦，聚焦的飞秒激光束垂直入射到PPLN晶体6的xy面，由CCD探测器8监测聚焦飞秒光斑的大小以及在PPLN内的定位，聚焦飞秒激光束焦点位于PPLN晶体6表面下100μm左右，PPLN晶体6固定在精密三维移动平台7上，三维移动平台7的移动速度为10μm/s，沿X方向移动，刻写出沿x方向的掩埋光波导。采用多重扫描刻写(10趟重复刻写，每趟在y方向位移0.5μm)增加刻写波导的宽度，获得在1550nm为单模传输的掩埋光波导，其波导截面尺寸为11.7μm和8.7μm，波导的传输损耗为2.2dB/cm。将制作的波导用于1550nm激光的倍频，获得的SHG效率为6×10^-3％/W。
实施例5、用于产生二次谐波(SHG)的光波导的制作
采用中心波长为800nm、脉冲宽度为130fs、重复频率为5kHz的飞秒激光作为刻写激光束，将其紧聚焦到z切周期极化磷酸氧钛钾(PPKTP)晶体内刻写出掩埋光波导，制作的波导可以用来产生SHG。
飞秒激光器1产生中心波长800nm、脉冲宽度为130fs、重复频率为5kHz的飞秒激光，脉冲能量200μJ，采用可变衰减器2将飞秒脉冲能量衰减至2μJ左右，用分束器3将飞秒激光束分束，由功率计4监测脉冲的能量大小，以便能准确及时的采用可变衰减器2将脉冲能量调整至所需的能量水平。调整好能量的飞秒激光束由显微物镜5(NA＝0.42)紧聚焦，聚焦的飞秒激光束垂直入射到PPKTP晶体6的xy面，由CCD探测器8监测聚焦飞秒光斑的大小以及在PPKTP内的定位，聚焦飞秒激光束焦点位于PPKTP晶体6表面下200μm左右，PPKTP晶体6固定在精密三维移动平台7上，三维移动平台7的移动速度为50μm/s，沿x方向移动刻写出沿x方向的掩埋光波导。采用多重扫描刻写(10趟重复刻写，每趟在y方向位移0.8μm)增加刻写波导的宽度，获得在1550nm为单模传输的掩埋光波导，其波导截面x、y方向尺寸分别为8.1μm和9.3μm，波导的传输损耗为1dB/cm。将制作的波导用于980nm激光的倍频，获得的SHG效率为0.22％/W(0.002％)。
实施例6、用于产生二次谐波(SHG)的光波导的制作
采用中心波长为800nm、脉冲宽度为50fs、重复频率为1kHz的飞秒激光作为刻写激光束，将其紧聚焦到z切周期极化磷酸氧钛钾(PPLN)晶体内刻写出两线式掩埋光波导，制作的波导可以用来产生SHG。
飞秒激光器1产生中心波长800nm、脉冲宽度为50fs的飞秒激光，脉冲能量一般可达mJ量级，采用可变衰减器2将飞秒脉冲能量衰减至10μJ左右，用分束器3将飞秒激光束分束，由功率计4监测脉冲的能量大小，以便能准确及时的采用可变衰减器2将脉冲能量调整至所需的能量水平。调整好能量的飞秒激光束由显微物镜5(NA＝0.4)紧聚焦，聚焦的飞秒激光束垂直入射到PPLN晶体6的xy面，由CCD探测器8监测聚焦飞秒光斑的大小以及在PPLN内的定位，聚焦飞秒激光束焦点位于PPLN晶体6表面下200μm左右，PPLN晶体6固定在精密三维移动平台7上，三维移动平台7的移动速度为400μm/s，沿x方向移动刻写出沿x方向的掩埋光波导。为了提高刻写的波导用于产生二次谐波时的转换效率，刻写了两线式波导，两次刻写位置之间的距离相隔10μm，最后获得1550nm波段单模传输的掩埋光波导。两线式波导的导光区域位于两条刻痕域的中间，其周期极化结构未被破坏，且非线性系数保持不变，有利于提高SHG的转换效率。将制作的波导用于1550nm波段锁模皮秒光纤激光器(重复频率6GHz，脉冲宽度60皮秒)的倍频，获得了34.8％的转换效率，而相同条件下在体状晶体中的转换效率为24.8％。
实施例7、用于产生二次谐波(SHG)的光波导的制作
采用中心波长为800nm、脉冲宽度为100fs、重复频率为1kHz的飞秒激光作为刻写激光束，将其紧聚焦到z切周期极化磷酸氧钛钾(PPKTP)晶体内刻写出两线式掩埋光波导，制作的波导可以用来产生SHG。
飞秒激光器1产生中心波长800nm、脉冲宽度为100fs的飞秒激光，脉冲能量一般可达mJ量级，采用可变衰减器2将飞秒脉冲能量衰减至100μJ左右，用分束器3将飞秒激光束分束，由功率计4监测脉冲的能量大小，以便能准确及时的采用可变衰减器2将脉冲能量调整至所需的能量水平。调整好能量的飞秒激光束由显微物镜5(NA＝0.4)紧聚焦，聚焦的飞秒激光束垂直入射到PPKTP晶体6的xy面，由CCD探测器8监测聚焦飞秒光斑的大小以及在PPKTP内的定位，聚焦飞秒激光束焦点位于PPKTP晶体6表面下300μm左右，PPLN晶体6固定在精密三维移动平台7上，三维移动平台7的移动速度为100μm/s，沿x方向移动刻写出沿x方向的掩埋光波导。为了提高刻写的波导用于产生二次谐波时的转换效率，刻写了两线式波导，两次刻写位置之间的距离相隔14μm，最后获得1064nm波段单模传输的掩埋光波导。两线式波导的导光区域位于两条刻痕域的中间，其周期极化结构未被破坏，且非线性系数保持不变，有利于提高SHG的转换效率。将制作的波导用于1064nm调Q Nd:YAG激光(脉冲宽度5ns，重复频率10Hz)的倍频，获得的SHG效率为39.6％。