[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

摘要

一种透明材料中环状波导飞秒激光直写的方法。本方法的核心是利用空间光调制器等对飞秒激光脉冲进行空间相位整形和滤波，操控飞秒激光聚焦光斑光强为较为均匀的狭长分布。具有这种特性的飞秒激光脉冲与某些晶体、高分子聚合物、玻璃等透明介质相互作用，能够诱导介质内部激光焦点的狭长作用区域折射率变小。利用这种飞秒激光脉冲在透明材料内部直写，可以方便高效的得到折射率相对较小的层状结构。将相似的四个这种层状结构作为包层围成一条横截面为正方形的透明材料通道，即可得到在该透明材料内部的环状光波导。利用此方法诱导形成的波导结构能够方便控制模场尺寸，并且具备高加工效率、低损耗的特点。该方法对微纳光学中三维光器件集成化和芯片化有着重要的意义。

主权项

一种利用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，所述的透明材料中环状波导的飞秒激光直写装置，包括飞秒激光器(1)、衰减片(2)、光闸(3)、空间光调制器(4)、第一反射镜(5)、第一凸透镜(6)、狭缝(7)、第二反射镜(8)、第二凸透镜(9)、分色镜(10)、显微物镜(11)、透明材料、三维平移台(13)、电脑(14)、冷光源(15)、第三反射镜(16)和CCD(17)；沿所述飞秒激光器(1)发出的激光脉冲方向依次放置所述的衰减片(2)、光闸(3)和空间光调制器(4)，经空间光调制器(4)反射的激光脉冲依次经所述的第一反射镜(5)、第一凸透镜(6)、第二反射镜(8)、第二凸透镜(9)和分色镜(10)，经所述分色镜(10)反射后经显微物镜(11)聚焦于固定在三维平移台(13)上的透明材料的内部，三维平移台(13)与电脑(14)相连，所述狭缝(7)放置在所述第一凸透镜(6)的焦平面处，即空间光调制器(4)反射光斑的傅里叶成像面上，所述冷光源(15)发出的光经第三反射镜(16)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(11)聚焦后，入射到所述的分色镜(10)，经该分色镜(10)透射后，由CCD(17)接收，该CCD(17)的输出端与电脑(14)相连；所述的空间光调制器(4)上加载有相位调制掩膜图像；其特征在于该方法包含下列步骤：①设计第一相位调制掩膜，并写入空间光调制器(4)；②将透明材料固定在三维平移台(13)之上，并调整三维平移台(13)，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(11)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(14)驱动三维平移台(13)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(4)；⑤调节衰减片(2)改变激光入射功率，驱动三维平移台(13)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(14)驱动三维平移台(13)沿‑y方向平动距离L，形成波导包层左侧壁；⑥驱动三维平移台(13)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右端相交，驱动三维平移台(13)沿‑y方向平动L，加工形成波导包层右侧壁；⑦驱动三维平移台(13)回到起始位置，空间光调制器(4)写入第一相位调制掩膜，通过电脑(14)驱动三维平移台(13)向+z方向平动距离D，使飞秒激光脉冲经过整形滤波后在透明材料内部聚焦形成的狭长焦斑在起始位置平面内与步骤③的激光焦斑平行，驱动三维平移台(13)沿‑y方向平动距离L，加工形成波导包层上侧壁。