专利名称：在透明电介质材料内部制备波导光栅的方法
技术领域：
本发明属于精密微光电子学器件制备技术领域和光学信息处理领域，尤其是一种利用超短激光脉冲在玻璃内部制备波导光栅(Waveguide Grating)的方法。
背景技术：
近年来，利用飞秒激光在玻璃中制备波导的研究取得了显著的发展，这种波导的制备是采用在玻璃内部直写法，即利用了辐照区的折射率比未辐照区域折射率增大的特性，不需要多层介质；它是一步方法，不需要多次处理，一般是通过移动聚焦的激光焦点一次性扫描出来的；由于利用了高度非线性多光子过程，不需要材料对激光具有光敏性，因此可以使用多种透明介质，例如无机和有机玻璃以及晶体等等。人们对脉冲参数、聚焦条件以及扫描方式等对波导性能的影响进行了广泛研究，并在此基础上制备出二维光栅、耦合器和菲涅尔波带片等微光学元件等。
在集成光学领域内，波导中的光栅更具有特别重要的意义。因为光波导把光束截面限制在光波长量级的范围内，提供了光的一维或多维无衍射传播，波导中传播的导波和制备在波导上的光栅发生矢量相互作用。通过光栅材料与光栅结构参数(折射率、周期、形状)的变化，可根据人们需要任意改变导波的传输行为。因而不同材料和结构的光栅起到了各种不同集成光学元件的作用。与常规体光学器件相对比，如透镜、棱镜、反射镜、分束器、滤波器、光栅等，在集成光学系统中，波导光栅可以实现导波光的耦合、分束、反射、滤波、聚焦、衍射分光等各种功能。只不过不同的集成光学器件，波导光栅的周期与形状各不相同而已。可见，波导光栅在集成光学乃至灵巧结构的微光机电系统中的应用前景十分诱人。
综上所述，在透明电介质中制备波导光栅成为亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明致力于提供一种透明电介质材料内部波导光栅制备方法。
本发明的上述目的是通过如下的技术方案予以实现的采用钛蓝宝石飞秒激光器等脉冲激光系统，通过相应的透镜将激光束聚焦到透明的电介质材料样品体内，透镜选择0.3＜NA＜1.5；根据波导光栅的结构和尺寸需求，控制激光束焦点在透明的电介质材料样品体内相对移动的方向、次数和速度，让透明的电介质材料样品被激光焦点照射发生周期性地折射率改变，形成波导光栅。
制备波导光栅具体步骤如下1、波导光栅的设计波导光栅分为短周期、长周期、啁啾光栅三种。根据对于器件性能的要求比如反射波长、反射率、透射率的需要采用BPM(BeamPropagation Method)方法进行模拟计算，得到制作波导光栅的周期。
2、产生激光脉冲步骤采用钛蓝宝石飞秒激光器或光纤飞秒激光器等短脉冲激光系统，输出激光脉冲的重复频率可以为1Hz到100MHz可变调节。调整激光装置，形成脉冲宽度为30飞秒到500飞秒之间、脉冲能量为10nJ到2μJ之间。所选飞秒激光输出波长可以为200nm～1550nm。
3、样品选择对于所用飞秒激光器输出的飞秒激光波长透明的电介质。
4、整形和滤波步骤利用整形和滤波装置处理激光束，并注入聚焦装置。其中整形包括在聚焦透镜前加宽度为50μm到500μm的狭缝，或者利用柱面镜组合改变光强分布。滤波步骤为针孔滤波，再用倒置望远镜进行空间扩束，以得到较好的空间基模，并注入聚焦系统。针孔直径由计算聚焦透镜的焦点大小决定。
5、聚焦步骤根据所要制备的波导光栅结构以及尺寸需求，通过相应的透镜将激光束聚焦到移动平台上某一点。透镜可选择0.3＜NA(数值孔径)＜1.5。写入深度由透镜焦距长度、对波导端面纵横比的要求以及样品厚度等参数决定。
6、控制焦点与样品相对移动步骤将样品放置在移动平台上，通过控制移动平台移动从而带动样品相对于激光焦点移动。或者利用转镜系统，控制激光焦点移动，样品固定，从而实现相对移动。
7、基本写入步骤打开快门输出激光束，同时通过控制装置使激光束焦点在样品体内按照一定轨迹相对移动。其中，快门响应速度小于100ms，对于高速制备，需要更快响应速度的快门，才能保持加工精度。移动由计算机程序控制。所述的样品是对所用飞秒激光透明的电介质材料。
8、波导光栅写入方法可分为多步写入波导光栅和一步写入波导光栅两种方法。其中多步写入波导光栅分为在样品中制备波导和在波导中制备光栅的两个过程。
A、利用飞秒激光在样品中制备光波导。
(1)横向扫描方法制备光波导所述方法为将飞秒激光聚焦到要制备波导光栅的样品中，聚焦深度根据透镜焦距长度、对波导端面纵横比的要求以及样品厚度等参数需要调节。样品沿着激光入射方向垂直的方向移动。速度可以在1μm/s到1cm/s之间调节，此参数具体值由飞秒激光的重复频率决以及单脉冲能量决定。样品中被激光焦点照射的地方折射率会发生变化，形成波导。
(2)纵向扫描方法制备光波导所述方法为将飞秒激光聚焦到要制备波导光栅的样品中，聚焦深度根据透镜焦距长度、对波导端面纵横比的要求以及样品厚度等参数需要调节。样品沿着激光入射方向移动，速度可以在1μm/s到1cm/s之间调节，此参数具体值由飞秒激光的重复频率决定。波导长度由透镜的焦距决定。样品中被激光焦点照射的地方折射率会发生变化，形成波导。
B、在波导中制备光栅。
(1)控制快门的方法焦点一直沿着波导方向作相对移动，周期性控制快门的打开与关闭，当快门打开时，经过飞秒激光焦点曝光的波导区域折射率进一步增大，从而形成周期结构。通过计算机控制快门的打开关闭频率从而得到不同的光栅周期长度，可实现长周期、短周期以及变周期波导光栅的制备。
(2)交叉扫描方法通过控制焦点和样品相对移动，在已经扫过的波导中沿着于波导垂直或者呈一定角度方向扫描。通过计算机控制交叉线之间的间隔从而得到不同的光栅周期长度，可实现长周期、短周期以及变周期波导光栅的制备。
另外，也可以波导和光栅一次性写入。
通过改变移动速度或扫描次数，使得折射率改变量周期性分布。
9、退火步骤根据光学元件在较高温度工作的稳定性要求，在相应的温度下对波导光栅进行退火处理。飞秒激光制备的波导光栅在室温下放置都很稳定。当元件工作在比较高的温度下，比如500℃，折射率增量将随工作时间延长而逐渐降低，限制了光学器件在高温环境条件下稳定工作。通过退火可以改善器件在不同温度能稳定工作。退火处理还能降低光学结构的传输损耗，减小成丝的不均匀性、抑制噪声并提高传输效率。
利用本发明的方法，只要控制激光脉冲能量、脉宽、聚焦物镜数值孔径、样品移动速度、重复扫描次数和退火工艺等参数，即可实现快速高精度制备波导光栅及其相关器件。与现有其他制备方法相比，本发明的方法具备如下优点(1)制备方法简单，容易实施，一次成型。只需将激光束准直输入到样品相应位置；(2)制备速度快，材料透明稳定适合工业应用；(3)由于采用的是石英玻璃等非光敏材料，所以产品的热稳定性好；(4)由于飞秒激光作用到石英玻璃中产生的折射率变化比一般的光敏玻璃经过紫外光照射后产生的折射率变化大，所以制作的波导光栅周期数可以明显少于同等性能的光纤光栅；(5)由于产品采用扫描方式，可以根据设计制作各种波导光栅。无需重新开发模板等工序；(6)由于可以在玻璃体内三维加工，所以便于集成元件的开发制造。尤其对于一些相对距离要求严格的集成光路有独特优势。
图1为本发明飞秒激光焦点横向和纵向移动示意图；图2为本发明控制快门周期性打开关闭示意图；图3为本发明的多步写入波导光栅示意图；图4为本发明的一步写入波导光栅示意图；图5为本发明的波导光栅制备装置示意图；图6为本发明的横向扫描方法形成的波导显微镜示意图；
图7为采用本发明交叉扫描方法制备的波导光栅的俯视图；图8为采用精确控制开关方法进行制备的波导光栅俯视图；图9为采用本发明制备的带有波导光栅的集成器件示意图。
图5中，1-超短脉冲激光器，2-输出激光光束，3-小孔空间滤波器，4-能量调节装置，5-快门，6-反射镜，7-分束镜，8-聚焦显微镜，9-CCD，10-样品，11-照明光纤灯，12-三维数控平移台，13-计算机，14-信号传输线，15-耦合输入端口，16-光栅反射输出端口，17-耦合输出端口1，18-耦合输出端口2，19-波导光栅部分。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
(一)波导光栅设计1978年K.O.Hill等人首先在掺锗光纤中采用驻波写入法制作第一只光纤光栅，经过二十多年来的发展，在光通信、光纤传感等领域均有广阔的应用前景。根据光栅周期的长短不同分为布喇格光纤光栅(FBG)和长周期光纤光栅(LPFG)以及啁啾光栅。布喇格光纤光栅又称为短周期光栅或反射光栅，其周期大致在零点几微米到几微米之间；长周期光纤光栅的周期通常为几十微米到几百微米；啁啾光栅为变周期光栅。
假设波导折射率变化只随传播方向Z发生变化，其中n为波导折射率，Δn(z)为光栅与波导折射率的差值。
(1)光栅类型分析a.Bragg波导光栅Bragg波导光栅又叫反射光栅。在波导中传播的光波，由于光栅的作用使相反方向的光相互耦合。此时光栅周期必须满足相位匹配条件
βp-βs-l2πΛ=2βp-l2πΛ=0---(1)]]>其中s，p表示模阶次，β为传播常数，l表示s模和p模通过Δn(z)的第l个谐波发生耦合，Λ为光栅周期。经过详细推导可以得出βp=lπΛ---(2)]]>又因为βp＝Neffk0，k0＝2π/λ (3)所以代入(2)可以推出Λ=lλ2Neff(l=1,2,3...)---(3)]]>Neff为有效折射率约等于波导折射率n。
此时耦合系数Kc=nΔnmaxωϵ0lπ∫-∞+∞[Ey(s)(x)]2dx---(5)]]>Δnmax为波导和光栅部分折射率变化的最大差值。本耦合系数为假设折射率分布为矩形所得。最大反射率R为R＝tanh2(KcL) (6)其中L为光栅的长度。
反射带宽表示为Δλ=λ(Δn/2Neff)2+(1N)2---(7)]]>其中N为周期个数。
b.长周期光纤光栅长周期光纤光栅又叫透射光栅在波导种传播的光波，由于光栅的作用使相同方向的光相互耦合。此时光栅周期必须满足相位匹配条件
βp-βs-l2πΛ=0---(8)]]>又因为β＝Neffk0，k0＝2π/λ代入(8)，可以得到Λ=lλΔNeff(l=1,2,3...)---(9)]]>其中ΔNeff=Neffp-Neffs,]]>l为阶数。因为ΔNeff远小于2Neff，所以通过(4)与(9)的比较可以看出，长周期波导光栅的的周期远大于Bragg波导光栅的周期。实际制作的长周期光纤光栅为百微米量级。最大透射率T为T＝sin2(KcL) (10)带宽Δλ=2λΛ1L1-(KcLπ)2---(11)]]>Λ1为1阶长周期光纤光栅的周期(2)波导光栅参数设计以Bragg波导光栅为例a.周期长度根据公式Λ＝lλ/2Neff，决定周期长短的可变因素有两个即光栅阶数l和反射波长λ。针对我们对光波的反射需要，可以设定不同的波长；按照加工精度的需要，可以改变光栅的阶数计算出相应周期长度。以1阶Bragg波导光栅为例。根据公式Λ＝lλ/2Neff，l＝1，Neff＝1.461.对于波长为1.55μm的通信波长，1阶Bragg波导光栅的反射周期为Λ＝0.53046μm时可以发生相位匹配，形成反射。
b.反射率据公式R＝tanh2(KcL)，其中Kc=nΔnmaxωϵ0lπ∫-∞+∞[Ey(s)(x)]2dx.]]>R是KcL的函数。
KcL=nΔnmaxωϵ0λN2πNeff∫-∞+∞[Ey(s)(x)]2dx---(17)]]>N为周期个数。波导折射率，光栅折射率变化差值、传输光强以及周期个数的增加都会导致KcL的增大。通过上式可以计算反射率R。
c.反射带宽根据公式Δλ=λ(Δn/2Neff)2+(1N)2---(14)]]>反射带宽由参数λ、Δn、Neff、N决定。对于给定反射波长的光栅，折射率调制度增大，周期个数变小都会增加反射的带宽。
下面是根据BPM(Beam Propagation Method)算法模拟的结果具体参数设置
(二)产生激光脉冲所述超强激光脉冲可以采用钛蓝宝石飞秒激光器或光纤飞秒激光器等短脉冲激光系统，输出激光脉冲的重复频率可以为1Hz到100MHz可变调节。调整激光装置，形成脉冲宽度为30飞秒到500飞秒之间、脉冲能量为10nJ到2μJ之间。所选飞秒激光输出波长可以为200nm～1550nm。
(三)样品选择对于所选飞秒激光波长透明的电介质。多选用纯石英玻璃或掺锗石英玻璃等作为实验材料，它们具有较大的折射率改变量，重复性好，与现在使用的光纤接近。也可以采用其它玻璃等透明材料。对于长波长飞秒激光可以选择硅作为加工材料，此材料通用性强，并且和现在的半导体产业联系紧密。
(四)激光整形和滤波利用整形和滤波装置处理激光束，并注入聚焦装置。其中整形包括在根据需要在聚焦透镜前加缝宽为50μm到500μm的狭缝，狭缝大于500μm整形效果不明显，小于50μm要求很高的输入光强，会破坏聚焦透镜。或者利用柱面镜组合改变光强分布。滤波步骤为针孔滤波，再用倒置望远镜进行空间扩束，以得到较好的空间基模，并注入聚焦系统。针孔直径由计算聚焦透镜的焦点尺寸决定。下面简单举例计算。经过聚焦后的焦点的半径满足以下公式ω=0.61*λNA---(15)]]>此公式中NA为聚焦透镜的有效数值孔径，λ为飞秒激光波长，ω为焦点半径。对于波长为800nm的飞秒激光，如果NA＝0.015，那么焦点的半径为32.53μm。可选用半径为32μm的针孔。
(五)聚焦根据所要制备的波导光栅结构以及尺寸需求，通过相应的透镜将激光束聚焦到移动平台上某一点。用于加工的透镜一般选择物镜，因为它的数值孔径比较大，有利于聚集能量。不同数值孔径的物镜，对于飞秒激光的聚焦效果是不同的。对于NA＜0.3的数值孔径，焦点部分由于自聚焦与自散焦相互平衡，从而产生所谓的成丝效应(filament)，用这种透镜加工的波导纵横比很大。纵横比大的波导会降入射的单模光转化为多模光，所以一般可以选用0.3＜NA＜1.5的透镜。另外要控制好聚焦深度。由于入射的飞秒激光传输的过程中要经过空气和样品，这两种介质的折射率不匹配，会产生球差效应。此种效应会在纵向拉伸焦点，增大纵横比，不利于加工波导。也可以用消球差物镜加工，减少折射率不匹配造成的影响。
(六)控制焦点与样品相对移动焦点和样品的相对移动可以通过固定焦点移动样品或者固定样品移动焦点来实现。
方法(1)固定焦点移动样品将样品放置在移动平台上，通过调节移动平台使激光束的焦点达到样品体内的写入位置。用于精密制备的平移台多种多样，考虑样品需要移动的范围和调制精度，可采用相应型号的三维移动平台或者转镜系统。目前有在空间上移动位置的精确度可以达到亚微米到纳米量级甚至更小的型号，可以对样品内光栅结构的位置进行精密调节。对样品加工精度要求不高时，可采用普通一维、二维、三维等数控平移台聚焦到体内的位置。
方法(2)固定样品，移动焦点转镜系统。
(七)基本写入为了在样品移动的同时精确地将波导光栅结构制备在相应位置上，可以采用快门来控制激光脉冲在样品中写入开始和停止，即在样品移动到相应位置时，快门打开放出激光脉冲进行加工制备，制备完毕时快门关闭。该快门可以由计算机同步实时控制。其中，快门响应速度应小于100ms，对于高速制备，需要更快响应速度的快门，才能保持加工精度。
(八)具体写入方式一、根据控制激光束焦点在透明的电介质材料样品体内移动的方向，可分为在样品中制备波导和在波导中制备光栅的两个过程。
(1)用飞秒激光制备光波导有两种方案横向扫描和纵向扫描。
a.纵向扫描飞秒激光经过低数值孔径物镜聚焦到玻璃样品体内。样品随着平移台沿着平行于飞秒激光入射方向移动，如图1(a)。此扫描方法利用飞秒激光的成丝效应即经透镜聚焦的激光脉冲与电介质材料相互作用产生自陷等非线性光学效应，形成长丝状传输，长丝光束引起传输区域折射率变大。这个区域对光有限制作用。这种方法的优点是端面为圆形，和真实光纤一致，不需要补偿。缺点是由于透镜工作距离的限制，波导长度受到限制，并且不能制作弯曲波导，灵活性受到限制。
b.横向扫描飞秒激光经过高数值孔径的物镜聚焦到玻璃样品体内。样品随着平移台沿着垂直飞秒激光入射方向移动，焦点经过的地方由于多光子效应折射率变大，形成光学波导，如图1(b)。这样的扫描方法有很多优点，比如波导长度不受聚焦透镜限制，可以扫描任意长度，并且可以扫描弯曲波导，有利于波导的集成化等。缺点是由于球差、非线性作用以及物镜聚焦特性的影响，波导的端面呈现椭圆形分布。上述缺点可以通过改变实验装置以及实验条件解决，比如改变光斑形状，用消球差的物镜，增大物镜数值孔径，减小入射能量，改变扫描速度，人为控制聚焦深度等等。
经研究发现，波导导光区域的折射率大小、分布以及输出光强分布模式与激光脉冲写入条件密切有关。通过精密控制激光写入能量、写入速度、激光脉宽等参数，可得到符合要求的波导器件，再利用多次扫描和退火工艺进一步提高质量。可以通过能量衰减器和能量计控制能量；通过激光器内部的压缩光栅对和自相关仪控制激光的脉宽；通过来回多次重复扫描增加波导折射率改变量；通过退火则可以消除波导结构的粗糙边界，降低折射率改变量并使导光区域变得更加稳定。通过上述条件的改变我们可以很好的控制折射率变化的大小和分布情况，从而制备出高质量的波导。
(2)在波导中制备光栅。
a.控制快门方法先扫描制备出折射率均匀的波导，然后在折射率改变未饱和之前，不改变光路再进行第二次扫描。焦点沿着波导方向移动，周期性控制快门的打开与关闭，当快门打开时，经过飞秒激光焦点曝光的波导区域折射率进一步增大，从而形成周期结构如图2。通过计算机控制快门的打开关闭频率从而得到不同的光栅周期长度，可实现长周期、短周期以及变周期波导光栅的制备。
b.交叉扫描方法先扫描制备出折射率均匀的波导，然后在折射率改变未饱和之前，不改变光路再进行第二次扫描。通过控制焦点和样品相对移动，在已经扫过的波导中交叉扫描。线可以和波导垂直，也可以根据需要呈一定的角度如图3。通过计算机控制交叉线之间的间隔从而得到不同的光栅周期长度，可实现长周期、短周期以及变周期波导光栅的制备。
二、采用波导和光栅一次性写入方法在移动台运动制备光栅时，通过改变移动速度或扫描次数如图4(a)(b)所示的方法使得折射率改变量周期性分布。扫描过的区域的最小折射率比未辐照的周围介质增大，扫描速度慢的辐照区域折射率较大，扫描次数多的辐照区域折射率较大。这种方法避免对准误差，但是要求参数调整协调统一。
比较两种写入方式的优缺点，确定最佳的写入方式，选择最佳激光参数和聚焦条件，制备出波导布拉格光栅。
实施例一扫描交叉方法制备光栅如图5所示，超短脉冲激光器1采用钛蓝宝石飞秒激光器，其输出激光光束2波长为800nm(纳米)左右，脉宽约为120fs(飞秒)，输出激光光束2经过针孔空间滤波器3滤波得到空间基模，经能量调节装置4调节得到适当能量后，经快门5，再用高数值孔径聚焦显微镜8进行聚焦到数控平移台12上的样品10上。
(1)波导制作
制作波导时采用专利中介绍的横向扫描方法即样品沿着垂直于激光入射的方向移动。制备波导所用单脉冲能量约0.4μJ(此能量并未使折射率变化达到饱和，为写光栅做准备)，聚焦深度为1.5mm，扫描速度为50.0μm/s，为保证波导的均匀性，波导扫描两遍，同时也可以提高波导的折射率改善导光性能。通过CCD9可以监测波导俯视方向的扫描情况以及端面形状。图6为俯视显微图。
(2)光栅制作本实例的光栅制作采用专利中介绍的扫描交叉线方法制备光栅。能量不变仍为0.4μJ，为尽量提高光栅处的折射率变化，扫描速度设为10.0μm/s。光栅周期间隔为4μm，针对波长为1.45μm光设计，阶数为4。图7为利用此方法制备的显微光栅图。
实施例二精确控制快门方法制备光栅与实例一中一样，如图5所示，超短脉冲激光器1采用钛蓝宝石飞秒激光器，其输出激光光束2波长为800nm左右，脉宽约为120fs，输出激光光束2经过针孔空间滤波器3滤波得到空间基模，经能量调节装置4调节得到适当能量后，经快门5，再用高数值孔径聚焦显微镜8进行聚焦到数控平移台12上的样品10上。检测光路与实例一相同(1)波导制作(同实例一)(2)光栅制作本实例的光栅制作采用专利中介绍的精确控制快门的方法制备光栅。计算机13用于同步实时控制快门5和三维数控平移台12，以使得在三维数控平移台12移动的同时精确地将光栅叠加到已经制备的波导上。能量不变仍为0.4μJ，为尽量提高光栅处的折射率变化，扫描速度设为10.0μm/s。光栅周期间隔为4μm，针对波长为1.45μm光设计，阶数为4。图8为利用此方法制备的显微光栅图。
实施例三飞秒激光直写的方法制备带有波导光栅的复杂结构本实例为X型耦合器，并且在一支上叠加光栅，图9为结构示意图。实验装置同实例一。如图5所示，超短脉冲激光器1采用钛蓝宝石飞秒激光器，其输出激光光束2波长为800nm左右，脉宽约为120fs，输出激光光束2经过针孔空间滤波器3滤波得到空间基模，经能量调节装置4调节得到适当能量后，经快门5，再用高数值孔径聚焦显微镜8进行聚焦到数控平移台12上的样品10上。
(1)X波导耦合器制备。
X形波导耦合器的制备方法利用专利中所述的横向扫描的方法。平移台在计算机的控制下扫描X形。本例中，波导折射率增量为5×10-3，设计两波导之间的夹角为1.5°，两个波导输出端口的能量比为1∶1。
(2)光栅制作。
光栅的制作采用专利中所介绍的精确控制快门方法制备光栅。在一条波导上叠加光栅。光栅的周期根据所需要设计。周期个数根据光栅的折射率调制度设计。利用以上结构，当输入光为宽带光源时，输出光端口17输出为经过反射之后的透射谱，端口18输出为未经过反射的透射谱，反射端口输出为反射光线。
此器件可以用于精密测量。如果外界条件发生改变，比如温度，压力等，材料的性质会发生变化，通过探测反射光线的性质可以计算出外界物理量的变化。
综上所述，本发明公开了一种透明电介质材料内部波导光栅制备方法。上面描述的应用场景和实施例，并非用于限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可做各种的更动和润饰，因此本发明的保护范围视权利要求范围所界定。
权利要求
1.一种在透明电介质材料内部制备波导光栅的方法，其步骤包括采用钛蓝宝石飞秒激光器等脉冲激光系统，通过相应的透镜将激光束聚焦到透明的电介质材料样品体内，透镜选择0.3＜NA＜1.5；根据波导光栅的结构和尺寸需求，控制激光束焦点在透明的电介质材料样品体内移动的方向、次数和速度，让透明的电介质材料样品被激光焦点照射的地方按照所设计的结构发生相应的折射率改变，形成波导光栅。
2.如权利要求1所述的在透明电介质材料内部制备波导光栅的方法，其特征在于根据对于器件性能的要求，如反射波长、反射率、透射率的需要采用BPM方法进行模拟计算，得到制作波导光栅的的结构和尺寸。
3.如权利要求1所述的在透明电介质材料内部制备波导光栅的方法，其特征在于采用钛蓝宝石飞秒激光器或光纤飞秒激光器等超短脉冲激光系统，输出激光脉冲的重复频率为1Hz到100MHz可变调节，调整激光装置，形成脉冲宽度为30飞秒到500飞秒之间，脉冲能量为10nJ到2μJ之间，所选飞秒激光输出波长为200nm～1550nm。
4.如权利要求1所述的在透明电介质材料内部制备波导光栅的方法，其特征在于将飞秒激光聚焦到要制备波导光栅的样品中，样品沿着激光入射方向垂直的方向移动，速度在1μm/s到1cm/s之间调节，此参数具体值由飞秒激光的重复频率以及单脉冲能量决定。
5.如权利要求1所述的在透明电介质材料内部制备波导光栅的方法，其特征在于将飞秒激光聚焦到要制备波导光栅的样品中，样品沿着激光入射方向移动，速度在1μm/s到1cm/s之间调节，此参数具体值由飞秒激光的重复频率决定。
6.如权利要求1、2、3、4或5所述的在透明电介质材料内部制备波导光栅的方法，其特征在于控制激光束焦点在透明的电介质材料样品体内移动，在样品中先制备波导，在折射率改变未饱和之前，不改变光路再进行激光束焦点沿着波导方向移动，实现在波导中制备光栅。
7.如权利要求1、2、3、4或5所述的在透明电介质材料内部制备波导光栅的方法，其特征在于打开快门输出激光束，同时通过控制装置让移动平台按照一定的轨迹移动，使激光束焦点在样品体内移动，其中，快门响应速度小于100ms。
8.如权利要求1所述的在透明电介质材料内部制备波导光栅的方法，其特征在于利用整形和滤波装置处理激光束，其中整形包括在聚焦透镜前加宽度为50μm到500μm的狭缝，或者利用柱面镜组合改变光强分布，滤波步骤为针孔滤波，再用倒置望远镜进行空间扩束，以得到较好的空间基模，针孔直径由计算聚焦透镜的焦点大小决定。
9.如权利要求1所述的在透明电介质材料内部制备波导光栅的方法，其特征在于将激光束聚焦到移动平台上某一点，样品放置在移动平台上，通过移动平台，控制样品与聚焦在体内的激光焦点相对移动。
10.如权利要求1所述的在透明电介质材料内部制备波导光栅的方法，其特征在于将激光束聚焦到平台上某一点，样品固定，利用转镜系统，控制激光焦点在样品体内移动。
全文摘要
本发明提供一种在透明电介质材料内部制备波导光栅的方法，属于精密微光电子学器件制备技术领域和光学信息处理领域。该方法采用钛蓝宝石飞秒激光器等脉冲激光系统，通过相应的透镜将激光束聚焦到透明的电介质材料样品体内，根据波导光栅的根据对于器件性能的要求比如反射波长、反射率、透射率的需要设计波导光栅的结构和尺寸，通过控制激光束焦点在透明的电介质材料样品体内移动的方向、次数和速度，让透明的电介质材料样品被激光焦点照射发生周期性地折射率改变，形成波导光栅。利用本发明只要控制激光脉冲能量、脉宽、聚焦物镜数值孔径、样品移动速度、重复扫描次数等参数，即可实现快速高精度制备波导光栅及其相关器件。
文档编号G02B6/124GK101055332SQ20061001168
公开日2007年10月17日 申请日期2006年4月14日 优先权日2006年4月14日
发明者李焱, 刘大勇, 杨宏, 龚旗煌 申请人:北京大学