[发明专利]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

说明书

【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；