缩小基于飞秒激光直写透明材料光波导出射模场直径的装置和方法与流程

本发明涉及微纳光学领域，特别是一种缩小基于飞秒激光直写透明材料光波导出射模场直径的装置和方法，对集成光学中，将尺寸较小的硅基波导模场转换为标准单模光纤的模场有着重要的意义。

背景技术：

飞秒激光直写光波导技术是一种简单的光波导制备工艺，由于飞秒脉冲作用时间短、热效应小，可以获得其它加工手段无法比拟的加工精度。其具体原理为：对飞秒激光进行合适的空间整型，使形成的焦斑在截面上为圆形(参见文献Y.Cheng,K.Sugioka,K.Midorikawa,M.Masuda,K.Toyoda,M.Kawachi,and K.Shihoyama,Opt.Lett.Vol.28,1,2003)。将整型后的飞秒激光聚焦于透明材料内部，透明材料位于飞秒激光焦斑附近的部分会引起折射率提高。利用飞秒激光的这个特性可以在聚合物、玻璃、晶体等透明材料的内部直写光学波导(参见文献F.Chen and J.R.Vazquez de Aldana,Laser Photonics Rev.Vol.8,2,2014)。

传统的变换光学技术可以比较容易的放大光波导模场，但是在缩小光波导模场时有一定的极限，而且由于模场不匹配引起的损耗也很大。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种缩短基于飞秒激光直写透明材料光波导出射模场直径的装置和方法，具有操作简单、有效、耦合损耗低的特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种缩短基于飞秒激光直写透明材料光波导出射模场直径的装置，包括飞秒激光器、衰减片、光闸、空间光调制器、第一反射镜、第一凸透镜、狭缝、第二反射镜、第二凸透镜、分色镜、显微物镜、透明材料、三维平移台、电脑、冷光源、第三反射镜和CCD，沿所述飞秒激光器发出的激光脉冲方向依次放置所述的衰减片、光闸和空间光调制器，经空间光调制器反射的激光脉冲依次经所述的第一反射镜、第一凸透镜、第二反射镜、第二凸透镜和分色镜，经所述分色镜反射后经显微物镜聚焦于固定在三维平移台上的透明材料的内部，三维平移台与电脑相连，所述狭缝放置在所述第一凸透镜的焦平面处，即空间光调制器反射光斑的傅里叶成像面上，所述冷光源发出的光经第三反射镜照射到透明材料内部，经透明材料透射后经所述的显微物镜聚焦后，入射到所述的分色镜，经该分色镜透射后，由CCD接收，该CCD的输出端与电脑相连。

利用上述装置缩小基于飞秒激光直写透明材料光波导出射模场直径的方法，该方法包含下列步骤：

①以激光传输方向为z轴，透明材料的宽边和长边分别为x轴和y轴，设计第一相位调制掩膜，并写入空间光调制器，使得飞秒激光在焦斑区域的xz平面内为圆形分布；

②将透明材料固定在三维平移台之上，并调整三维平移台，使飞秒激光脉冲聚焦于透明材料内部；

③经过整形、滤波的飞秒激光脉冲通过显微物镜聚焦于透明材料内，调节衰减片，使在激光焦斑区域形成一个在xz平面内直径为D的圆形区域,该圆形区域的折射率比透明材料的原折射率高，以此圆形区域为起始位置，通过电脑驱动三维平移台沿y方向平动距离L，在透明材料内部形成一个长为L、截面直径为D折射率提高的波导区域，该波导区域的折射率大于透明材料的原折射率，作为波导的导波区域；

④翻转透明材料使得波导端面垂直于飞秒激光的传输方向，并将其固定在三维平移台之上；

⑤设计第二相位调制掩膜，并写入空间光调制器，调节衰减片，使得飞秒激光在焦斑区域的xy平面内为环形光束，且焦斑处的脉冲强度能够破坏透明材料；

⑥调整三维平移台，使飞秒激光脉冲聚焦于透明材料内部，焦点距离上表面距离为L'，通过电脑驱动三维平移台沿z方向向上平移距离L'；

⑦将加工后的透明材料泡浸置在一定浓度的氢氧化钾溶液中进行腐蚀，调节溶液浓度和腐蚀时间使得腐蚀后在上表面处形成底面直径为D高为L'的圆锥，该圆锥底面与波导出射端重合。

与现有技术相比，本发明的技术效果是：

将整形、滤波后的飞秒激光脉冲通过显微物聚焦于透明材料内，通过移动三维平台带动透明材料移动，分别诱导出一定形状的波导区域(以圆柱形波导为例)以及以此圆柱波导输出端截面为底的锥形波导。该方法在普通飞秒激光直写光波导的基础上，可以在低耦合损耗的前提下调节出射模场的大小，从而实现缩短基于飞秒激光直写透明材料光波导出射模场直径的目的，实验中获得直径为2μm的出射模场。

附图说明

图1为缩短基于飞秒激光直写透明材料光波导出射模场直径的装置光路图；

其中：1为飞秒激光器，2为衰减片，3为光闸，4为空间光调制器，5为第一反射镜，6为第一凸透镜，7为狭缝,8为第二反射镜、9为第二凸透镜、10为分色镜、11为显微物镜、12为透明材料、13为三维平移台、14为电脑、15为冷光源、16为第三反射镜和17为CCD。

图2为加工过程中的示意图；其中:a为飞秒激光脉冲经过整型后在透明材料xz平面内形成折射率高于原透明材料的圆形区域；b为沿y方向平动三维平台距离L，在透明材料内部形成一个长为L，截面直径为D折射率提高的波导区域；c为反转透明材料使波导出射端由xz平面变为xy平面，并聚焦环形光束在反转后的波导出射端面下L'处；d为透明材料经过激光加工、化学腐蚀后行成的波导及出射端锥形区域的示意图。

具体实施方式

下面结合实例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅下图1，图1为缩短基于飞秒激光直写透明材料光波导出射模场直径的装置光路图，如图所示，沿所述飞秒激光器1发出的激光脉冲方向依次放置所述的衰减片2、光闸3和空间光调制器4，经空间光调制器4反射的激光脉冲依次经所述的第一反射镜5、第一凸透镜6、第二反射镜8、第二凸透镜9和分色镜10，经所述分色镜10反射后经显微物镜11聚焦于固定在三维平移台13上的透明材料12的内部，三维平移台13与电脑14相连，所述狭缝7放置在所述第一凸透镜6的焦平面处，即空间光调制器4反射光斑的傅里叶成像面上，所述冷光源15发出的光经第三反射镜16照射到透明材料12内部，经透明材料12透射后经所述的显微物镜11聚焦后，入射到所述的分色镜10，经该分色镜10透射后，由CCD17接收，该CCD17的输出端与电脑14相连。

利用上述装置缩短基于飞秒激光直写透明材料光波导出射模场直径的方法，包含下列步骤：

①设计第一相位调制掩膜，并写入空间光调制器4；

②将透明材料12固定在三维平移台13之上，并调整三维平移台13，使飞秒激光脉冲聚焦于透明材料12内部；

③激光传输方向为z轴，透明材料(12)的宽边和长边分别为x轴和y轴，经过整形、滤波的飞秒激光脉冲通过显微物镜11聚焦于透明材料12内，调节衰减片2，诱导在激光焦斑区域形成一个在xz平面内直径为D的折射率提高的区域，如图2(a)所示，以此为起始位置，通过电脑驱动三维平移台13沿y方向平动距离L，在透明材料12内部形成一个长为L，截面直径为D折射率提高的波导区域，如图2(b)所示，该波导区域的折射率大于透明材料的折射率，作为波导的导波区域；

④翻转透明材料12使得xz平面内直径为D的平面区域处于xy平面内，如图2(c)所示；

⑤设计第二相位调制掩膜，并写入空间光调制器4，调节衰减片2，使得飞秒激光在焦斑区域纵向xy平面内为环形光束，且焦斑处的脉冲强度可以破坏透明材料；

⑥将透明材料12固定在三维平移台13之上，并调整三维平移台13，使飞秒激光脉冲聚焦于透明材料12内部，焦点距离上表面距离为L'，通过电脑14驱动三维平移台13沿z方向平移距离L'；

⑦将样品浸泡在一定浓度的氢氧化钾溶液中进行腐蚀，调节溶液浓度和腐蚀时间使得腐蚀后在上表面处形成底面直径为D,高为L'的圆锥，该圆锥底面与波导出射端重合，如图2(d)所示。