[发明专利]在透明电介质材料内部制备波导光栅的方法

说明书

技术领域

本发明属于精密微光电子学器件制备技术领域和光学信息处理领域，尤其是一种利用超短激光脉冲在玻璃内部制备波导光栅(Waveguide Grating)的方法。

背景技术

近年来，利用飞秒激光在玻璃中制备波导的研究取得了显著的发展，这种波导的制备是采用在玻璃内部直写法，即利用了辐照区的折射率比未辐照区域折射率增大的特性，不需要多层介质；它是一步方法，不需要多次处理，一般是通过移动聚焦的激光焦点一次性扫描出来的；由于利用了高度非线性多光子过程，不需要材料对激光具有光敏性，因此可以使用多种透明介质，例如无机和有机玻璃以及晶体等等。人们对脉冲参数、聚焦条件以及扫描方式等对波导性能的影响进行了广泛研究，并在此基础上制备出二维光栅、耦合器和菲涅尔波带片等微光学元件等。

在集成光学领域内，波导中的光栅更具有特别重要的意义。因为光波导把光束截面限制在光波长量级的范围内，提供了光的一维或多维无衍射传播，波导中传播的导波和制备在波导上的光栅发生矢量相互作用。通过光栅材料与光栅结构参数(折射率、周期、形状)的变化，可根据人们需要任意改变导波的传输行为。因而不同材料和结构的光栅起到了各种不同集成光学元件的作用。与常规体光学器件相对比，如透镜、棱镜、反射镜、分束器、滤波器、光栅等，在集成光学系统中，波导光栅可以实现导波光的耦合、分束、反射、滤波、聚焦、衍射分光等各种功能。只不过不同的集成光学器件，波导光栅的周期与形状各不相同而已。可见，波导光栅在集成光学乃至灵巧结构的微光机电系统中的应用前景十分诱人。

综上所述，在透明电介质中制备波导光栅成为亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明致力于提供一种透明电介质材料内部波导光栅制备方法。

本发明的上述目的是通过如下的技术方案予以实现的：

采用钛蓝宝石飞秒激光器等脉冲激光系统，通过相应的透镜将激光束聚焦到透明的电介质材料样品体内，透镜选择0.3＜NA＜1.5；

根据波导光栅的结构和尺寸需求，控制激光束焦点在透明的电介质材料样品体内相对移动的方向、次数和速度，让透明的电介质材料样品被激光焦点照射发生周期性地折射率改变，形成波导光栅。

制备波导光栅具体步骤如下：

1、波导光栅的设计：波导光栅分为短周期、长周期、啁啾光栅三种。根据对于器件性能的要求比如反射波长、反射率、透射率的需要采用BPM(BeamPropagation Method)方法进行模拟计算，得到制作波导光栅的周期。

2、产生激光脉冲步骤：采用钛蓝宝石飞秒激光器或光纤飞秒激光器等短脉冲激光系统，输出激光脉冲的重复频率可以为1Hz到100MHz可变调节。调整激光装置，形成脉冲宽度为30飞秒到500飞秒之间、脉冲能量为10nJ到2μJ之间。所选飞秒激光输出波长可以为200nm～1550nm。

3、样品选择：对于所用飞秒激光器输出的飞秒激光波长透明的电介质。

4、整形和滤波步骤：利用整形和滤波装置处理激光束，并注入聚焦装置。其中整形包括在聚焦透镜前加宽度为50μm到500μm的狭缝，或者利用柱面镜组合改变光强分布。滤波步骤为针孔滤波，再用倒置望远镜进行空间扩束，以得到较好的空间基模，并注入聚焦系统。针孔直径由计算聚焦透镜的焦点大小决定。

5、聚焦步骤：根据所要制备的波导光栅结构以及尺寸需求，通过相应的透镜将激光束聚焦到移动平台上某一点。透镜可选择0.3＜NA(数值孔径)＜1.5。写入深度由透镜焦距长度、对波导端面纵横比的要求以及样品厚度等参数决定。

6、控制焦点与样品相对移动步骤：将样品放置在移动平台上，通过控制移动平台移动从而带动样品相对于激光焦点移动。或者利用转镜系统，控制激光焦点移动，样品固定，从而实现相对移动。

7、基本写入步骤：打开快门输出激光束，同时通过控制装置使激光束焦点在样品体内按照一定轨迹相对移动。其中，快门响应速度小于100ms，对于高速制备，需要更快响应速度的快门，才能保持加工精度。移动由计算机程序控制。所述的样品是对所用飞秒激光透明的电介质材料。

8、波导光栅写入方法：可分为多步写入波导光栅和一步写入波导光栅两种方法。其中多步写入波导光栅分为在样品中制备波导和在波导中制备光栅的两个过程。

A、利用飞秒激光在样品中制备光波导。