专利名称：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
利用飞秒激光Si2明固,料中制作光波导的^a^方法
fe7(t领域本发明属于光波导及器件的制^S术领域，特别是二维^H维光波导及器件的 伟,，具#^及利用飞秒激光自明固##料中制作光波导的^*和方法。
背景駄非线'隨明材料如铌,(LN)和磷麟钛钾(KTP)雜誠光学和光子学领 J^W着广泛的細。目前， ^1学的许多鹏中需要在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肯的對瞎的制作波导结构。虽然^IS术成熟，也可 以制作低^M耗的波导，但是它们只能在就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^fe术制作波导时工艺錢，需要4顿半导体制作中如光刻、腐蚀和扩 散等一些工艺。
自,A^—台飞秒激光器问世以来，飞秒激光就一鼓到人们的广泛关注。蹄来，它在舰 信、光存储、生物医学、精密加工等诸多领鹏示出了巨大的鹏潜力。飞秒激光峰值功^l及高， 可以超U0、/W，飞秒激光在介质中传播时将引起十分丰富的非线性S她，如自聚焦、自散焦、 灯丝S50S等。1996年，Davis等Aa现錢明材料中飞秒脉冲激光在驟焦焦点,可以诱发折 射率变化。目前利用飞秒激 行波导写制的技术已经日誠熟，飞秒激光在晶体、鹏、聚合 物等透明材料中均可直接写Az:i域三维光波导gr微结构。
运用飞秒激光lia行光波导的刻写时，样品的移动方向可以和舰方向平行(平行刻写)，也 可以和棘方向垂直(垂鼓ij写)。采用平行刻写方式时，亥J写波导会具W^的娜性和圆形形 状，但受聚焦物镜的工作距离的限制而使f驗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。采用垂鼓ij写时，则波导 刻写长度不受限制，然而刻写的波导截面微为椭圆微，采用多動3描刻写(多 爐复刻写， 每 錄ij写时激光焦点位移一定距离)可以使得波导截面舰圆形；另外，也可以舰刻写两线式 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娜成光传导区域)来获 f輔面颇圆形的波导。細多S3描亥iJ写和刻写两线式波导既可以优化波导的截面靴，还可
以控制波导的截面尺寸的大小。垂鼓'泻不魏微物镜数值 L径的影响，mOT高数值孔鄉微
物镜(NA在03-0.65之间)可提高焦点区的激光^S，因此增强飞秒激光与透明固糊料糊幾 性作用。由于垂鼓IJ写方式不魏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@ ;化，因此成为刻写二维^H维波导的最常用方式。
发明内容:本发明所要解决S^]fe术问题在于克服传统光波导制作的工艺錢以及不能制作 三维波导的缺点，鄉一种利用飞秒激舰錢明固糊料内部'鹏、高敬也制作二^^H维光 波导的装置和方法。本发明細垂鼓!l写方式，舰高数值孔径的显微物镜(NA在0,3465之间)将飞秒激光 束紧聚焦至待刻写透明固糊料样品表ffiT，采用多動3描刻写跟!l写两线式波导来获f離导尺 寸和JW4J可控的二会MHI隹光波导结构。
本发明鄉的禾[1用飞秒激光錢明固##料中制作光波导的^*依次包括
飞秒激光器系统用于離刻写光波导的飞秒激^E冲；
可变衰 :根据光波导刻写需要，用于对飞秒激光 出的飞秒激光脉冲倉》^豫减； 分束器用于将可变衰 衰^的飞秒激 冲进行分束以，脉冲倉^ 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l^iS功率计，用于监测刻写飞秒激^C冲 的驢；
高数值孔顿微物衞體在分束器后面飞秒激舰冲的主鹏上，用于将飞秒激舰冲紧
聚焦；
H^隹移动平台用于腿待刻写光波导的透明固糊料样品，并由计Mlffi确控制其二余滅 三维的移动。
CCD探测器用于监测聚焦飞秒激舰的 ^寸及雜待刻写样品内的定位。
一种使用以J^的^fi在透明固Mt料中制作光波导的方法，i^^^括
第一、4稱刻写光波导的透明固糊料固定于三维移动平台上，3隹移动平台由计飾自动
控抓
第二由飞秒激光器系,錢IJ写飞秒激光脉冲，并将高育糧的飞秒激^E冲经可变衰離 进行衰减；
第三、用分束 飞秒激^*冲分束，由功率计监测脉冲的育a^小，以便与第二步戶，的 可变衰麟配合将飞秒激^E冲的育^ai周輕刻写光波导所需的MM7K平；
第四、将调舰能量的飞秒激光脉冲由高数值孔径(NA=0.3~0.65)的显微物镜紧聚焦，聚 焦的飞秒激M冲垂直待刻写光波导的透明固糊料的xy面入射，飞秒激光脉冲的焦点位^S明
第五、鄉四步戶舰的将飞秒激^A射到透明材料内部时，采用CCD探测器M测飞秒激 光焦点在待刻写波导的透明材料内的定位；
第六、根据待刻写光波导的要求，使第一步戶，的三维移动平台在xy面内或是在xyz三维空 间微定路径移动以制作出二会MH维的光波导；
第七、錢六步舰的光波导刻写过程中，湖多趟扫描刻写戯i」写两线式波导M;化刻写
波导的,和尺寸；
本发明所指的透明固体材料是玻璃、融石英，或非线性晶体铌酸锂、磷酸氧钛钾，或周期极 化铌^^和磷 钛钾，^&腿晶体。
第二步所述的飞秒激光器系统产生的飞秒激光脉冲的中心波长为775~810nm、脉冲宽度为 5(K150fe、 Sfi频率为1 5kHz。
第三步ff^^顿衰M^衰M/g用于刻写光波导的飞秒激M冲的S遣为Q.1 100mJ 。第四步、第五步皿聚焦飞秒 0冲的焦点位 明固,料表,10(K700Mm 。 第六步阮悉的H^隹移动平台在xy面或xyz空间内的移，度为1~500—3 。
本发明的髓和积 ^:
利用飞秒激光刻写光波导时(垂鼓ij写)，将飞秒光束聚焦至U透明材料表ffiT—定深度，在飞 秒激光聚焦区材料对飞秒脉冲的非线性吸收会导致其结构变化，导致了作用区折射率的变化。在 魏的刻写参数剝牛下，材禾射斤射率的变化可以允许形戯波导，基于此原理，可以刻写出各种 不同的掩鹏波导结构。利用飞秒激光刻写掩埋波导工艺简单，舰翻的控制样品移动的车爐， 即可方便的制作二维^H^隹波导结构，因此飞秒激光刻写是一种简便、新麵且高效的波导制作 技术。
与传统的光刻等表面微B工^i比，飞秒微加工技术的优势在于该S^C仅可以在各种 材料的表面，而且可以在内部进行光,微加工；该技术不需要设i传门的光刻樹寂，不需，学 处S1程，自于加工各种特异设计的光，微结构。用飞秒激光刻写可制作，合器、光分束器， 以及在非线性晶体鋼期极化的非线性晶体中亥'」写用来高'文炉生二次谐波(SHG)的波导等。利 用飞秒激光刻写透明材料制作光波导的駄可广g^fflT^光学领職波导的制作，可方便的 制作二纟蜮 ^1的三维波导结构等。
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图1是本发明的二维^H^隹波导帝怖體示意亂
图2是利用本发明戶诚的波导制作驟和方法制作的PPLN波导。图2-a是飞秒激光垂;t^写 制作PPLN波导的示意图，图2-b是制作的两线式波导的截面图，图2-c是制作的两线式波导的近 场細弒图3是基于图2第,的PPLN波导的二次谐波转换光谱亂插图^ffii光的光谱图； 图4是图3戶/f^的二次谐波转换的斜率效率。
图中，1飞秒M器，2可变衰麟，3分束器，4功率计，5显微物镜，6带刻写光波导的透 明固糊料，7计^1JS制的H^移动平台，8 CCD探测器。
具体实Jfc^;
现结合附图和鄉例对本发明进一雜细说明，但本发明不限ra些实施例。 鄉例l、光波导的制作體
如图1戶^，该制作^s依次包括
飞秒激光器系统l:用于微刻写光波导的飞秒激^E冲；可变衰 2:根据光波导亥IJ写需要，用于对飞秒激光織出的高軎遣飞秒激^E冲进《豫减； 分束器3:用于将可变衰M^衰MiS的飞秒激^E冲进行分束；
功率计4:飞秒激光束被分束器分束后其中一束被耦激功率计，用于监测刻写飞秒激^tE冲
的驢；
高数值孔^M微物镜5:设置在分束器后m秒激5tE冲的主^m上，用于将飞秒^C光脉冲紧
聚焦，经聚焦的飞秒脉冲垂JA射到待刻写透明固^M料6上；
三维移动平台7:用于皿待刻写光波导的透明固体材料6，并由计^l^fU其二ii^H维的移动。
CCD探测器8:用于监测聚焦飞秒激皿的^SR寸及，待刻写样品内的定位。 实施例2、 3!lX3光分束器的制作
采用中A破长为800nm、脉冲宽度为50fs、重复频率为lkHz的飞秒激光作为刻写激光束，将 其紧聚焦到融破鹏内刻写制作出三维的光分束器。
飞秒激光器l产生中心波长800nm、脉冲宽度为50fs、重复频率为lkHz的飞秒激光，脉冲能 量一般可达mJ敏，細顿衰鹏2将飞秒脉冲驢衰赔0.5MJ左右，用分束器3将飞秒激 ，分束，由功率计4监测脉冲的倉^:小，以便能准确及时的，可变衰减器2将脉冲^liJl ^S)^需的會遣水平。调舰倉瞳的飞秒激光束由显微物镜5 (NA=0.45)紧聚焦，聚焦的飞秒激 光束垂1A射到融碟鹏6的xy面，由CCD探测器8监测聚焦飞秒^M的大小以及在鹏内 的定位，聚焦飞秒激舰焦点位于融M鹏表ffiT200Mm左右，融碟玻鴻6固定在精密三维 移动平台7上，三维移动平台7的移动皿为125nm/s,沿x方向移动。为了制作1X3分束器， 将样品的三维移动路径预设好并由计穀鹏制，分束器的三个波导 在空间互成120°，在出口 端面波导之间的距离互为100Mm，刻写的三维1X3光分束:I^E 1.05Mm波段具有樹對#11#性， 分束比为32: 33: 35%。
实施例3、 JY鹏分束器的制作
采用中A被长为775nm、脉冲宽度为150fs、重复频率为lkHz的飞秒激光作为亥l泻激舰， 将其紧聚焦到z切铌,(LN)晶体内刻写出掩鹏波导，制作出二维YMit分束器。
飞秒激光器l产生中心波长775nm、脉冲宽度为150fs、重复频率为lkHz的飞秒激光，脉冲 倉遣可达0,5mJ，采用^T^衰職2将飞秒脉冲倉遣衰艦10nJ左右，用分束器3将飞秒激棘 分束，由功率计4监测脉冲的倉獻小，以便能M及时的翻顿衰鹏2将脉冲倉翻輕 所需的育遣水平。调S6F倉遣的飞秒激光束由显微物镜5 (NA=0.4)紧聚焦，聚焦的飞秒激光束 垂1A射到LN晶体6的xy面，由CCD探测器8监测聚焦飞秒^^王的大小以及在LN内的定位， 聚焦飞秒激光束焦点位于LN晶体6表fflT 500nm左右，LN晶体6固定在精密三维移动平台7上，三维移动平台7的移动艘为50nm/s，沿x方向移动，艮,写出沿x方向的掩埋光波导。制 ，导的截面y、 z方向的尺寸分别为3pm和20pn，审'Jf乍波导在632.8nm的#^耗为ldB/cm 左右，激光焦点作用区折射率的变^^勺为6x104。为了制作出Y型分束器，使待刻写样品沿Y型 的路径移动，Y型分束器两臂的夹角为0.5。，两臂在出射端之间的距离为60nm，刻写的分束器分 光比为l丄1。
实施例4、用于产生二次谐波(SHG)的光波导的制作
采用中心波长为800nm、脉冲宽度为薩、重复频率为lkHz的飞秒激光作为刻写激棘， 将其紧聚焦到z切周期极化铌酸锂(PPLN)晶体内刻写出掩 :波导，制作的波导可以用来产生 SHG。
飞秒激光器l产生中心波长800nm、脉冲宽度为100fs、重复频率为lkHz的飞秒激光，脉冲 倉遣""^可达mJ敏，采用^^衰M^2将飞秒脉冲倉,MMlMJ左右，用分束器3将飞秒激 ，分束，由功率计4监测脉冲的l^:小，以便能准确及时的OT^T^衰减器2将脉冲倉gM ^ff需的育^7jC平。调 倉遣的飞秒激皿由显微物镜5 (NA=0.4)紧聚焦，聚焦的飞秒激 光束垂JA射到PPLN s曰曰体6的xy面，由CCD探测器8监测聚焦飞秒3tM的大小以及在PPLN 内的定位，聚焦飞秒激 焦点位于PPLN晶体6表面下lOOum左右，PPLN晶体6固定在精密 三维移动平台7上，三维移动平台7的移动皿为10nm/s，沿X方向移动，刻写出沿x方向的掩 W;波导。翻多動3職U写(10驢鼓i泻，每趟在y方向位移0.5Mm)增加亥ij写波导的宽度， 获f雜1550nm为斜割彌的掩鹏波导，離导截面尺寸为11.7pm和8.7pm，波导的#^^员耗 为Z2dB/cm。将制作的波导用于1550nm激光的倍频，获得的SHG效率为6xlO—Vo/W。
实施例5、用于产生二次谐波(SHG)的光波导的制作
采用中心波长为800nm、脉冲宽度为130fe、重复频率为5kHz的飞秒激光作为刻写激光束， 将其紧聚焦到z切周期极化磷自钛钾(PPKTP)晶体内刻写出掩 ;波导，制作的波导可以用 来产生SHG。
飞秒激光器l产生中心波长800nm、脉冲宽度为BOfs、重复频率为5kHz的飞秒激光，脉冲 貪遣200^j，采用^衰 2将飞秒脉冲倉遣衰MM 2mJ左右，用分束器3将飞秒激光束分束， 由功率计4监测脉冲的育遣大小，以便能准确及时的^ffl^S减器2将脉冲倉自^SJ^需的 倉遣水平。调觀驢的飞秒激光束由显微物镜5 (NA=0.42)紧聚焦，聚焦的飞秒激棘垂;IA 射到PPKTP晶体6的xy面，由CCD探测器8监测聚焦飞秒光斑的大小以及在PPKTP内的定位， 聚焦飞秒激M焦点^i于PPKTP晶体6表面下200mhi左右，PPKTP晶体6固定在精密三维移动 平台7上，三维移动平台7的移动鹏为50Mm/s,沿x方向移动刻写出沿x方向的掩鹏波导。 采用多fife描刻写(10驢复刻写，每趟在y方向位移a8Mm)增力劇写波导的離，获f雜1550nm为^^繊的掩鹏波导，微导截面x、 7方向尺寸分别为8.1岬和9.3^，波导的f^^员耗为 ldB/cm。将制作的波导用于980nm激光的倍频，获得的SHG效率为0.22%/W (0.002%)。 实施例6、用于产生二次谐波(SHG)的光波导的制作
采用中心波长为800nm、脉冲離为50fs、重复频率为lkHz的飞秒激光作为刻写激光束，将 其紧聚焦到z切周期极化憐麟铁钟(PPLN)晶体内亥l泻出两线^f鹏波导，帝,的波导可以 用来产生SHG。
飞秒激光器1产生中A被长800nm、脉冲宽度为50fe的飞秒激光，脉冲倉瞳1可达mJ量 级，細^^衰職2将飞秒脉冲畲^^赔10pJ左右，用分束器3将飞秒激舰分束，由功率 计4监测脉冲的會g小，以便能准确及时的^ffl^T^衰减器2将脉冲倉^i周M3g^需的倉^fcK 平。调S&倉遣的飞秒激皿由显微物镜5 (NA=0.4)紧聚焦，聚焦的飞秒'激3tm垂:tA射到PPLN 晶体6的xy面，由CCD探测器8监测聚焦飞秒光斑的大小以及在PPLN内的定位，聚焦飞秒激 M焦点位于PPLN晶体6表面下200拜左右，PPLN晶体6固定在精密三维移动平台7上，三 维移动平台7的移动鹏为400Mm/s，沿x方向移动亥lJ写出沿x方向的掩JI^波导。为了提敲U写 的波导用于产生二次谐波时的转换效率，刻写了两线式波导,两 Mij写^S之间的距离相隔lOnm， 最后获得1550nm波段對對输的掩S^波导。两线式波导的导光区域位于两条刻痕域的中间， 其周期极化结构未被破坏，且非统縣数條不变，有利于提高SHG的转换效率。将制作的波导 用于1550nm波段锁模皮秒光纤激光器(重复频率6GHz，脉冲宽度60皮秒)的倍频，获得了 34.8% 的转换效率，而相同条一牛下在体汰晶体中的转换效率为24.8%。
鄉例7、用于产生二次谐波(SHG)的光波导的制作
采用中心波长为800ran、脉冲宽度为100fs、重复频率为lkHz的飞秒激光作为刻写激光束， 将其紧聚焦到z切周期极化磷Mft钛钾(PPKTP)晶体内亥IJ写出两线織埋光波导，审,的波导 可以用来产生SHG。
飞秒激光器1产生中心波长800nm、脉冲宽度为IO她的飞秒激光，脉冲倉遣一般可达mJ量 级，采用可变衰麟2将飞秒脉冲貪戯赔100joJ左右，用分束器3将飞秒激棘分束，由功 率计4监测脉冲的倉^C小，以便能准确及时的采用可变衰减器2将脉冲倉,SMM需的倉遣 水平。调,倉遣的飞秒激 由显微物镜5 (NA=0.4)紧聚焦，聚焦的飞秒激光束垂^A射到 PPKTP晶体6的xy面，由CCD探测器8监测聚焦飞秒^S的大小以及在PPKTP内的定位，聚 焦飞秒激^^焦点位于PPKTP晶体6表面下300pm左右，PPLN晶体6固定在精密三维移动平台 7上，三维移动平台7的移动速度为lOOnm/s,沿x方向移动刻写出沿x方向的掩皿波导。为了 提敲ij写的波导用于产生二次谐波时的转换效率，刻写了两线式波导，两7效i泻OT之间的距离 相隔14nm，最后获得1064nm波段對對彌的掩埋光波导。两线式波导的导光区域位于两条刻痕域的中间，其周期极化娜未被破坏，且非线'隨数鹏不变，有利于提高SHG的转换效率。将 制作的波导用于1064nm调QNd: YAG激光(脉冲宽度5ns， M频率10Hz)的倍频，获得的SHG 效率为39.6%。
权利要求
1、一种利用飞秒激光在透明固体材料中制作光波导的装置，其特征在于该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。
2、 一种^ffl权利要求i戶皿的sa祀楚明固,料中制作光波导的方法，，征在于M飽括第一、a稱刻写光波导的透明固糊料固定于三维移动平台上，H^隹移动平台由计^m自动控制；第二、由飞秒激光器系^生飞秒激^E冲，并将高^ 的飞秒 冲经可^^ 进行衰减；第三、用分束 飞秒激光脉冲分束，由功率计监测脉冲的育^^:小，以便与第二步臓的可变衰 配合将飞秒激光脉冲的|翻輕刻写光波导所需的倉瞳^^平；第四、将调觀育隨的飞秒激m冲由NA^3^.65的高数值孔^M微物镜紧聚焦，聚焦的 飞秒激^E冲垂直待刻写光波导的透明固m料的xy面入射，飞秒激 冲的焦点位，明固体 材料xy表MT;第五、錢四步戶舰的将飞秒激^A射妾隨明材料内部吋，采用CCD探测器来监测飞秒激 光焦点在待刻写波导透明固体材料样品内的定位；第六、根据待刻写光波导的要求，j蝶一步鹏的三维移动平台在xy面内或是在xyz三维空 间，定路45移动以制作出二纟MH维的光波导；第七、在第六步戶舰的光波导刻写过程中，采用多趟扫職iJ写戯J写两线式波导M:化刻写波导的皿和尺寸。
3、 根据权利要求2戶M的方法，，征在于本发明所指的透明固m料是自、融a， 或非线性晶体铌M、磷酸氧钛钾，OT期极化IMi和磷,钛钾，^S机盐晶体。
4、 根据权利要求2所述的方法，其特征在于第二步所悉的飞秒激光器系统产生的飞秒激光 脉冲的中心波长为775~810nm、脉冲宽度为5(M50fs、重复频率为1 5kHz。
5、 根据权利要求2戶腿的方法，辦征在于第二步0 ^可变衰^^衰Mlg用于刻写光波 导的飞秒激光脉冲的f讀为0.1 l(KW 。
6、 根据权利要求2所述的方法，其特征在于第四步、第五步戶/M聚焦飞秒激3feE冲的焦点 位ffl明固,料表ffiT 100~700阿。
7、 根据权利要求2所述的方法，其特征在于第六步所述的三维移动平台的移动速度为 l~500pm/s 。
全文摘要
一种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。该装置包括飞秒激光器系统、可变衰减器、分束器、功率计、显微物镜、三维移动平台和CCD探测器。制作方法是由飞秒激光系统产生飞秒脉冲，将脉冲能量衰减至所需大小，通过显微物镜紧聚焦将飞秒脉冲垂直入射到透明材料表面以下，利用飞秒激光和材料非线性作用产生的折射率变化，从而制作出二维或三维光波导，采用多趟扫描刻写或刻写两线式波导可优化制作波导的形状和尺寸。本发明在透明固体材料中刻写掩埋波导工艺简单，可方便、高效的制作如耦合器、分束器以及用来产生二次谐波的波导等二维或三维波导结构，是一种简便、新颖而且高效的光波导制作技术，可广泛应用于集成光学领域。
文档编号G02F1/377GK101576711SQ20081015474
公开日2009年11月11日 申请日期2008年12月31日 优先权日2008年12月31日
发明者吕福云, 张双根, 李勇男, 涂成厚, 王宏杰 申请人:南开大学