兆赫茲飛秒激光脈沖制備“珍珠串”光波導(dǎo)

陳正平，郭凱敏，張?zhí)旌?/p>

（1.包頭師范學(xué)院物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭014030；2.南開大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院，教育部弱光非線性重點實驗室，天津300071）

兆赫茲飛秒激光脈沖制備“珍珠串”光波導(dǎo)

陳正平1，郭凱敏1，張?zhí)旌?

（1.包頭師范學(xué)院物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭014030；2.南開大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院，教育部弱光非線性重點實驗室，天津300071）

對納焦量級的高重頻飛秒激光在玻璃內(nèi)部制備“珍珠串”光波導(dǎo)進行了研究。在制備過程中向外輻射出白光連續(xù)光譜，實驗結(jié)果表明飛秒激光脈沖能量和運行速度對“珍珠串”光波導(dǎo)的形成有較大影響，在激光脈沖能量10.5 nJ，玻璃運行速度為0.2 mm／s情況下制備的“珍珠串”光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)較好，“珍珠串”的橫向?qū)挾葹?9μm，“珍珠串”的間隔周期為20μm。制備的“珍珠串”光波導(dǎo)能對玻璃內(nèi)傳輸?shù)腍e－Ne激光進行有效約束。最后對玻璃內(nèi)部制備“珍珠串”光波導(dǎo)的機制進行了分析。

飛秒激光燒蝕；白光連續(xù)光譜；珍珠串光波導(dǎo)

1 引 言

飛秒激光燒蝕材料就是使激光能量在飛秒時間內(nèi)注入，導(dǎo)致材料照射區(qū)域溫度迅速升高，由于飛秒激光脈沖短，輻照到金屬材料表面的能量來不及擴散而使很薄的一層材料快速達到氣化溫度并從材料表面噴出，熱效應(yīng)小（幾乎可以忽略），實現(xiàn)“冷”燒蝕。近紅外區(qū)的飛秒激光又能避免紫外激光對大多數(shù)材料不透明的缺點，它可以深入透明材料內(nèi)部在介觀尺度上實現(xiàn)真正意義上的三維立體微加工。

當(dāng)飛秒激光聚焦到材料內(nèi)部時會形成微爆炸，導(dǎo)致材料的晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，進而導(dǎo)致折射系數(shù)等特性改變。在透明材料內(nèi)部制備微結(jié)構(gòu)通常都是用高重復(fù)頻率的飛秒激光系統(tǒng)比如千赫茲的飛秒放大系統(tǒng)或者是1～100 MHz的飛秒激光振蕩系統(tǒng)進行，高重頻飛秒激光脈沖輻照靶材利用飛秒激光輻照靶材的殘余熱能（Residual thermal energy）［1－3］，能夠使作用區(qū)域平滑。飛秒激光在透明材料內(nèi)部可以實現(xiàn)微米或者納米等微結(jié)構(gòu)，掃描激光位置，在塊狀玻璃、LiNbO3內(nèi)部制作光波導(dǎo)、光子晶體等，實現(xiàn)集成光學(xué)、光通訊、高密度光存儲以及量子光學(xué)領(lǐng)域用微型化的全光器件［4－8］。本文利用實驗室的飛秒激光系統(tǒng)在光學(xué)玻璃內(nèi)部制備出“珍珠串”光波導(dǎo)，分析不同脈沖能量、運動速度對“珍珠串”光波導(dǎo)影響，對制備光波導(dǎo)過程中出現(xiàn)的白光連續(xù)光譜進行物理解釋。

2 實驗系統(tǒng)

實驗使用的激光器為美國Coherent公司飛秒激光器，Verdi－10泵浦Mira900F Ti：Sapphire飛秒激光振蕩系統(tǒng)，中心波長800 nm，脈沖寬度90 fs，重復(fù)頻率76 MHz。實驗材料為K9光學(xué)玻璃，固定在日本西格瑪光機株式會社生產(chǎn)的三維電動平移臺上，型號：SGSP20－85（X）35（Y）35（Z），直線精度3μm，由計算機連接三維平移臺的控制器SHOT－204MS控制光學(xué)玻璃的運行速度，實驗裝置如圖1所示。

圖1 飛秒激光制備“珍珠串”光波導(dǎo)實驗裝置圖Fig.1 Experimental setup for preparation of“pearl chain”waveguide by fs laser pulse

由于Mira900F Ti：S飛秒激光振蕩系統(tǒng)輸出的激光脈沖重復(fù)頻率為76 MHz，可看成準(zhǔn)連續(xù)激光，用功率計測量激光輸出功率，則脈沖能量為：

通過二分之一波片與格蘭棱鏡組合的脈沖能量調(diào)整系統(tǒng)改變飛秒激光聚焦到塊狀光學(xué)玻璃的能量，脈沖能量用激光功率計（美國Coherent生產(chǎn)）測量分束鏡分出的激光功率進行標(biāo)定聚焦到玻璃內(nèi)部的脈沖能量大小，顯微物鏡（美國Therlab公司）的焦距為4.5 mm，NA＝0.65，鍍800 nm增透膜。

3 “珍珠串”光波導(dǎo)制備

在實驗中研究了波導(dǎo)形狀與脈沖能量的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)大約10 nJ的飛秒激光脈沖能量可以制備出平滑直線結(jié)構(gòu)的光波導(dǎo)。激光脈沖能量大于10.5 nJ直寫光波導(dǎo)過程中產(chǎn)生了白光連續(xù)光譜如圖2所示。產(chǎn)生的白光連續(xù)光譜用美國海洋公司生產(chǎn)的USB4000光譜儀探測，光譜范圍為400～1000 nm，由光譜圖可知在探測波長范圍兩側(cè)還有延伸。對于白光連續(xù)光譜的產(chǎn)生，主要是由于飛秒激光脈沖輻照玻璃過程中出現(xiàn)了四波混頻和自相位調(diào)制效應(yīng)［9－10］。

圖2 白光連續(xù)光譜Fig.2 White continuous spectrum radiation of“pearl chain”waveguide

在實驗過程中飛秒激光在玻璃內(nèi)部直寫的“珍珠串”光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出高的折射率改變和良好的傳導(dǎo)性質(zhì)。在脈沖能量高于21.1 nJ時“珍珠串”光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)開始變得不規(guī)則，由于散射，光通過這種高脈沖能量刻寫的珍珠結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)很弱。當(dāng)高于能量閾值時，掃描速度較大時，珍珠串之間的距離很大，但是隨著掃描次數(shù)的增加，間隔中填滿了“珍珠”。用He－Ne激光的衍射圖可驗證“珍珠串”結(jié)構(gòu)的周期性如圖3所示。

圖3 光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)對He－Ne激光的衍射圖Fig.3 The diffraction pattern of“pearl chain”waveguide for He-Ne laser beam

在激光參數(shù)和聚焦參數(shù)保持不變的情況下，白光連續(xù)光譜的強度隨樣品掃描速度的增加而增強，當(dāng)掃描光束停止時白光消失。在最大掃描速度時進行的第一次掃描后，結(jié)構(gòu)中“珍珠”間的距離很大，產(chǎn)生的白光輻射強度比較大。在這一結(jié)構(gòu)上方的第二次掃描后，白光強度變?nèi)?，新的“珍珠”出現(xiàn)在原來“珍珠”間的空隙中。在幾次掃描過后，我們發(fā)現(xiàn)了堅固的珍珠結(jié)構(gòu)，伴隨著很弱的白光產(chǎn)生。這是由于之前被改變折射率的區(qū)域或當(dāng)類空區(qū)域形成時對聚焦光束造成了微小擾動，白光的產(chǎn)生只發(fā)生在材料改變的過程中，在材料被改變后，就不會再產(chǎn)生白光連續(xù)輻射。

用金相顯微鏡觀察飛秒激光刻寫出的波導(dǎo)的形態(tài)結(jié)構(gòu)，可以看到，用飛秒激光在玻璃中直寫出的波導(dǎo)是均勻的“珍珠串”結(jié)構(gòu)。當(dāng)激光脈沖能量10.5 nJ，運行速度為0.2 mm／s，飛秒激光脈沖在玻璃內(nèi)部掃描3次時，在金相顯微鏡下觀察到的結(jié)構(gòu)如圖4所示。經(jīng)過測量，“珍珠串”的橫向?qū)挾葹?9μm，“珍珠串”的間隔周期為20μm。

圖4 “珍珠串”光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)Fig.4 the structure of“pearl chain”waveguide

當(dāng)運行速度、掃描次數(shù)、功率等參數(shù)發(fā)生改變時，“珍珠串”的橫向?qū)挾群烷g隔周期也會隨之發(fā)生改變，這是由于當(dāng)激光重復(fù)頻率比較高，相鄰脈沖間隔時間短，則飛秒激光脈沖輻照玻璃內(nèi)部存在熱積累效應(yīng)，聚焦區(qū)域的玻璃材料積累的激光能量成為一個點熱源向周圍發(fā)生熱擴散過程，產(chǎn)生一熱影響區(qū)域。玻璃掃描速度越慢，則較多的脈沖聚焦輻照到靶材內(nèi)，熱積累效應(yīng)越明顯，熱影響區(qū)域面積變大。

激光脈沖能量21 nJ，運行速度為0.01 mm／s，飛秒激光脈沖在玻璃內(nèi)部掃描2次時，在金相顯微鏡下觀察到的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 He－Ne激光在“珍珠串”光波導(dǎo)中傳播Fig.5 The propagation inside“pearl chain”waveguide for He-Ne laser beam

對比圖4的（a）和（b），可明顯地看到在不同激光參數(shù)及掃描速度參數(shù)條件下，直寫得到的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上存在差別，激光脈沖能量10.5 nJ，運行速度為0.2 mm／s情況下制備的“珍珠串”光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)較好?！罢渲榇苯Y(jié)構(gòu)是在激光焦點周圍熱量積累產(chǎn)生的非均勻凝固形成的，在激光輻照時間范圍內(nèi)，飛秒激光脈沖所沉積的熱量擴散到焦點周圍的材料區(qū)域，造成熔化區(qū)域比焦點體積大。當(dāng)激光脈沖很多時，比焦點體積大的多的材料體積在超過玻璃的熔化溫度時被加熱。入射激光脈沖的數(shù)量越多，玻璃熔化區(qū)域的半徑越大。由于溫度的梯度，當(dāng)脈沖列離開時，材料冷卻導(dǎo)致非均勻凝固，導(dǎo)致在焦點區(qū)域之外存在一熱影響區(qū)域。

4 “珍珠串”波導(dǎo)的導(dǎo)光特征

在飛秒激光脈沖直寫光波導(dǎo)過程中，由于飛秒激光聚焦玻璃位置處發(fā)生微爆炸效應(yīng)，致使飛秒激光脈沖聚焦輻照玻璃區(qū)域的折射率升高，導(dǎo)致波導(dǎo)內(nèi)部折射率高于玻璃的折射率，滿足全反射條件。因此當(dāng)光在其中傳播時，就會發(fā)生全反射，使光線只能在波導(dǎo)內(nèi)部傳播，而無法傳播到波導(dǎo)外部玻璃的其他區(qū)域。波導(dǎo)的傳輸原理是在不同折射率的介質(zhì)分界面上，電磁波的全反射現(xiàn)象使光波局限在波導(dǎo)及其周圍有限區(qū)域內(nèi)傳播。

當(dāng)用He-Ne激光沿波導(dǎo)的路徑照射時，我們可以觀察到光只在波導(dǎo)內(nèi)部傳播，而玻璃的其他區(qū)域則沒有光線傳播（圖5），這恰恰證實了波導(dǎo)的傳輸理論。同時也可以明顯地看到光波導(dǎo)的珍珠串結(jié)構(gòu)，但是也可以看到在有些“珍珠”中光線并未充分傳播，這是由于難以避免激光功率起伏對波導(dǎo)的加工效果產(chǎn)生了一定的影響。

5 結(jié) 論

本文利用飛秒激光燒蝕技術(shù)在塊狀光學(xué)玻璃體內(nèi)直寫“珍珠串”光波導(dǎo)并對白光連續(xù)光譜產(chǎn)生的原因進行分析。通過實驗條件優(yōu)化，在激光脈沖能量10.5 nJ，玻璃運行速度為0.2 mm／s情況下制備的“珍珠串”光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)較好，“珍珠串”的橫向?qū)挾葹?9μm，“珍珠串”的間隔周期為20μm?！罢渲榇苯Y(jié)構(gòu)是在激光焦點周圍熱量積累產(chǎn)生的非均勻凝固形成的，在激光輻照時間范圍內(nèi)，飛秒激光脈沖所沉積的熱量擴散到焦點周圍的材料區(qū)域，造成熔化區(qū)域比焦點體積大。利用光學(xué)衍射方法可知制備出的“珍珠串”結(jié)構(gòu)較均勻，并且能對玻璃內(nèi)傳輸?shù)腍e-Ne激光進行有效約束，在光波導(dǎo)內(nèi)進行傳輸。

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Pearl chain optical waveguide preparation by MHz fem tosecond laser pulse

CHEN Zheng-ping1，GUO Kai-min1，ZHANG Tian-hao2
（1.School of Physical Science and Technology，Baotou Teachers College，Baotou 014030，China；2.Photonics Research Center，School of Physics，The MOE Key Lab ofWeak-Light Nonlinear Photonics，Nankai University，Tianjin 300071，China）

The preparations of pearl chain opticalwaveguide inside the optical glass by the nanojoules MHz femtosec-ond laser were investigated.The white continuous spectrum radiation was generated during the preparation process. The experimental results show that the femtosecond laser pulse energy and the running speed of the optical glass have greater impacton the preparation of the pearl chain waveguide.The pearl chain opticalwaveguide structure is better at laser pulse energy of 10.5 nJ and running speed of 0.2 mm／s，and lateral width is 19μm and interval period is 20μm.The prepared pearl chain opticalwaveguide can effectively restrain He－Ne laser beam.Finally，the preparation mechanism of pearl chain opticalwaveguide by the MHz femtosecond laser is analyzed.

femtosecond pulsed laser ablation；white continuous spectrum radiation；pearl chain opticalwaveguide

TN249；O433.4

A

10.3969／j.issn.1001-5078.2014.02.0

1001-5078（2014）02-0136-04

內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)?？茖W(xué)研究項目（No.NJZC13236）資助的課題。

陳正平（1963－），男，副教授，主要研究方向為非線性光學(xué)的研究。E-mail：chen631104＠163.com

2013-06-18