[发明专利]Y型波导激光直写装置

说明书

技术领域

本发明属于光学加工领域，特别是一种Y型波导激光直写装置。

背景技术

激光直写技术是将光束整形后作用于光学介质直接生成微纳器件的精密加工技术。该技术具有加工精度高、速度快和成本低等诸多优点。激光直写技术在集成光学、集成电路和微机械系统等领域具有广泛的应用。波导中的光波能够无衍射地传输相当长的距离，小型、紧凑的光波导结构的加工是光路集成化的基础。

在先技术中采用显微物镜将激光聚焦到热敏或光敏薄膜材料，通过精密调谐载物台材料表面来获得精细的目标结构（参见发明专利‘激光直写装置，申请号201110042855.7’）。该装置需要复杂的显微物镜对光束进行聚焦，为了保证对准精度，需要用调焦PZT来驱动显微物镜微动调焦，以保障激光聚焦到待刻样品的表面。其次，载物台上要配备高位移精度的电机平台来保证刻写器件的结构和精度。最后，该装置主要是针对光敏和热敏薄膜材料的表面刻写装置，无法实现在材料内部的刻写。

强激光作用介质可在其内部产生光学成丝这种非线性光学效应。成丝效应是激光在介质内部传输过程中的自聚焦效应和激光等离子体激发的散焦效应平衡的结果。由于材料内部的光学缺陷，在强激光的作用下介质内部会产生永久的折射率改变（参见文献193-nm excimer-laser-induced densification of fused silica，Optics Letter. 21, 1960 (1996)），从而在成丝通道中形成光波导。

当采用双柱透镜时，由于成丝之间的干涉作用，强激光作用可在介质内形成成丝分叉现象，参见文献Y. Fu, H. Gao, W. Chu, J. Ni, H. Xiong, H. Xu, J. Yao, B. Zeng, W. Liu, Y. Cheng, Z. Xu, and S. Chin, Control of filament branching in air by astigmatically focused femtosecond laser pulses, Applied Physics B: Lasers and Optics 103, 435 (2011)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种Y型波导直写装置，该装置无需采用需要精密调焦的显微物镜和高位移精度的电机平台。基于成丝效应，利用刻写光源和两个柱透镜即可实现在光学玻璃内部刻写Y型光波导，具有较高实用价值。

本发明的技术解决方案如下：

一种Y型波导激光直写装置，其特点在于该装置由激光器、第一柱透镜、第二柱透镜、载物台和光学玻璃组成，上述各部分的位置关系如下：

所述的第一柱透镜和第二柱透镜的棱的方向相互垂直，所述的激光器输出的激光入射到第一柱透镜，光束传输到位于第一柱透镜的一倍焦距内的第二柱透镜，第二柱透镜固定在导轨上并可沿着光束平行方向自由移动，聚焦光束入射到位于载物台上的光学玻璃。

所述的激光器是具有高脉冲能量和光子能量的准分子激光器、倍频YAG激光器或飞秒激光器。

所述的第一柱透镜和第二柱透镜为熔融石英或者氟化钙晶体材料加工而成的正透镜，并且二者棱的方向相互垂直。

所述的导轨的运动轴向与光束方向平行。

所述的载物台为三维行程可调的平台。

所述的光学玻璃为熔融石英或石英玻璃。

激光器发射的光束经第一柱透镜聚焦后，入射到距离第一柱透镜一倍焦距以内的第二柱透镜，经两柱透镜聚焦后的光束入射到光学玻璃内。采用两个柱透镜一方面保证了激光在光学玻璃内激发非线性光学效应的激光强度，激光将在光学玻璃内成单根丝，并在成丝的位置会引起折射率增加。另一方面，第二柱透镜在另外一个方向上聚焦光束，由于柱透镜固有的像差，丝及其背景能量会发生干涉，导致在原来丝的基础上分为两个丝。这种成丝分叉现象，经过激光的持续作用，即可在光学玻璃内部产生永久的折射率的变化。因此，Y型波导直写的物理本质是成丝引起了光学玻璃内部折射率的变化，而成丝分叉效应可自然地实现Y型结构。

通常丝的直径都是很小的， 在百微米量级。因此波导的尺寸可以做的很小，为光路的集成提供了基础。

本发明的技术效果：