[发明专利]飞秒激光直写蓝宝石环形光波导及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于光电子技术领域，更近一步涉及飞秒微加工技术领域中飞秒激光直写蓝宝石环形光波导及其制备方法。本发明不仅可用于超高强度和超高温环境中传输光信号，而且制备的微米量级大小的环形光波导还可用于光学系统的集成。

背景技术

随着近代IC产业、光通信系统和航空航天等发展，要求光电器件的高度集成化，要求在尽可能小的空间内集成具有尽可能多功能的完整的信息系统，因此三维微光学器件的精密加工在集成化中起着至关重要的作用。

对于微结构波导的制备，其基本制作过程大致分为以下两个步骤：制作光纤预制棒和在光纤拉丝塔上将光纤预制棒拉出光纤。但是这种微结构波导制备技术还不是很成熟，目前只有国外极少的几家公司能够生产出少数几种规格的微结构波导。

哈尔滨工程大学提出的专利申请“具有环形波导层的同轴双波导结构光纤及其制备方法”(申请号201010133476.4申请公布号CN101551457A)公开了一种微结构同轴环形波导制备方法。该方法采用了内外径尺寸不同的两根高纯石英玻璃基管用于构造光纤预制棒和气相化学沉积工艺(MCVD)，通过气相沉积机工作同步控制在内高纯石英套管中心区域和内外高纯石英套管之间环形区域沉积阻挡层和纤芯层，当气相沉积完成后，去掉外套管单独对内高纯石英套管进行缩棒；该专利申请存在的不足之处是，无法对所制备的环形波导长度进行精密确控制，同时由于采用了复杂的气相化学沉积工艺(MCVD)，增加了制作工艺的难度，成本高。

Lawrence Shah等人在“Waveguide writing in fused silica with a femtosecond fiber laser at522nm and1M Hz repetition rate”(Application Research Laboratory IMRA America，OPTICS EXPRESS，VOLUME13，7March2005)一文中提出了一种以熔融石英为基质、飞秒激光直写的通道波导；该材料存在的不足是：其一，抗机械强度差，因此不适合在高机械强度的环境下使用；其二，抗酸碱性差，尤其是氢氟酸(HF)；其三，透射光谱窄，不能够进宽带传输。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种飞秒激光直写蓝宝石环形光波导及其制备方法。

实现本发明目的的思路是，本发明飞秒激光直写蓝宝石环形光波导是基于光学冲击波理论，利用高数值孔径显微物镜紧聚焦后的飞秒激光脉冲产生的极高的峰值功率密度去诱导蓝宝石晶体发生强烈的光致电离和雪崩电离，产生大量的等离子体。当等离子体向周围晶格传递能量形成冲击波产生的高压超过了蓝宝石的杨氏模量时(0.3Tpa-0.4Tpa)，激光聚焦体积四周的材料将被挤压，从而在邻近聚焦区域200nm之内形成了一个折射率增加的区域，即蓝宝石环形光波导。

本发明的飞秒激光直写蓝宝石环形光波导是基于蓝宝石为寄主材料，本发明的波导的导光区域是邻近飞秒激光作用区域200nm之内的三维环形，本发明的波导横截面为椭球形。

本发明的飞秒激光直写蓝宝石环形光波导制备方法，包括如下步骤：

(1)光学抛光蓝宝石晶片：

将蓝宝石晶片进行光学抛光，获得平整度＜10μm、抛光面粗糙度Ra＜0.3nm和弯曲度＜10μm的抛光后的蓝宝石晶片。

(2)清洗蓝宝石晶片：

用丙酮溶液清洗抛光后的蓝宝石晶片表面的灰尘。

(3)将蓝宝石晶片置于三维微加工平台：

将清洗好的蓝宝石晶片用夹子固定在三维电动平移台上。

(4)设定参数：

4a)调节电动平移台和激光器之间的可变衰减器，使飞秒激光脉冲能量衰减至最佳能量范围；

4b)设定计算机中的内置驱动程序参数；

4c)将三维电动平台的扫描速度设定到最佳的参数范围。

(5)飞秒激光直写：

5a)显微物镜将衰减后的飞秒激光脉冲垂直聚焦于三维电动平移台上的蓝宝石晶片内部；

5b)计算机控制三维电动平台，使其以步骤4c)中设定的扫描速度在垂直于聚焦光束传播方向的平面内运动，完成直写蓝宝石环形光波导。

(6)CCD实时监测：

与计算机相连的电荷耦合器件CCD置于三维电动平台上方，实时监测聚焦飞秒激光束光斑在待刻写晶片内的位置，电荷耦合器件CCD将监测的位置图像信息传递到计算机。

(7)通光测试：