专利名称：在透明体中钻出至少一个孔的方法和用该方法制成的器件的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及透明材料的湿法激光钻孔的方法以及使用该方法制成的器件。本方法适合用于制造光纤器件。
背景技术：
在光纤和光子学器件的光通信领域中，需要将光纤精确地固定在光子学材料器件中。光通信设备通常需要将光纤精确地固定在玻璃材料中，例如，光纤套管中。在生物医学或化学领域中，需要用到能够装入非常少的、量值已精确确定好的化学或生物材料的容器盘。这些容器盘是带有多个极微小的凹陷或杯形结构的容器盘(substray)，能够装入各种生物样本或检测材料。
在2001年3月1日出版的、OPTICS LETTERS第26卷第5期题为“Femosecond laser-assisted three-dimenstional microfabrication in silica”文章中，描述了一种在二氧化硅玻璃中的三维微加工过程。所描述的过程使用如下步骤(i)用经聚焦过的飞秒(fs)激光脉冲在二氧化硅玻璃内部写入三维图案；(ii)用HF酸刻蚀受损的二氧化硅玻璃。不过，该过程相对较长，因为它使用两个连贯的步骤并且暴露于酸性物质的环境中可能对人体有害。此外，所产生的洞表面很不规则并且非常短(最大的长度约为120微米)。
在2001年12月1日公布的OPTICS LETTERS第26期23号中题为“Threedimensional hole drilling of silica glass from the rear surface with femptosecondlaser pulses”的文章中描述了在二氧化硅玻璃中不使用HF酸的单步骤三维微加工过程。这篇文章描述了快门断续型聚焦激光束与水相结合的使用情况。使用该快门的目的在于将延迟周期引入上述过程，以允许水流入洞中。由此，因有目的地引入了延迟周期，所以该过程也相对较长。另外，该方法所产生的孔洞的直径非常小(21微米或更小)并且孔洞长度相对较短(600微米或更小)。这篇文章没有讲明如何钻出更宽和/或更长的孔洞。
发明内容
根据本发明的方法的一个优点在于它提高了透光材料的微切削加工速度。另一个优点在于，本方法并不使用酸来刻蚀透光材料。
根据本发明，一种用于在透光体中钻出至少一个孔的方法包括如下步骤(i)提供超短脉冲激光器，用于产生波长为λ的激光输出，该激光输出具有亚皮秒的激光脉冲持续时间；(ii)提供用于聚焦激光输出的激光输出聚焦透镜，该聚焦透镜的数值孔径为NA；(iii)提供透光体，该透光体在λ处的透光率至少为90％/cm；(iv)提供装满液体的容器，紧靠透光体，使得透光体直接与液体相接触；并且(v)引导激光输出通过聚焦透镜以产生经聚焦过的激光输出，该激光输出具有亚皮秒的激光脉冲持续时间并紧靠透光体，其中当透光体与经聚焦过的激光输出彼此相对地在X-Y-Z方向上移动的同时，所述经聚焦过的激光输出穿过透明玻璃体绘制至少一个孔洞刻痕图案。该至少一个孔洞刻痕图案与液体和经聚焦过的激光输出相接触，并与液体一起在透光体中产生至少一个孔洞。
根据本发明的一个实施例，该方法也包括如下步骤提供可控制的定位平移台架；在台架内定位透光体，并相对于所述经聚焦过的激光输出的位置来平移所述透光体。
根据本发明的一个实施例，聚焦透镜的数值孔径NA≤1.0且工作距离为3mm或更大些。
根据本发明的一个实施例，该方法被用来制造用于固定光纤的光纤器件，并包括将光纤插入光纤接收孔以提供含光纤的孔洞这一步骤。
根据本发明的一个实施例，该方法被用来在厚度至少为0.25mm的厚块状氧化物玻璃体中钻出多个精确的孔。较佳地，该厚度为1mm或更大些。
根据本发明一个实施例，该方法可用于制造光学器件，比如光纤固定器或容器盘。该方法可以被用来制造含至少一个激光印刻的孔洞刻痕图案的块状透明体，该孔洞刻痕图案穿透块状透光体。
本发明各种实施例的另外的特征和优点将在下文中得到详细阐述，并且本领域的技术人员从该描述中将会部分清晰地看到这些特征和优点，或通过按本文(包括下文的详细说明、权利要求书以及附图)所描述的那样实施本发明从而意识到这些特征和优点。
应该理解，前面一般性的描述和后面的详细描述都展示了许多本发明的实施例，旨在提供一个概要或基本结构，以便于理解像权利要求书所表明的本发明的本质和特征。所包括的附图用来提供对本发明的进一步理解，包含在此并构成本说明书的一部分。这些图示出了本发明的各种实施例，与说明书一起用于解释本发明的原理和操作过程。
图1A-1C示出了本发明的多个实施例。
图2示出了用于支撑透光体的示例性支架。
图3A和3B示出了用于装入液体的示例性透明小容器。
图4示出了紧靠图2所示支架的图3A和3B所示的透明小容器。
图5A和5B示意性地示出了带有多个弹孔刻痕的透光体。
图6示出了用来回移动的激光聚焦在其上形成弹孔刻痕的透光体。
图7A示意性地示出了透光体和从该透光体上剥离并去除的柱状材料。
图7B示出了带有多个圆柱孔的透光体。
图7C-7G示意性地示出了孔洞刻痕图案排布的不同示例。
图8A-8B示出了由透光体中激光钻出的孔来容纳的孔含式光纤。
图9A-9B示出了带有多个孔的透光体，每个孔含一根光纤。
图10A示出了螺旋状的辐照图案。
图10B示出了可选的准螺旋状的辐照图案。
图10C是由图10B所示的准螺旋状辐照图案所产生的腔或通道的显微照片。
图11A是示出了玻璃体中的圆柱孔的玻璃样本的显微镜照片。
图11B示出了从图11A所示的玻璃体中除去的柱状玻璃体。
图12示出了带有四个孔且每个孔各插入一根光纤的透光体。
图13A-13C示出了本发明一实施例的光纤器件。
图14A-14D示出了本发明一实施例的另一种光纤器件。
图15示出了本发明一实施例的又一种光纤器件。
图16示意性地示出了本发明的诸多实施例可选用的刻痕图案。
图17A-17B示意性地示出了本发明另外的实施例。
具体实施例方式
现在将对本发明的较佳实施例给出详细参照。这些实施例在附图中均有示出。
本发明涉及透明体10(比如，玻璃或蓝宝石)的湿法激光钻孔方法。本方法可以较有优势地用于制造本说明书中所描述的光学器件。这些光学器件可以是用于固定光纤的光纤器件，比如光纤套管。
如图1A-1C所示，本方法包括提供超短脉冲激光器30，用于产生波长为λ的激光输出32，该激光输出具有亚皮秒的激光脉冲持续时间。较佳地，透光体10在λ处的透明度至少为90％/cm且最好≥95％/cm，λ处的吸收率＜5×10-2cm-1。较佳地，透光体的体积厚度至少为0.5mm，更佳地为1mm，最佳地至少为2mm。
本方法还包括提供激光输出聚焦透镜34，用于聚焦激光输出32。在本示例中，透镜34的空气工作距离大于等于3mm，数值孔径NA≤1.0。数值孔径NA≤0.5则更佳。较佳地，数值孔径应该小到能够使聚焦透镜通过能够处理直径较宽的激光束，从而能够收集并汇聚更多的激光能量。大于3mm的工作距离能够钻相对较厚的透明体(3mm厚或更厚)。此处所界定的工作距离是从透镜最后的表面(面对焦点或图像)到焦点/图像之间的距离。较佳地，激光输出聚焦透镜34的工作距离介于3mm和30mm之间，并且数值孔径NA大约介于0.26和0.5之间，更佳地是介于0.28和0.5之间。
较佳地，透明体10的位置和聚焦透镜34所提供的焦点/图像的位置应该可以彼此相对地调节。在本实施例中，在透明体10中钻出至少一个孔的方法包括提供计算机可控定位平移平台36以便容纳透光体10(比如，氧化物块状玻璃体或块状蓝宝石体)的步骤。在本示例中，微加工或激光脉冲钻孔的精度主要受平台36的移动准确度(小于0.1微米)限制。根据本发明一实施例，透明体10的透明度在λ处至少为90％/cm。透明体10被提供给XYZ平台36并被平台36所接纳。在本实施例中，玻璃体10是氧化物块状玻璃体。装满液体的容器39紧靠透光体10，使得至少一部分透光体10与液体39’直接接触。在本示例中，容器39是铝制的透明小容器且该液体是水。较佳地，液体39’包含至少一种表面活化物质。在本实施例中，平台36也支撑透明小容器39，使得透光体和透明小容器按平移平台36的要求一起移动。在本实施例中，透明小容器39的内部尺寸是0.75″×1.5″×1.5″。激光输出32被引导通过聚焦透镜34并被聚焦到紧靠透光体10的焦点位置40处，或被成像到该位置上。较佳地，成像位置或焦点位置40应该在与液体39’直接接触的透光体10的表面上，或较佳地在所述表面之后的液体处。经聚焦的激光40’具有高强度并具有亚皮秒的脉冲持续时间。超短脉冲很短的持续时间帮助减小透光体10的加热过程。我们也发现，激光脉冲越短，所产生的结构的颗粒度越精细。即，脉冲越短，则环绕孔洞或凹陷的表面平滑度越精细。透光体10与装满液体的透明小容器39一起相对于焦点位置40平移，其中经聚焦的激光40’刻出穿透透光体10的孔洞刻痕图案42。至少在某些器件中，经聚焦的激光刻入玻璃体10的厚度至少为0.25mm，刻入孔洞的长度等于厚度。激光聚焦所刻出的孔洞刻痕图案42可以是0.5mm到10mm长。
由此，如图1A-1C所示，在玻璃这样的透光体10中钻孔的方法包括(i)将液体(例如水)直接放在透光体10旁边；并且(ii)使用经聚焦的能量脉冲在透光体10中钻孔(即压扁材料)，同时用水或其它液体除去碎片。另外，二氧化硅(Si)基玻璃中，在钻孔区域(沿孔洞刻痕)中水也可能与玻璃反应并加速钻孔过程。
如图2、3A、3B和4所示，该方法包括提供用于装入液体39’的容器39。容器39被设计成可安装到XYZ平台上。在本实施例中，容器39是带有一个可拆卸的盖子的透明小容器并且一侧(将面朝透光体10的那一侧)是打开的。这在图2中示出。透光体10被安装到支架44上(图3)。支架44与与环绕开孔一侧的容器壁44’紧邻，如图4所示，从而形成用于液体39’的密封容器。较佳地，将容器39阳极化以防止光反射。支架44和容器39是由一组螺丝41固定在一起的。或者，可将透光体10直接密封到容器壁44’上。由此，当切割聚焦刻蚀孔洞刻痕图案42以形成像光纤容纳块46这样的孔洞时，至少一部分玻璃体10与液体接触。
刻出穿透透光体10的孔洞刻痕42的步骤较佳地包括刻出像图5A、5B和6所示的孔洞刻痕42，该孔洞刻痕42环绕未暴露的中心玻璃体43。如图5A、5B和6所示，孔洞刻痕42具有圆柱形几何形状，并且材料的切除将所环绕的未暴露的圆柱体43从其周围透光体10中剥离，该未暴露的中心玻璃体43像图7A和7B所示的那样被除去以提供精确的光纤容纳孔46。在一个示例性的实施例中，如图7C所示，刻出两个相邻的孔洞刻痕图案以形成8字形用于容纳两根光纤并将其相邻放置。在另外的实施例中，如图7D-7G所示，刻出不止两个相邻的孔洞刻痕圆柱，它们彼此相邻排成序列或矩阵，以便按预定的序列或矩阵图案来容纳多个光纤并将其相邻放置。图7G所示的相邻的孔洞刻痕42产生光纤容纳孔46，用于图8A和8B所示的孔含式光纤52。如图8A和8B所示，在透光体10的后侧光纤插入口处，光纤容纳孔46包括锥形的光纤漏斗47，用于方便地将光纤50插入光纤容纳孔46中。
由此，如图9A和9B所示，制造光纤器件的方法也包括将光纤50插入光纤容纳孔46中以提供孔含式光纤52的步骤。
在一个实施例中，提供超短脉冲激光器30的步骤包括提供其激光输出32的激光脉冲持续时间小于100fs的激光器。更佳地，激光脉冲持续时间小于50fs，甚至小于等于40fs。提供超短脉冲激光器30的步骤较佳地包括提供脉冲能量激光器，该激光器产生脉冲能量大于等于4微焦的激光输出32。对于直径为125微米或更小的孔而言，激光输出32最好大于等于7.5微焦并小于等于25微焦，较佳地小于等于20微焦。直径更大的孔可以用更强的激光来钻出，因为较大直径的辐照图案使相邻的液体能够冷却并完全渗透到所切割的通道内。激光波长λ应该在被钻材料的透明区域内。大多数的玻璃和许多晶体对于近红外区的光而言都是透明的。由此，激光输出32的波长最好小于1000nm。例如，λ可以在800±100nm的范围内，并可以以800nm为中心。不过，也可以使用其它激光器，较佳地使用NIR(近红外)激光器。
使用NIR激光器来钻透明材料的过程是基于烧蚀的。在NIR激光器波长(在本示例中λ＝800nm)处，玻璃和晶体对于该波长都是透明的，所以激光输出32并不引起材料的加热和熔化。为了产生烧蚀，我们使用非线性吸收效应，当激光输出32被强烈聚焦并且光强如此之高以至于发生跨带隙的多光子吸收的时候，就会发生非线性吸收效应。与线性吸收不同，非线性吸收系数随强度而增长，并且在高强度(像1015W/cm2或更大)时激光束的焦点位置40处的吸收可能是入射功率的几十个百分点。因为焦点体积不大于几十个立方微米，所以被吸收的功率强度非常高并且材料跳过熔化阶段蒸发了。烧蚀是一个依赖于阈值强度的过程，并且所除去的材料的量随脉冲能量而增长(假定相同的强度)。结果，与相同强度的飞秒脉冲相比，在相同的材料中纳秒脉冲将产生更多的破坏。用纳秒脉冲来烧蚀会产生更大的洞，其边缘不平且有裂纹，而飞秒脉冲在不损坏周围区域的同时更为精确地工作。
尽管我们正在描述产生微孔的不同的透光材料的微加工方法，但是相同的方法和制造条件可应用于几乎任何微结构的钻孔和碾磨过程。透光材料可以是各种玻璃和各种晶体材料(比如，石英晶体和蓝宝石)。
为了钻孔，需要在玻璃中刻出一个通道，该通道决定孔的形状。为了钻出圆柱形的孔，平移透光体10以便用经聚焦的激光输出产生螺旋状的或准螺旋状的辐照图案(也被称为孔洞刻痕图案)。图10A和10B示意性地示出了这些图案。螺旋状的辐照图案应该足够将内部的圆柱切下来，但在某些厚度超过1.5mm到2mm的透光体中，这些孔便被碎片所阻塞。在这些透光体中，为了在这些孔正在被钻时使液体能够更好地在孔中对流和冲洗，我们通过在该图案内引入垂直切割通道来修改螺旋状的刻痕图案(图10B)。在整个螺旋状的刻痕图案内垂直切割的通道改善了液体对流并帮助解决了阻塞孔洞的问题。由此，如图10B所示，在本实施例中，孔洞刻痕图案具有垂直分割的横截面。图10C示出了所刻通道的显微照片。
在辐照期间，液体39’沸腾了，并且碎片的冲洗因上升到液体表面的泡泡和流入被切通道(孔)中的新鲜液体所引起的自然对流而发生。不过，如果泡泡(i)粘在透光体10的表面，和/或(ii)足够大，则它们可能会阻碍碎片的冲洗。由此，在这种情况下，在水中添加表面活性剂以消除泡泡粘在样品表面上的现象并减小泡泡的尺寸。这种表面活性剂的一个示例是十二烷基硫酸钠(sodium dodecylsulfate)，即SDS。也可以使用其它表面活性剂。我们也发现添加甲醇也可以改进钻孔过程。两种添加剂的量都不是临界的，特别是蒸馏水中的表面活性剂的量(在本示例中是SDS)接近饱和并且该液体与甲醇以50/50的比率混合。更具体地讲，在一个实施例中，我们向30毫升的水中添加约5毫升的SDS。另外，因为在钻孔过程中表面活性剂可能被逐渐消耗掉(因为激光会使SDS分子分解)，所以在钻孔过程中，如果需要，我们会向水中添加SDS。
透光材料10的典型折射率约为1.45到1.7。在某些情况下，当透光材料10的折射率N与水(n＝1.33)差别甚大时，基于水的液体并不适用。这是因为太多的光可能在玻璃与水的界面上被反射掉了。不过，当在显示玻璃中钻孔的同时面对这种问题时(参看下文的表格1)，通过使用折射率约为1.47的二甲基亚砜(dimethylsulfoxide，DMSO)作为液体39’，而不再使用水或基于水的溶液，我们能够解决上面提到的问题。
通过辐照激光束写入螺旋状激光辐射刻痕图案(该孔洞刻痕围绕未暴露的中心玻璃体)，便形成了各种预定直径的孔。由周围的刻痕图案所围绕的内部未经暴露的部分接着从块状透光体10中剥离。在2mm厚的块中辐射出120微米直径的圆柱。平移平台和所容纳的透光体10以写出连贯的环以构成一个圆柱。环的直径约为120微米，环面之间的分离距离约为2到3微米，所使用的是7.5到10毫焦的脉冲能量、40飞秒的脉冲、800nm的波长、20kHz、以及250微米/秒的写速度。更具体地讲，在一个实施例中，我们提供2mm厚的HPFS(高纯度熔融二氧化硅)晶片，作为透光体10。我们使用简单的螺旋状辐照图案，以在该材料中产生一个孔。图11A是这种晶片的显微镜照片，并示出了所产生的孔46。图11B是从该孔46中出来的引脚(未经暴露的玻璃体)的照片。在这种晶片中制造126微米直径的孔所需时间约为10分钟。被辐照的螺旋直径为110微米，并且最后的直径会因焦点光斑的最终大小变得更大些。
在另一个示例中，使用上述步骤并使用用于液体39’的丙酮芘，便可以在2mm熔融二氧化硅片中钻出126微米孔。
图12示出了在HPFS片中示例性的二乘二的126微米的孔阵列的照片。然后，将光纤52插入孔46中。当光纤52插入孔中时，多根光纤52的纤芯之间中心到中心的距离的测得变化值是0.7微米，而直径变化值是0.1微米。
表格1提供了用于不同的示例性玻璃和晶体蓝宝石的一些钻孔条件示例。在本说明书中还提供示例性材料的化学组分。所产生的孔的直径约为126微米。注意到，蓝宝石非常容易钻孔，尽管它是最硬的材料之一。平移速度相对较高，蒸馏水中不需要任何添加剂，并且没有垂直通道的螺旋状刻痕很有效。
表格1
*步长是沿圆柱形孔测得的。
**无法优化速度。添加甲醇可增大钻孔速度。
我们发现通过使用本方法，它们可以以5微米/秒以上的速度切割125微米的孔，较佳地在10微米/秒以上。更佳地，切割速度应该在20微米/秒以上并小于2mm/s，较佳地，小于500微米/秒。对于尺寸更大的孔而言，较佳的切割速度可能是不同的。我们发现激光束参数对于激光钻孔的效率而言是重要的。延长激光脉冲持续时间可使非线性吸收和玻璃熔融最大。另一方面，中等的平均功率与适宜的刻蚀速度一起应该可最佳地用于快速熔融而不用碎片阻塞所产生的孔。当光功率过大时(对于玻璃而言大于等于20微焦，对于晶体材料而言是30微焦，这些都是对直径为125微米的孔而言的)，水对流不够快以至于无法清洗掉孔中的碎片，所以熔融速度的选择应该用对流速度来平衡一下。我们发现，就孔的平滑度和钻孔速度而言，能量为7.5到10微焦的激光脉冲和在50到250微米/秒范围中的切割速度可提供非常好的结果。在一个示例性实施例中，我们能够在约12分钟内在4mm厚的氧化物玻璃中钻出一个直径126微米的孔。
示例性的材料在一个示例中，透光体10是氧化物块状玻璃体，在本示例中它是含二氧化硅玻璃体(ULE玻璃，可从纽约州的Corning公司获得)的TiO2。在较佳的实施例中，TiO2硅二氧化物二氧化硅玻璃体含5-10wt.％的TiO2，最佳地，TiO2二氧化硅玻璃的OH含量＞100ppm OH wt.，更佳地，＞500ppm OH wt.，较佳地二氧化硅玻璃是直接沉积玻璃，它基本上由SiO2和TiO2组成。在尤佳的实施例中，TiO2硅二氧化物熔融二氧化硅玻璃体包含6-8wt.％的TiO2，更佳地6.5-7.5wt.％的TiO2，最佳地约为7wt.％的TiO2。较佳地，在5℃到35℃的温度范围中，6-8wt.％的TiO2硅二氧化物熔融二氧化硅玻璃体具有范围在-30ppb/℃到30ppb/℃中的CTE。
在另一个可选的示例性实施例中，透光体10是二氧化硅玻璃体，更具体地讲，是分批熔融硼硅酸盐玻璃，较佳地具有至少1％的氧化硼，更佳地至少3％的氧化硼。
在一个实施例中，二氧化硅玻璃体是窗户玻璃，比如分批熔融碳酸钙玻璃，较佳地具有至少1％的Na2O和1％的CaO，更佳地至少3％的Na2O和3％的CaO。
在一个实施例中，透光体是表格1中的显示玻璃。更具体地讲，它是分批熔融熔化压延型平板玻璃，较佳地，B2O3氧化铝二氧化硅玻璃约含50(±5)wt.％SiO2，15(±5)wt.％氧化铝，7.5(±2)wt.％B2O3，以及14(±5)wt.％碱土。这种玻璃的钻孔是通过使用DMSO来制造的。
在一个示例性实施例中，氧化物块状玻璃体10可以是未陶瓷化的微晶玻璃。较佳地，带有孔洞刻痕图案的未陶瓷化的微晶玻璃接着被陶瓷化，以发展成晶体。氧化物块状玻璃体10可以是感光性的核形玻璃(也被称为表格1中的Fotoform，从纽约州的Corning公司中可以获得)，最佳地感光性核形玻璃形成硅酸锂微晶相，较佳地，铝矽酸锂玻璃(比如，fotoform铝矽酸锂)的组成约为79(±1)wt.％SiO2，9.4(±1)wt.％Li2O，1.6(±1)wt.％Na2O，4(±1)wt.％K2O，4(±1)wt.％Al2O3，1(±.5)wt％ZnO，0.4(±.2)wt.％Sb2O3，0.015(±0.005)wt.％CeO2，0.003(±0.003)wt.％SnO2，0.001(±.0005)wt％Au，0.1(±.05)wt.％Ag。
在一个可选的实施例中，在玻璃体38中形成孔洞之后，使未陶瓷化的微晶玻璃陶瓷化。未陶瓷化的微晶玻璃体10可以是铝矽酸盐玻璃生坯。在一个实施例中，未陶瓷化的微晶玻璃是铝矽酸锂玻璃体。
示例性的未陶瓷化的微晶玻璃可以含TiO2或TiO2和ZrO2。在一个实施例中，微晶玻璃体是铝矽酸锂玻璃体，它可以陶瓷化成负的热膨胀基片，较佳地在温度范围-40℃到85℃的范围中，其CTE介于-20×10-7/℃到-100×10-7/℃之间，更佳地，Li2O∶Al2O3∶SiO2摩尔比介于1∶1∶2到1∶1∶3之间，最佳地包括8-12wt％Li2O、30-45wt％Al2O3、40-60wt％SiO2、3-6wt％TiO2、0-3wt％B2O3、0-4wt％P2O5。在一个实施例中，微晶玻璃型的玻璃体是铝矽酸锂玻璃体，它可陶瓷化成微晶玻璃型，并具有小于20×10-7/℃的低平均CTE(0-1000℃)，较佳地包括3-8wt％Li2O、18-33wt％Al2O3、55-75wt％SiO2、3-5wt％TiO2+ZrO2。在一个实施例中，微晶玻璃型的玻璃体是铝矽酸锂玻璃体，它可陶瓷化成微晶玻璃型，其线性热膨胀平均系数为0±0.10×10-6/K(0-50℃)，更佳地，线性热膨胀平均系数为0±0.05×10-6/K(0-50℃)，最佳地线性热膨胀平均系数为0±0.02×10-6/K(0-50℃)。较佳地，微晶玻璃型铝矽酸锂玻璃体可陶瓷化成微晶玻璃体，其线性热膨胀的平均系数为0±0.10×10-6/K(0-50℃)，重量百分比组成约为55.5(±1)wt.％SiO2，25.3(±1)wt.％Al2O3，3.7(±1)wt.％Li2O，1(±1)wt.％MgO，1.4(±1)wt.％ZnO，7.9(±1)wt.％P2O5，0.5(±0.5)wt.％Na2O，0.03(±0.03)wt.％Fe2O3，2.3(±1)wt.％TiO2，1.9(±1)wt.％ZrO2，0.5(±0.5)wt.％As2O3。
器件的示例本发明包括制造光纤器件和其它器件的方法以及由该方法制成的器件。光纤器件的一个示例是光纤固定器。如图13A-13C所示，本发明的一个实施例较佳地包括在氧化物块状玻璃体10中预定的位置处聚焦刻出多个孔洞刻痕图案形成光纤收容孔阵列46。如图13C所示，这种大孔洞阵列46被用来形成光纤透镜阵列，其精确构成的孔洞46与光纤透镜阵列的透镜54排成一行，使得孔洞46可将光纤50的纤芯与透镜54的光轴对齐。
制造光纤器件的方法可以被用来提供如图14A-14D所示的器件。这些器件是光纤固定器，用来提供有效的手段来精确地对齐含在透光体10的光纤容纳孔46中的多根光纤50。这种光纤固定器器件可用于光纤光子学器件中。
如图15所示，本发明可用于制造光纤器件，此处在两个分开的地方用这种器件来固定光纤。更具体地讲，氧化物块状玻璃体10最好是未陶瓷化的微晶玻璃，并且玻璃体10可陶瓷化成负的热膨胀微晶玻璃型。使用图15所示的实施例时，氧化物块状玻璃体10最好陶瓷化成负的热膨胀微晶玻璃型基片体，使得含光纤布拉格光栅56的光纤50被固定在孔46内，光纤50在张力的作用下被固定。使用这种实施例时，通过微晶玻璃负的热膨胀调节光纤的张力，使孔含式光纤的光栅56绝热从而不受温度变化影响。由此，制造光纤固定器的方法还包括这样一步，即将至少一个光纤插入按上述那样通过透光体10的湿法钻孔而产生的孔洞之中。
在可选的实施例中，如图16所示，孔洞刻痕图案具有非圆形的横截面形状，比如三角形、正方形、矩形、菱形、椭圆形横截面形状。孔洞刻痕图案可以具有不断增大的中央横截面。较佳地，所提供的透光体具有第一表面和第二远端表面以及在所述第一和第二表面之间的厚度中间，其孔洞刻痕具有不断增大的横截面，其不断增大的横截面从最小的横截面(例如，紧靠至少一个表面)增大到最大的横截面(紧靠厚度中间)。图17B的不断变化的横截面轮廓孔洞刻痕42具有紧靠至少一个玻璃体表面101的最小横截面103和最大横截面104。如图17A所示，不断最大的横截面轮廓孔洞刻痕42可以通过在连续平行的平面中刻出圆环而形成，比如通过在环形移动的过程中平移平台和玻璃体刻出第一环，然后将焦点(平移平台)移动到玻璃中并通过平移平台和玻璃体而刻出第二环，继续刻环，其直径随激光焦点不断深入玻璃体直到厚度中间而不断增大或收缩。如图17B所示，不断增大的孔洞刻痕42可以具有像图16所示的非圆形横截面。该方法可用于产生带有凹陷或杯状物阵列的容器盘，它们的横截面大小不断变化(从顶部到底部)。
激光刻出的孔洞刻痕图案可以包括紧靠第一表面的光纤漏斗锥形截面，并且最小横截面紧靠第二远端表面。较佳地，在这些表面之间，玻璃具有至少0.25mm的块状玻璃厚度。较佳地，激光刻出的孔洞刻痕图案不断增大的横截面具有圆形的几何形状。不过，不断增大的横截面可以具有直侧面几何形状，比如三角形、矩形、正方形或菱形。
本发明能够在玻璃和其它透光材料中钻出大小预定且空间精度精细的孔。激光刻痕图案的形状(暴露的孔洞刻痕图案)几乎可以是任何能够用激光束刻出的形状，而最终形状的孔的深度和纵横比则进一步由特定的应用来确定。本发明的优点在于，它能够对厚样本(高达几个毫米)进行微加工，较佳地是大于亚毫米厚度的厚块状玻璃体，较佳地是至少约2mm厚度的玻璃体。本方法可应用于种类很广的材料，这些材料在辐射激光器的激光波长处是透明的，该激光器产生亚皮秒的激光脉冲持续时间。如上所述，较佳地，本发明的激光光源产生足够的脉冲能量(4微焦左右或更多)以及亚皮秒的激光脉冲持续时间，最佳地在100飞秒之下。
对于本领域的技术人员而言，很明显，在不背离本发明的范围的情况下可以对本发明作出各种修改和变化。因此，本发明旨在覆盖这些修改和变化，只要它们落在所附的权利要求书及其等价方案的范围内。
权利要求
1.一种穿透透光体钻出至少一个孔的方法，所述方法包括提供超短脉冲激光器，用于产生波长为λ的激光输出，所述激光输出具有亚皮秒的激光脉冲持续时间；提供激光输出聚焦透镜，用于聚焦所述激光输出，所述聚焦透镜的数值孔径为NA；提供透光体，所述透光体在λ处的透明度至少为90％/cm；提供装满液体的容器，紧靠所述透光体的至少一部分而放置，使得所述透光体与所述液体直接接触；并且引导所述激光输出通过所述聚焦透镜以产生经聚焦的激光输出，其激光脉冲持续时间是亚皮秒量级且紧靠所述透光体，当所述透光体和所述经聚焦的激光输出在X-Y-Z方向上彼此相对移动的同时，所述经聚焦的激光输出穿透所述透明玻璃体刻出至少一个孔洞刻痕图案；其中，所述至少一个孔洞刻痕图案与所述液体接触，并且所述经聚焦的激光输出与所述液体一起在所述透光体中形成至少一个孔。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述孔洞刻痕图案的宽度至少为22微米。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述孔洞刻痕图案的宽度介于75微米与200微米之间。
4.如权利要求1-3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括如下步骤提供可控定位平移平台；将所述透光体放置在所述平台内；并且相对于所述经聚焦的激光输出的位置来平移所述透光体。
5.如权利要求1-3所述的方法，其特征在于，所述经聚焦的激光输出相对于所述透光体的移动速度至少是每秒10微米。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述经聚焦的激光输出相对于所述透光体的移动速度在每秒50微米到每秒250微米的范围中。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，脉冲能量至少是4微焦。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述透光体包括的材料选自玻璃，微晶玻璃，未陶瓷化的微晶玻璃，以及蓝宝石。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，提供透光体的步骤包括提供带有至少100ppm wt.OH的二氧化硅玻璃。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，提供透明体的步骤包括提供未陶瓷化的微晶玻璃，所述未陶瓷化的微晶玻璃选自铝矽酸盐玻璃生坯，可陶瓷化成负的热膨胀微晶玻璃体的玻璃，以及感光性核形玻璃。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述液体包括下列中的至少一种(i)水，(ii)表面活性剂，(iii)甲醛，(iv)丙酮。
12.如上述权利要求中的任意一条所述的方法，还包括将光纤插入所述孔中的步骤，由此提供其孔中含有光纤的玻璃体。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述经聚焦的激光输出与所述液体一起在所述透光体中形成多个孔。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述方法包括将光纤插入所述玻璃体的所述各个孔中的步骤。
15.如上述权利要求中的任意一条所述的方法，其特征在于，提供所述超短脉冲激光器的步骤提供了其激光脉冲持续时间小于50飞秒的激光输出。
16.如权利要求1-7或11所述的方法，其特征在于，提供所述超短脉冲激光器的步骤产生了其脉冲大于等于5微焦的激光输出。
17.如权利要求1-7所述的方法，其特征在于，所提供的透光体是在λ处透明度大于等于95％/cm的氧化物块状玻璃体。
18.如权利要求1所述的方法，其特征在于，提供所述超短脉冲激光器的步骤包括提供λ小于1000nm的激光器。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述波长λ在800±100nm的范围内。
20.一种由权利要求1-7所述的方法制成的光学器件。
全文摘要
一种用于在透光体(10)中钻出至少一个孔的方法包括如下步骤(i)提供超短脉冲激光器，用于产生具有某一波长的激光输出，该激光输出具有亚皮秒的激光脉冲持续时间；(ii)提供用于聚焦激光输出的激光输出聚焦透镜(34)，该聚焦透镜(34)的数值孔径为NA；(iii)提供透光体(10)，该透光体(10)的透明度至少为90％/cm；(iv)在紧靠透明体(10)处提供装满液体(39’)的容器(39)，使得透光体(10)与液体(39’)直接接触；并且(v)引导激光输出通过聚焦透镜(34)以产生经聚焦过的激光输出，该激光输出具有亚皮秒的激光脉冲持续时间并与透光体(10)紧靠，其中当透光体(10)与经聚焦过的激光输出彼此相对地在X－Y－Z方向上移动时，所述经聚焦过的激光输出穿透透明玻璃体印刻出至少一个孔洞刻痕图案。该至少一个孔洞刻痕图案与液体和经聚焦过的激光输出相接触，并与液体(39’)一起在透光体(10)中形成至少一个孔洞。
文档编号B23K26/12GK1845812SQ200480025425
公开日2006年10月11日 申请日期2004年6月22日 优先权日2003年7月31日
发明者J·F·施罗德, A·斯特瑞尔特索弗 申请人:康宁股份有限公司