[发明专利]透明材料中环状波导的飞秒激光直写装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及飞秒激光微纳加工,特别是透明材料中环状波导的飞秒激光直写装置和方法。

背景技术

飞秒激光以其加工精度高、热效应小、损伤阈值低和可以对透明材料实现三维微加工等优点在当代微制造领域中独树一帜，它为我们提供了一种全新的制备大规模、复杂三维微结构的方法。飞秒激光能通过非线性过程对玻璃进行局域改性，从而具有高分辨的三维加工能力。利用飞秒激光能够在多种透明物质结构中诱导出折射率变化，可在样品内部制备光波导、分束器、耦合器、多模干涉仪等各种光子器件。利用这种方法制备的光子器件具有加工过程简单、高度集成、测试方便、性能优良等特点，在集成光学、信息光学、量子光学等领域有着重要的应用。当前利用飞秒激光微加工形成光波导主要有两种途径：1、飞秒激光诱导与透明介质作用区域折射率上升，利用作用区域作为纤芯，未作用区域作为包层形成光波导(参见文献：K.Davis,K.Miura,N.Sugimoto et al.,Opt.Lett.,1996,21(21):1729-1731)；2、飞秒激光与透明介质相互作用诱导局域折射率减小组成光波导的包层，从而实现透明材料内部的环状光波导。其中，后者由于具备制造大模场尺寸光波导的潜力从而广受关注。但是，传统飞秒激光直写获得这种光波导包层需要经过次数繁多的扫描，并且最终形成的包层较厚，使得光波导耦合效率很难提高。这些缺点局限了基于这种技术诱导产生的光波导构建微纳光学器件(如分束器、干涉仪等)的可能性。此外，也有人利用空间光调制器对飞秒激光脉冲进行整形，使其在透明介质内部聚焦形成环状焦斑，通过纵向直写直接形成圆环状的光波导(参见文献：Xuewen Long,Jing Bai,Wei Zhao et al.,Opt.Lett.,2012,37(15):3138-3140)。然而，这种技术需要借助高数值孔径的物镜来得到理想的模场尺寸和较薄的包层，导致加工得到的光波导长度十分有限。

发明内容

本发明目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种透明材料中环状波导的飞秒激光直写装置和方法，操作简单、有效，利用这种方法加工产生的波导具有模场面积可控、损耗低的特点，在构建微纳光学器件、实现光器件芯片化等领域有重要的应用价值。

本发明的技术解决方案如下：

一种透明材料中环状波导的飞秒激光直写装置，其特点在于，包括飞秒激光器、衰减片、光闸、空间光调制器、第一反射镜、第一凸透镜、狭缝、第二反射镜、第二凸透镜、分色镜、显微物镜、透明材料、三维平移台、电脑、冷光源、第三反射镜和CCD；

沿所述飞秒激光器发出的激光脉冲方向依次放置所述的衰减片、光闸和空间光调制器，经空间光调制器反射的激光脉冲依次经所述的第一反射镜、第一凸透镜、第二反射镜、第二凸透镜和分色镜，经所述分色镜反射后经显微物镜聚焦于固定在三维平移台上的透明材料的内部，三维平移台与电脑相连，所述狭缝放置在所述第一凸透镜的焦平面处，即空间光调制器反射光斑的傅里叶成像面上，所述冷光源发出的光经第三反射镜照射到透明材料底部，经透明材料透射后经所述的显微物镜聚焦后，入射到所述的分色镜，经该分色镜透射后，由CCD接收，该CCD的输出端与电脑相连。

利用上述透明材料中环状波导的飞秒激光直写装置进行飞秒激光直写方法，包含下列步骤：

①设计第一相位调制掩膜，并写入空间光调制器；

②将透明材料固定在三维平移台之上，并调整三维平移台，使飞秒激光脉冲聚焦于透明材料内部；

③以激光传输相反方向为z方向，透明材料的宽边和长边分别为x方向和y方向，经过整形、滤波的飞秒激光脉冲通过显微物镜聚焦于透明材料，诱导在激光焦斑区域形成一条沿x方向宽度为D的折射率变小的狭长区域，以此为起始位置，通过电脑驱动三维平移台沿-y方向平动距离L，在透明材料内部形成一个长为L，宽为D的平面薄层，该层平面薄层的折射率小于透明材料的折射率，作为波导包层下壁；

④设计第二相位调制掩膜，并写入空间光调制器；

⑤调节衰减片改变激光入射功率，驱动三维平移台改变透明材料位置，使飞秒激光脉冲经过整形滤波后在透明材料内部聚焦在起始位置平面内形成沿z方向的狭长焦斑分布,其宽度为D，该焦斑区域与步骤③中激光在起始位置xy平面内形成的狭长区域垂直且与其左端相交，通过电脑驱动三维平移台沿-y方向平动距离L，形成波导包层左侧壁；