[发明专利]显微二阶非线性极化率光学元件的激光辅助热极化设备及方法

说明书

本发明公开了一种显微二阶非线性极化率光学元件的激光辅助热极化设备及方法，以单面和侧面涂覆了薄银线的ITO玻璃作阳极，硅片作阴极，波长为1064nm的连续激光，对掺杂Sm³⁺离子的硼磷酸铌玻璃进行显微热极化的制备方法。该电场、热场及激光光场辅助方法可实现多种微米级显微结构的光学元件。可以通过调整激光参数和热极化参数来达到控制样品的周期性与形貌。本发明方法能一次实现具有周期性显微二阶非线性极化率的光学元件，实现图案分辨率可达微米甚至纳米级水平，相对传统材料制备效率可提高数倍至数十倍，微结构分布与尺寸的形貌和原子或分子结构的成份可控，制备效率高。

技术领域

本发明涉及一种光学元件的制备方法，特别是涉及一种具有微结构的光学元件的制备方法，主要应用于可见-近红外光学系统材料和器件技术领域。

背景技术

近年来，可见-近红外光学材料已广泛应用于信息技术、激光技术和电子通信技术等现代军事和民用高科技领域。晶体材料如蓝宝石和金刚石，使用传统工艺获得非球面透镜或棱镜的难度大、效率低、成本高，难以满足迅速发展的光学、信息技术等对材料的小型化、集成化和功能化的要求。氧化物玻璃材料因具有光损耗低、覆盖光通信窗口多、制造工艺简单、成本低和几何尺寸不受限制等优点，在可见-近红外光学系统中具有广阔的应用前景。其中硼磷酸铌(Na₂B₄O₇-NaPO₃-Nb₂O₅，简称BPN)玻璃材料，由于可以大量引入高二次非线性系数(n₂)的Nb₂O₅，还具有强的三阶非线性性能，而受到越来越多关注一般地，实现微结构尺寸和分布的可控印刷是获得优异倍频和光学等性能的关键环节。

为了实现基于微结构的光功能BPN玻璃可控制备，需要对玻璃进行改性。以前的改性主要集中于诸如干法蚀刻和光刻等普通微加工手段，其不足之处在于设备昂贵、工艺复杂、加工效率低下等，尤其是光刻还受到光的影响。

2002年，Komatsu等人提出了一种简便可行的解决方案—采用连续激光在特殊离子掺杂的玻璃中写出所需的显微单晶结构；从该微结构的分布与尺寸等形貌参数和原子或分子结构等成份出发，进行适合于特定功能设计，如倍频设计等，低成本高性能光学材料的印刷提供基础保障。但目前，进行采用连续激光对玻璃进行热极化的工艺还不能满足制备可见-近红外光学材料的需要，工艺复杂，图案化的分辨率还不够理想，工艺可控性和制备效率有待提高。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种显微二阶非线性极化率光学元件的激光辅助热极化设备及方法，采用激光辅助热极化手段，制备具有高精度的显微二阶非线性极化率光学元件，能一次性将所需图案印刷在样品上，实现图案分辨率可达微米甚至纳米级水平，微结构的分布与尺寸的形貌参数和原子或分子结构的成份可控、制备效率高。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种显微二阶非线性极化率光学元件的激光辅助热极化设备，对于掺杂Sm3+离子的硼磷酸铌(BPN)玻璃样品，采用银导电涂料，以表面涂覆了银线的第二块玻璃作为设置于硼磷酸铌玻璃样品一侧表面上方的盖玻片，并以第二块玻璃作为阳极，以硅片作阴极，在硼磷酸铌玻璃样品的另一侧表面下方设置硅片，从而形成第二块玻璃、硼磷酸铌玻璃样品和硅片层叠组装的三明治式装置，并为第二块玻璃和硅片接好电源，为硼磷酸铌玻璃样品接好加热电源，在作为盖玻片的第二块玻璃上方设置激光器，使发射波长为1064nm的连续激光透过第二块玻璃直达硼磷酸铌玻璃样品的表面进行扫描；并将三明治式装置置于密封的盒子中，向密封的盒子中通入非氧化性气体形成气体氛围，并对作阳极的第二块玻璃和作阴极的硅片施加电压，向硼磷酸铌玻璃样品施加电场，并向硼磷酸铌玻璃样品施加热场，同时利用激光束对硼磷酸铌玻璃样品进行扫描，利用电场、热场及激光光场辅助方法，对作为样品的硼磷酸铌玻璃进行显微热极化处理，然后将作为样品的硼磷酸铌玻璃进行冷却后，制备显微二阶非线性极化率光学元件。