銩離子摻雜硫鹵化合物玻璃單線波導(dǎo)刻寫的最佳能量測定的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種銩離子摻雜硫鹵化合物玻璃單線波導(dǎo)刻寫的最佳能量測定，以硫鹵化合物作為基質(zhì)材料，使用不同能量的飛秒激光在硫鹵化合物玻璃表面之下100μm處刻寫橫截面為橢圓形的單線波導(dǎo)，通過研究分析最佳的波導(dǎo)導(dǎo)光特性，確定最佳刻寫能量，進(jìn)一步測量所刻寫的有效波導(dǎo)的損耗，通過本發(fā)明的測定證明了銩離子摻雜硫化物玻璃可作為波導(dǎo)傳輸?shù)幕|(zhì)材料，對在該基質(zhì)材料中研究中遠(yuǎn)紅外波導(dǎo)激光器有著很好的參考價值。
【專利說明】銩離子摻雜硫鹵化合物玻璃單線波導(dǎo)刻寫的最佳能量測定

【技術(shù)領(lǐng)域】
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[0001]本發(fā)明屬于光電子【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及激光飛秒加工，具體涉及銩離子摻雜硫鹵化合物玻璃單線波導(dǎo)刻寫的最佳能量研究、有效波導(dǎo)的傳輸損耗測量以及模場分布，在集成光學(xué)和中、遠(yuǎn)紅外領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價值。

【背景技術(shù)】
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[0002]隨著第一次報道在玻璃中刻寫波導(dǎo)以來，飛秒激光在透明介質(zhì)中加工波導(dǎo)越來越受到人們的歡迎。這種趨勢歸因于飛秒激光和材料的非線性作用，在掃描區(qū)產(chǎn)生等離子體，導(dǎo)致該區(qū)域的折射率發(fā)生變化。又因為飛秒加工相比于的機(jī)械加工和皮秒激光加工有更快的非線性效應(yīng)、更小的作用面積、極小的熱效應(yīng)及更高的加工精度，在微加工領(lǐng)域有著不可比擬的優(yōu)勢。目前在硼酸鹽、磷酸鹽、碲酸鹽玻璃中刻寫波導(dǎo)的報道已有很多，有些摻雜增益介質(zhì)的玻璃中已經(jīng)有波導(dǎo)激光器的報道。西安光機(jī)所龍學(xué)文等人在“buried waveguidein neodymium doped phosphate glass obtained by femotosecond laser writing usinga double line approach”一文中報道了釹離子摻雜的磷酸鹽玻璃中刻寫雙線波導(dǎo)，波導(dǎo)的長度為9mm,雙線之間的波導(dǎo)區(qū)傳輸損耗為1.22dB/cm,波導(dǎo)表現(xiàn)出了很好的導(dǎo)光特性,文中沒有提到連續(xù)激光的輸出。山東大學(xué)提出的專利申請“鐿摻雜釔釹石榴石陶瓷平面及條形波導(dǎo)激光器件的制備方法”(申請?zhí)?201010284513.1公布號:CN 101969171A) 一文中對所刻寫的波導(dǎo)端面進(jìn)行拋光鍍膜形成諧振腔，使用976nm的泵光注入波導(dǎo)的一個端面，得到了 1030nm的激光輸出。硫化物玻璃由于它的寬的透射帶寬近年來受到人們的廣泛關(guān)注，M.Hughes 等人在 “fabricat1n and characterizat1n of femtosecond laser writtenwaveguides in chalcogenide glass，，一文中石開究了 GLS(gallium lanthanum sulfide)硫化物玻璃中不同能量下的波導(dǎo)傳輸模式和損耗，對研究硫化物波導(dǎo)刻寫有很好的參考作用。以上的專利和文章研究的都是近、中紅外的基質(zhì)材料的波導(dǎo)和波導(dǎo)激光器。本專利在以上文章和專利的基礎(chǔ)上進(jìn)一步對新的組分的銩離子摻雜的硫鹵化合物玻璃進(jìn)行研究。本樣品為摻雜了鹵族元素I和Cs的摻銩硫化物玻璃，相比于GLS玻璃有更好的熱穩(wěn)定性和透光特性(透射范圍可到11.6 μ m)，此外它是無毒的，更安全。本專利所述的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在合適的刻寫能量下表現(xiàn)出良好的導(dǎo)光特性，進(jìn)一步可對硫鹵化合物玻璃波導(dǎo)激光器的研究提供借鑒，尤其是對于不同離子摻雜的樣品更有指導(dǎo)意義，可作為中、遠(yuǎn)紅外波導(dǎo)激光器良好的基質(zhì)材料。


【發(fā)明內(nèi)容】

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[0003]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種銩離子摻雜硫鹵化合物玻璃單線波導(dǎo)刻寫的最佳能量測定方法，對在該基質(zhì)材料中研究中遠(yuǎn)紅外波導(dǎo)激光器有著很好的參考價值。
[0004]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:銩離子摻雜硫鹵化合物玻璃單線波導(dǎo)刻寫的最佳能量測定，以硫鹵化合物作為基質(zhì)材料，使用不同能量的飛秒激光在玻璃表面之下100 μ m處刻寫橫截面為橢圓形的單線波導(dǎo)，通過研究分析最佳的波導(dǎo)導(dǎo)光特性，確定最佳刻寫能量。
[0005]進(jìn)一步的，所述的銩離子摻雜硫鹵化合物玻璃單線波導(dǎo)刻寫的最佳能量測定，其特征在于:包括以下步驟:
[0006](I)硫劍七合物玻璃加工:將硫劍七合物玻璃切割成5X5X2mm3的立方體，除面積為5X2mm2的兩個面外,其余四個面拋光處理；
[0007](2)硫鹵化合物玻璃清理:使用純度大于99%酒精將四個拋光面的灰塵清理干凈;
[0008](3)將硫鹵化合物玻璃固定于三維電動平移臺上；
[0009](4)設(shè)定電動平移臺的參數(shù):
[0010](4a)旋轉(zhuǎn)電動平移臺和鈦寶石放大器之間的衰減片，控制刻寫激光的能量；
[0011](4b)設(shè)定電動平移臺的參數(shù)，控制樣品的移動方向和移動速率以及刻寫波導(dǎo)的種類；
[0012](5c)設(shè)定CXD的參數(shù)，調(diào)整視場的大小，以便最佳的實時監(jiān)測；
[0013](5)飛秒激光加工:
[0014](5a)飛秒激光的聚焦方向和樣品的移動方向垂直,激光光束聚焦到樣品的內(nèi)部；
[0015](5b)在步驟(4a)設(shè)定的掃描能量和步驟(4b)設(shè)定的掃描速率下刻寫單線波導(dǎo)；
[0016](6)通光測試:
[0017](6a)使用白光找到刻寫波導(dǎo)的橫截面；
[0018](6b)使用聚焦物鏡將1039nm的光聚焦到樣品中刻寫波導(dǎo)的橫截面，使用10倍顯微物鏡將另一個端面出射的光聚集到CCD中，通過CCD觀察近場模式分布來判斷刻寫的波導(dǎo)導(dǎo)光特性，如果通過CCD觀察到的經(jīng)過波導(dǎo)后的模場分布是亮斑，則執(zhí)行步驟(7)，否則執(zhí)行步驟⑷；
[0019](7)測量經(jīng)過刻寫的波導(dǎo)損耗；
[0020](8)完成單線波導(dǎo)刻寫最佳能量的測試。
[0021]進(jìn)一步的，所述步驟(I)中材料拋光處理的吸收損耗為3.5dB/cm，拋光面為光學(xué)精度。
[0022]進(jìn)一步的，所述步驟(3)中三維電動平移臺的步長為lnm。
[0023]進(jìn)一步的,所述步驟(4a)中通過旋轉(zhuǎn)衰減片使激光器的輸出能量在O和ImJ之間連續(xù)變化。
[0024]進(jìn)一步的，所述步驟(4b)中平移臺的移動速率設(shè)定為30ym/s ;步驟(4b)中使用20倍顯微物鏡找到平面，50倍顯微物鏡進(jìn)行加工；所述步驟(4c)中CCD的視場與步驟(4b)設(shè)定的參數(shù)對應(yīng)。
[0025]進(jìn)一步的，所述步驟(5a)中激光光束聚焦到樣品表面以下ΙΟΟμπι處。
[0026]進(jìn)一步的，所述步驟(5b)中刻寫能量最小為0μ J，最大為15.9μ J，每次增加
0.2μ J的能量。
[0027]進(jìn)一步的，步驟(6b)中(XD的分辨率為300萬像素。
[0028]進(jìn)一步的，所述步驟(7)中測量激光經(jīng)過波導(dǎo)線后的輸出功率P’，再測量激光不經(jīng)過樣品直接進(jìn)入功率計的功率Ptl，由公式η = (lO/DXlogp^P’)計算所刻寫的波導(dǎo)的傳輸損耗，功率計的分辨率為InW，量程為30mW。
[0029]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明的方法通過分析不同的飛秒激光刻寫能量下的波導(dǎo)導(dǎo)光特性，確定了銩離子摻雜硫化物玻璃單線波導(dǎo)的最佳刻寫能量，進(jìn)一步測量了所刻寫的有效波導(dǎo)的損耗，證明了銩離子摻雜硫化物玻璃可作為波導(dǎo)傳輸?shù)幕|(zhì)材料，對在該基質(zhì)材料中研究中遠(yuǎn)紅外波導(dǎo)激光器有著很好的參考價值。

【專利附圖】

【附圖說明】
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[0030]圖1是本發(fā)明硫鹵化合物波導(dǎo)示意圖；
[0031]圖2是本發(fā)明硫鹵化合物波導(dǎo)加工示意圖；
[0032]圖3是本發(fā)明硫鹵化合物波導(dǎo)損耗測量示意圖；
[0033]圖4是本發(fā)明硫鹵化合物波導(dǎo)近場模式分布圖。

【具體實施方式】
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[0034]參閱圖1，為本發(fā)明的波導(dǎo)示意圖，左圖為飛秒激光加工的波導(dǎo)刻線，右圖為波導(dǎo)刻線的橫截面圖，不同的刻線所對應(yīng)的刻寫能量不同，結(jié)合圖2和圖3對本發(fā)明的實施方式做進(jìn)一步的描述，包括以下步驟:
[0035]步驟一:硫鹵化合物玻璃加工
[0036]將樣品切割成外形尺寸5X5X2mm3的立方體1，除面積為5X2mm2的兩個面外，其余四個面均被拋光，材料拋光處理的吸收損耗為3.5dB/cm，拋光精度為光學(xué)精度。
[0037]步驟二:硫鹵化合物玻璃清理
[0038]加工好的硫鹵化合物玻璃使用純度大于99%的酒精進(jìn)行清理，保證拋光面光潔，注意不要將拋光面劃傷，以免影響后續(xù)加工；
[0039]步驟三:硫鹵化合物玻璃固定
[0040]使用拋光紙將樣品放到載玻片8上，保證5X2mm2待加工面向上。將載玻片8放置到三維電動平移臺7 (NIKON)的載物臺上(可先使用膠帶將載玻片粘在載物臺上)，打開電荷耦合器件6 (CCD) (AVT ΜΑΝΤΑ)，將顯微物鏡(NIKON)旋轉(zhuǎn)到20倍，同時設(shè)定CCD6視場為20倍。通過調(diào)節(jié)三維電動平移臺7的高度找到待加工面，開始可粗調(diào)，找到表面后精調(diào)直至看到清晰的表面拋光線。
[0041]通過微調(diào)載玻片8使得表面和(XD6里的十字叉線的橫線叉線平行，固定載玻片8。
[0042]步驟四:設(shè)定參數(shù)
[0043]通過旋轉(zhuǎn)三維電動平移臺7和鈦寶石放大器3 (COHERENT)之間的衰減片4可使所需加工的能量在O和ImJ之間連續(xù)變化；電動平移臺7的移動速率設(shè)定為30 μ m/s，刻寫深度設(shè)定為表面以下100 μ m刻寫的波導(dǎo)類型為curveline,掃描距離設(shè)定為2000 μ m。加工時使用50倍，數(shù)值孔徑0.5的顯微物鏡5 (此時的CXD的視場選為only50X)。
[0044]步驟五:飛秒激光加工
[0045]顯微物鏡5將衰減后的激光聚焦到樣品I表面之下100 μ m,通過驅(qū)動程序精確控制平移臺7在垂直于激光聚焦的方向上(xy平面)沿X方向移動，每增加0.2 μ J刻寫一次波導(dǎo)2，相鄰的兩條波導(dǎo)之間的間隔為lOOnm，直到加工的能量增加到15.9 μ J。記錄每次刻寫完成后的波導(dǎo)圖像，以便觀察對比。在本發(fā)明的實施例中，鈦寶石放大器輸出的最大脈沖能量為lmj，脈沖寬度50fs，重復(fù)頻率IKHz。
[0046]步驟六:通光測試
[0047]將白光通過依次聚焦物鏡10、樣品1、顯微物鏡11、(XD12觀察刻寫波導(dǎo)2的橫截面，具體實施方法如下:
[0048]如附圖4所示，將樣品固定在六維平移臺上，保證通光面為波導(dǎo)的橫截面，樣品的兩個通光面分別位于聚焦物鏡10和顯微物鏡11的焦點(diǎn)處，(XD12位于顯微物鏡11后約1cm處。通過白光找到波導(dǎo)的橫截面，再使用1039nm的激光9耦合到波導(dǎo)中，通過調(diào)節(jié)平移臺和樣品I的位置觀察最佳的導(dǎo)光模式，如圖3所示。試驗中，觀察到了不同的刻寫能量下的波導(dǎo)的導(dǎo)光特性，最終確定了最佳的刻寫能量為0.5μ J(圖4d所示)。當(dāng)刻寫的飛秒激光的單脈沖能量大于0.5μ J時，波導(dǎo)的導(dǎo)光特性開始變差，當(dāng)刻寫的單脈沖能量增到4.04 1(圖知)時觀察到了明顯的另外形式的波導(dǎo)。
[0049]步驟七:損耗測量
[0050]如附圖4所示安裝測試裝置，使用(XD12找到有效波導(dǎo)后將功率計13 (COHERENT)放于顯微物鏡11之后，測量每一條有效波導(dǎo)所對應(yīng)的損耗。
[0051]步驟八:完成單線波導(dǎo)刻寫最佳能量的測試。
【權(quán)利要求】
1.銩離子摻雜硫鹵化合物玻璃單線波導(dǎo)刻寫的最佳能量測定，其特征在于:以硫鹵化合物作為基質(zhì)材料，使用不同能量的飛秒激光在玻璃表面之下100 μ m處刻寫橫截面為橢圓形的單線波導(dǎo)，通過研究分析最佳的波導(dǎo)導(dǎo)光特性，確定最佳刻寫能量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的銩離子摻雜硫鹵化合物玻璃單線波導(dǎo)刻寫的最佳能量測定，其特征在于:包括以下步驟: (1)硫鹵化合物玻璃加工:將硫鹵化合物玻璃切割成5X5X2mm3的立方體，除面積為5X2mm2的兩個面外,其余四個面拋光處理； (2)硫鹵化合物玻璃清理:使用純度大于99%酒精將四個拋光面的灰塵清理干凈； (3)將硫鹵化合物玻璃固定于三維電動平移臺上； (4)設(shè)定電動平移臺的參數(shù): (4a)旋轉(zhuǎn)電動平移臺和鈦寶石放大器之間的衰減片，控制刻寫激光的能量； (4b)設(shè)定電動平移臺的參數(shù)，控制樣品的移動方向和移動速率以及刻寫波導(dǎo)的種類； (4c)設(shè)定CXD的參數(shù)，調(diào)整視場的大小，以便最佳的實時監(jiān)測； (5)飛秒激光加工: (5a)飛秒激光的聚焦方向和樣品的移動方向垂直,激光光束聚焦到樣品的內(nèi)部； (5b)在步驟(4a)設(shè)定的掃描能量和步驟(4b)設(shè)定的掃描速率下刻寫單線波導(dǎo)； (6)通光測試: (6a)使用白光找到刻寫波導(dǎo)的橫截面； (6b)使用聚焦物鏡將1039nm的光聚焦到樣品中刻寫波導(dǎo)的橫截面，使用10倍顯微物鏡將另一個端面出射的光聚集到CCD中，通過CCD觀察近場模式分布來判斷刻寫的波導(dǎo)的導(dǎo)光特性，如果通過CCD觀察到的經(jīng)過波導(dǎo)后的模場分布是亮斑，則執(zhí)行步驟(7)，否則執(zhí)行步驟⑷； (7)測量經(jīng)過所刻寫的波導(dǎo)損耗； (8)完成單線波導(dǎo)刻寫最佳能量的測試。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的銩離子摻雜硫鹵化合物玻璃單線波導(dǎo)刻寫的最佳能量測定，其特征在于:所述步驟(I)中材料拋光處理的吸收損耗為3.5dB/cm，拋光面為光學(xué)精度。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的銩離子摻雜硫鹵化合物玻璃單線波導(dǎo)刻寫的最佳能量測定，其特征在于:所述步驟(3)中三維電動平移臺的步長為lnm。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的銩離子摻雜硫鹵化合物玻璃單線波導(dǎo)刻寫的最佳能量測定，其特征在于:所述步驟(4a)中通過旋轉(zhuǎn)衰減片使激光器輸出的單脈沖能量在O和ImJ之間連續(xù)變化。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的銩離子摻雜硫鹵化合物玻璃單線波導(dǎo)刻寫的最佳能量測定，其特征在于:所述步驟(4b)中平移臺的移動速率設(shè)定為30 μ m/s ;步驟(4b)中使用20倍顯微物鏡找到平面，50倍顯微物鏡進(jìn)行加工；所述步驟(4c)中CCD的視場與步驟(4b)設(shè)定的參數(shù)對應(yīng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的銩離子摻雜硫鹵化合物玻璃單線波導(dǎo)刻寫的最佳能量測定，其特征在于:所述步驟(5a)中激光光束聚焦到樣品表面以下100 μ m處。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的銩離子摻雜硫鹵化合物玻璃單線波導(dǎo)刻寫的最佳能量測定，其特征在于:所述步驟(5b)中刻寫能量最小為0，最大為15.9μ J。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的銩離子摻雜硫鹵化合物玻璃單線波導(dǎo)刻寫的最佳能量測定，其特征在于:步驟^b)中CXD的分辨率為300萬像素。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的銩離子摻雜硫鹵化合物玻璃單線波導(dǎo)刻寫的最佳能量測定，其特征在于:所述步驟(7)中測量激光經(jīng)過波導(dǎo)線后的輸出功率P’，再測量激光不經(jīng)過樣品直接進(jìn)入功率計的功率Po，由公式n = (lo/Dx1gp^p’)計算所刻寫的波導(dǎo)的傳輸損耗；所述功率計的分辨率為lnw，量程為30mW。
【文檔編號】G01M11/02GK104132801SQ201410369976
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月30日
【發(fā)明者】王軍利, 賀博榮, 朱江峰, 魏志義 申請人:西安電子科技大學(xué)