[发明专利]一种在逆磁光敏玻璃上飞秒激光直接刻写实现磁光波导的方法

说明书

技术领域

本发明涉及飞秒激光制备光学器件，具体涉及一种磁光光敏玻璃基磁光波导芯片技术领域。

背景技术

受到来自磁光隔离器、以及基于磁场传感原理的多种传感器应用的需求牵引，在集成光学芯片上磁光功能的集成变成一个新兴的研宄热点，玻璃基片上的集成型磁光器件也因此受到了极大关注。磁光光波导制作是构建磁光功能集成的基础，也是实现磁光功能集成必须解决的核心问题。

目前玻璃基磁光波导的制作主要是在先在玻璃基片上通过离子交换或者激光刻写技术形成波导区域，然后在该区域一侧或者上下面沉积磁光材料层 (譬如YIG晶体等) ，通过制作复合光波导实现磁光功能。该途径制作的磁光波导面临两个难题: 其一，为了实现波导中较大的非互易相移，要求磁光材料层的光学参数与玻璃基片光学参数之间的匹配。其二，需要解决磁光材料层与玻璃基片之间结合的技术问题。这两个难题的解决需要更为复杂的步骤和更高的成本。

近年来飞秒激光加工开创了激光制备玻璃波导的新领域。飞秒激光的主要特性是发光持续时间短、脉冲峰值功率高，与玻璃相互作用时，能以极快的速度将能量聚焦到很小区域，瞬间的高能量密度沉积使作用区域内的温度瞬间内急剧上升，使材料处于高温高压高密度的等离子状态，并破坏材料原有的键合束缚力使该区域材料的折射率发生变化，从而实现波导。这一过程避免了玻璃的线性吸收，能量转移和扩散等影响，从而使飞秒激光成为实现高精度，高空间分辨率波导的重要工具。

然而目前利用飞秒激光传统制作具有磁光功能的波导都是在掺杂稀土铽的硅酸盐顺磁玻璃上进行，以稀土掺杂为主的顺磁玻璃的磁光性能有严重的温度依赖性, 而且随着稀土离子的掺杂，玻璃热稳定性和化学稳定性都会降低，对波导性能产生不利影响，且不能用于户外或恶略环境。加之稀土价格昂贵，稀土在硅酸盐玻璃中的溶解度有限，研究者普遍以高掺杂稀土含量以取得高磁光性能，但是高稀土含量对顺磁玻璃的热性能和机械性能甚至化学性能的牺牲为代价，所以该磁光玻璃体系不利于磁光波导等器件的应用。

而磁光玻璃中的逆磁玻璃，是一种优质光学材料，其磁光性能不受温度的影响，在紫外和红外区域有很好的透光性能，是一种重要的集成磁光功能的低成本光学基片材料。此外，逆磁玻璃属于低熔点玻璃体系，热稳定性良好，对于后期的器件集成以及光纤的拉制都非常有利。因此逆磁玻璃基光波导器件具有磁光性能好，成本低、工艺简单、传输损耗低、偏振相关性小、制作容差性大、可批量生产等显著特点。

目前，对基于磁光效应的各类传感器件和光学器件研究正在向广泛应用领域及深度产业化转型。磁光波导是实现磁光器件的基本元素，开发逆磁玻璃基磁光波导为开发高灵敏磁光器件提供简捷的结构设计和崭新的思路。

发明内容

本发明的目的在于利用飞秒激光特性，对逆磁玻璃中光敏元素比如Pb， Bi，尤其是Ge离子进行激光诱导照射，使其有助于玻璃网络键发生断裂，从而永久性改变玻璃物理性质，比如折射率，从而提供一种单片逆磁玻璃基飞秒激光刻写磁光波导结构的实现。

为实现上述目的，本发明可采取下述技术方案：

1）待刻写的磁光光敏玻璃进行研磨抛光，使玻璃表面粗糙度不大于50微米，并将玻璃固定在三维移动平台。2）将磁光波导图案通过软件绘制后导入计算机。3）将由飞秒激光聚焦待刻写的逆磁光敏玻璃上表面或者玻璃内，该激光系统以100kHz的重复频率工作，并提供0.1W至0.5W的激光功率，对应电流范围为21A至25A。激光重复扫描微结构 4〜12次（4， 6， 8，10，12）。使用40×物镜（NA 0.6）和放置在物镜前方的520μm狭缝将入射激光聚焦在与样品&激光束透射正交的方向上扩散激光束。4）按预先设定的图案以1.5mm/min的速度移动激光束（照射深度为170µm），以150-350nJ的 脉冲能量测试（增加幅度为50nJ） ，直至在磁光光敏玻璃表面或者玻璃内部写出三维磁光波导。整个加工过程开通吹气装置辅助飞秒激光去除烧蚀玻璃基体碎屑，并对成品进行超声波去离子水震荡清洗去除烧蚀玻璃碎屑。5）fs激光照射后，磁光玻璃样品在260-290℃下退火120分钟,获得磁光波导为150-500微米宽，折射率增大3-9×10^-2。

根据权利要求所述的逆磁光敏玻璃成分为PbO-Bi₂O₃-GeO₂-B₂O₃和TeO₂-PbO-GeO₂-B₂O₃体系。