專利名稱：在透明體中鉆出至少一個孔的方法和用該方法制成的器件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般涉及透明材料的濕法激光鉆孔的方法以及使用該方法制成的器件。本方法適合用于制造光纖器件。
背景技術：
在光纖和光子學器件的光通信領域中，需要將光纖精確地固定在光子學材料器件中。光通信設備通常需要將光纖精確地固定在玻璃材料中，例如，光纖套管中。在生物醫(yī)學或化學領域中，需要用到能夠裝入非常少的、量值已精確確定好的化學或生物材料的容器盤。這些容器盤是帶有多個極微小的凹陷或杯形結構的容器盤(substray)，能夠裝入各種生物樣本或檢測材料。
在2001年3月1日出版的、OPTICS LETTERS第26卷第5期題為“Femosecond laser-assisted three-dimenstional microfabrication in silica”文章中，描述了一種在二氧化硅玻璃中的三維微加工過程。所描述的過程使用如下步驟(i)用經聚焦過的飛秒(fs)激光脈沖在二氧化硅玻璃內部寫入三維圖案；(ii)用HF酸刻蝕受損的二氧化硅玻璃。不過，該過程相對較長，因為它使用兩個連貫的步驟并且暴露于酸性物質的環(huán)境中可能對人體有害。此外，所產生的洞表面很不規(guī)則并且非常短(最大的長度約為120微米)。
在2001年12月1日公布的OPTICS LETTERS第26期23號中題為“Threedimensional hole drilling of silica glass from the rear surface with femptosecondlaser pulses”的文章中描述了在二氧化硅玻璃中不使用HF酸的單步驟三維微加工過程。這篇文章描述了快門斷續(xù)型聚焦激光束與水相結合的使用情況。使用該快門的目的在于將延遲周期引入上述過程，以允許水流入洞中。由此，因有目的地引入了延遲周期，所以該過程也相對較長。另外，該方法所產生的孔洞的直徑非常小(21微米或更小)并且孔洞長度相對較短(600微米或更小)。這篇文章沒有講明如何鉆出更寬和/或更長的孔洞。

發(fā)明內容
根據本發(fā)明的方法的一個優(yōu)點在于它提高了透光材料的微切削加工速度。另一個優(yōu)點在于，本方法并不使用酸來刻蝕透光材料。
根據本發(fā)明，一種用于在透光體中鉆出至少一個孔的方法包括如下步驟(i)提供超短脈沖激光器，用于產生波長為λ的激光輸出，該激光輸出具有亞皮秒的激光脈沖持續(xù)時間；(ii)提供用于聚焦激光輸出的激光輸出聚焦透鏡，該聚焦透鏡的數值孔徑為NA；(iii)提供透光體，該透光體在λ處的透光率至少為90％/cm；(iv)提供裝滿液體的容器，緊靠透光體，使得透光體直接與液體相接觸；并且(v)引導激光輸出通過聚焦透鏡以產生經聚焦過的激光輸出，該激光輸出具有亞皮秒的激光脈沖持續(xù)時間并緊靠透光體，其中當透光體與經聚焦過的激光輸出彼此相對地在X-Y-Z方向上移動的同時，所述經聚焦過的激光輸出穿過透明玻璃體繪制至少一個孔洞刻痕圖案。該至少一個孔洞刻痕圖案與液體和經聚焦過的激光輸出相接觸，并與液體一起在透光體中產生至少一個孔洞。
根據本發(fā)明的一個實施例，該方法也包括如下步驟提供可控制的定位平移臺架；在臺架內定位透光體，并相對于所述經聚焦過的激光輸出的位置來平移所述透光體。
根據本發(fā)明的一個實施例，聚焦透鏡的數值孔徑NA≤1.0且工作距離為3mm或更大些。
根據本發(fā)明的一個實施例，該方法被用來制造用于固定光纖的光纖器件，并包括將光纖插入光纖接收孔以提供含光纖的孔洞這一步驟。
根據本發(fā)明的一個實施例，該方法被用來在厚度至少為0.25mm的厚塊狀氧化物玻璃體中鉆出多個精確的孔。較佳地，該厚度為1mm或更大些。
根據本發(fā)明一個實施例，該方法可用于制造光學器件，比如光纖固定器或容器盤。該方法可以被用來制造含至少一個激光印刻的孔洞刻痕圖案的塊狀透明體，該孔洞刻痕圖案穿透塊狀透光體。
本發(fā)明各種實施例的另外的特征和優(yōu)點將在下文中得到詳細闡述，并且本領域的技術人員從該描述中將會部分清晰地看到這些特征和優(yōu)點，或通過按本文(包括下文的詳細說明、權利要求書以及附圖)所描述的那樣實施本發(fā)明從而意識到這些特征和優(yōu)點。
應該理解，前面一般性的描述和后面的詳細描述都展示了許多本發(fā)明的實施例，旨在提供一個概要或基本結構，以便于理解像權利要求書所表明的本發(fā)明的本質和特征。所包括的附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，包含在此并構成本說明書的一部分。這些圖示出了本發(fā)明的各種實施例，與說明書一起用于解釋本發(fā)明的原理和操作過程。


圖1A-1C示出了本發(fā)明的多個實施例。
圖2示出了用于支撐透光體的示例性支架。
圖3A和3B示出了用于裝入液體的示例性透明小容器。
圖4示出了緊靠圖2所示支架的圖3A和3B所示的透明小容器。
圖5A和5B示意性地示出了帶有多個彈孔刻痕的透光體。
圖6示出了用來回移動的激光聚焦在其上形成彈孔刻痕的透光體。
圖7A示意性地示出了透光體和從該透光體上剝離并去除的柱狀材料。
圖7B示出了帶有多個圓柱孔的透光體。
圖7C-7G示意性地示出了孔洞刻痕圖案排布的不同示例。
圖8A-8B示出了由透光體中激光鉆出的孔來容納的孔含式光纖。
圖9A-9B示出了帶有多個孔的透光體，每個孔含一根光纖。
圖10A示出了螺旋狀的輻照圖案。
圖10B示出了可選的準螺旋狀的輻照圖案。
圖10C是由圖10B所示的準螺旋狀輻照圖案所產生的腔或通道的顯微照片。
圖11A是示出了玻璃體中的圓柱孔的玻璃樣本的顯微鏡照片。
圖11B示出了從圖11A所示的玻璃體中除去的柱狀玻璃體。
圖12示出了帶有四個孔且每個孔各插入一根光纖的透光體。
圖13A-13C示出了本發(fā)明一實施例的光纖器件。
圖14A-14D示出了本發(fā)明一實施例的另一種光纖器件。
圖15示出了本發(fā)明一實施例的又一種光纖器件。
圖16示意性地示出了本發(fā)明的諸多實施例可選用的刻痕圖案。
圖17A-17B示意性地示出了本發(fā)明另外的實施例。
具體實施例方式
現(xiàn)在將對本發(fā)明的較佳實施例給出詳細參照。這些實施例在附圖中均有示出。
本發(fā)明涉及透明體10(比如，玻璃或藍寶石)的濕法激光鉆孔方法。本方法可以較有優(yōu)勢地用于制造本說明書中所描述的光學器件。這些光學器件可以是用于固定光纖的光纖器件，比如光纖套管。
如圖1A-1C所示，本方法包括提供超短脈沖激光器30，用于產生波長為λ的激光輸出32，該激光輸出具有亞皮秒的激光脈沖持續(xù)時間。較佳地，透光體10在λ處的透明度至少為90％/cm且最好≥95％/cm，λ處的吸收率＜5×10-2cm-1。較佳地，透光體的體積厚度至少為0.5mm，更佳地為1mm，最佳地至少為2mm。
本方法還包括提供激光輸出聚焦透鏡34，用于聚焦激光輸出32。在本示例中，透鏡34的空氣工作距離大于等于3mm，數值孔徑NA≤1.0。數值孔徑NA≤0.5則更佳。較佳地，數值孔徑應該小到能夠使聚焦透鏡通過能夠處理直徑較寬的激光束，從而能夠收集并匯聚更多的激光能量。大于3mm的工作距離能夠鉆相對較厚的透明體(3mm厚或更厚)。此處所界定的工作距離是從透鏡最后的表面(面對焦點或圖像)到焦點/圖像之間的距離。較佳地，激光輸出聚焦透鏡34的工作距離介于3mm和30mm之間，并且數值孔徑NA大約介于0.26和0.5之間，更佳地是介于0.28和0.5之間。
較佳地，透明體10的位置和聚焦透鏡34所提供的焦點/圖像的位置應該可以彼此相對地調節(jié)。在本實施例中，在透明體10中鉆出至少一個孔的方法包括提供計算機可控定位平移平臺36以便容納透光體10(比如，氧化物塊狀玻璃體或塊狀藍寶石體)的步驟。在本示例中，微加工或激光脈沖鉆孔的精度主要受平臺36的移動準確度(小于0.1微米)限制。根據本發(fā)明一實施例，透明體10的透明度在λ處至少為90％/cm。透明體10被提供給XYZ平臺36并被平臺36所接納。在本實施例中，玻璃體10是氧化物塊狀玻璃體。裝滿液體的容器39緊靠透光體10，使得至少一部分透光體10與液體39’直接接觸。在本示例中，容器39是鋁制的透明小容器且該液體是水。較佳地，液體39’包含至少一種表面活化物質。在本實施例中，平臺36也支撐透明小容器39，使得透光體和透明小容器按平移平臺36的要求一起移動。在本實施例中，透明小容器39的內部尺寸是0.75″×1.5″×1.5″。激光輸出32被引導通過聚焦透鏡34并被聚焦到緊靠透光體10的焦點位置40處，或被成像到該位置上。較佳地，成像位置或焦點位置40應該在與液體39’直接接觸的透光體10的表面上，或較佳地在所述表面之后的液體處。經聚焦的激光40’具有高強度并具有亞皮秒的脈沖持續(xù)時間。超短脈沖很短的持續(xù)時間幫助減小透光體10的加熱過程。我們也發(fā)現(xiàn)，激光脈沖越短，所產生的結構的顆粒度越精細。即，脈沖越短，則環(huán)繞孔洞或凹陷的表面平滑度越精細。透光體10與裝滿液體的透明小容器39一起相對于焦點位置40平移，其中經聚焦的激光40’刻出穿透透光體10的孔洞刻痕圖案42。至少在某些器件中，經聚焦的激光刻入玻璃體10的厚度至少為0.25mm，刻入孔洞的長度等于厚度。激光聚焦所刻出的孔洞刻痕圖案42可以是0.5mm到10mm長。
由此，如圖1A-1C所示，在玻璃這樣的透光體10中鉆孔的方法包括(i)將液體(例如水)直接放在透光體10旁邊；并且(ii)使用經聚焦的能量脈沖在透光體10中鉆孔(即壓扁材料)，同時用水或其它液體除去碎片。另外，二氧化硅(Si)基玻璃中，在鉆孔區(qū)域(沿孔洞刻痕)中水也可能與玻璃反應并加速鉆孔過程。
如圖2、3A、3B和4所示，該方法包括提供用于裝入液體39’的容器39。容器39被設計成可安裝到XYZ平臺上。在本實施例中，容器39是帶有一個可拆卸的蓋子的透明小容器并且一側(將面朝透光體10的那一側)是打開的。這在圖2中示出。透光體10被安裝到支架44上(圖3)。支架44與與環(huán)繞開孔一側的容器壁44’緊鄰，如圖4所示，從而形成用于液體39’的密封容器。較佳地，將容器39陽極化以防止光反射。支架44和容器39是由一組螺絲41固定在一起的?；蛘?，可將透光體10直接密封到容器壁44’上。由此，當切割聚焦刻蝕孔洞刻痕圖案42以形成像光纖容納塊46這樣的孔洞時，至少一部分玻璃體10與液體接觸。
刻出穿透透光體10的孔洞刻痕42的步驟較佳地包括刻出像圖5A、5B和6所示的孔洞刻痕42，該孔洞刻痕42環(huán)繞未暴露的中心玻璃體43。如圖5A、5B和6所示，孔洞刻痕42具有圓柱形幾何形狀，并且材料的切除將所環(huán)繞的未暴露的圓柱體43從其周圍透光體10中剝離，該未暴露的中心玻璃體43像圖7A和7B所示的那樣被除去以提供精確的光纖容納孔46。在一個示例性的實施例中，如圖7C所示，刻出兩個相鄰的孔洞刻痕圖案以形成8字形用于容納兩根光纖并將其相鄰放置。在另外的實施例中，如圖7D-7G所示，刻出不止兩個相鄰的孔洞刻痕圓柱，它們彼此相鄰排成序列或矩陣，以便按預定的序列或矩陣圖案來容納多個光纖并將其相鄰放置。圖7G所示的相鄰的孔洞刻痕42產生光纖容納孔46，用于圖8A和8B所示的孔含式光纖52。如圖8A和8B所示，在透光體10的后側光纖插入口處，光纖容納孔46包括錐形的光纖漏斗47，用于方便地將光纖50插入光纖容納孔46中。
由此，如圖9A和9B所示，制造光纖器件的方法也包括將光纖50插入光纖容納孔46中以提供孔含式光纖52的步驟。
在一個實施例中，提供超短脈沖激光器30的步驟包括提供其激光輸出32的激光脈沖持續(xù)時間小于100fs的激光器。更佳地，激光脈沖持續(xù)時間小于50fs，甚至小于等于40fs。提供超短脈沖激光器30的步驟較佳地包括提供脈沖能量激光器，該激光器產生脈沖能量大于等于4微焦的激光輸出32。對于直徑為125微米或更小的孔而言，激光輸出32最好大于等于7.5微焦并小于等于25微焦，較佳地小于等于20微焦。直徑更大的孔可以用更強的激光來鉆出，因為較大直徑的輻照圖案使相鄰的液體能夠冷卻并完全滲透到所切割的通道內。激光波長λ應該在被鉆材料的透明區(qū)域內。大多數的玻璃和許多晶體對于近紅外區(qū)的光而言都是透明的。由此，激光輸出32的波長最好小于1000nm。例如，λ可以在800±100nm的范圍內，并可以以800nm為中心。不過，也可以使用其它激光器，較佳地使用NIR(近紅外)激光器。
使用NIR激光器來鉆透明材料的過程是基于燒蝕的。在NIR激光器波長(在本示例中λ＝800nm)處，玻璃和晶體對于該波長都是透明的，所以激光輸出32并不引起材料的加熱和熔化。為了產生燒蝕，我們使用非線性吸收效應，當激光輸出32被強烈聚焦并且光強如此之高以至于發(fā)生跨帶隙的多光子吸收的時候，就會發(fā)生非線性吸收效應。與線性吸收不同，非線性吸收系數隨強度而增長，并且在高強度(像1015W/cm2或更大)時激光束的焦點位置40處的吸收可能是入射功率的幾十個百分點。因為焦點體積不大于幾十個立方微米，所以被吸收的功率強度非常高并且材料跳過熔化階段蒸發(fā)了。燒蝕是一個依賴于閾值強度的過程，并且所除去的材料的量隨脈沖能量而增長(假定相同的強度)。結果，與相同強度的飛秒脈沖相比，在相同的材料中納秒脈沖將產生更多的破壞。用納秒脈沖來燒蝕會產生更大的洞，其邊緣不平且有裂紋，而飛秒脈沖在不損壞周圍區(qū)域的同時更為精確地工作。
盡管我們正在描述產生微孔的不同的透光材料的微加工方法，但是相同的方法和制造條件可應用于幾乎任何微結構的鉆孔和碾磨過程。透光材料可以是各種玻璃和各種晶體材料(比如，石英晶體和藍寶石)。
為了鉆孔，需要在玻璃中刻出一個通道，該通道決定孔的形狀。為了鉆出圓柱形的孔，平移透光體10以便用經聚焦的激光輸出產生螺旋狀的或準螺旋狀的輻照圖案(也被稱為孔洞刻痕圖案)。圖10A和10B示意性地示出了這些圖案。螺旋狀的輻照圖案應該足夠將內部的圓柱切下來，但在某些厚度超過1.5mm到2mm的透光體中，這些孔便被碎片所阻塞。在這些透光體中，為了在這些孔正在被鉆時使液體能夠更好地在孔中對流和沖洗，我們通過在該圖案內引入垂直切割通道來修改螺旋狀的刻痕圖案(圖10B)。在整個螺旋狀的刻痕圖案內垂直切割的通道改善了液體對流并幫助解決了阻塞孔洞的問題。由此，如圖10B所示，在本實施例中，孔洞刻痕圖案具有垂直分割的橫截面。圖10C示出了所刻通道的顯微照片。
在輻照期間，液體39’沸騰了，并且碎片的沖洗因上升到液體表面的泡泡和流入被切通道(孔)中的新鮮液體所引起的自然對流而發(fā)生。不過，如果泡泡(i)粘在透光體10的表面，和/或(ii)足夠大，則它們可能會阻礙碎片的沖洗。由此，在這種情況下，在水中添加表面活性劑以消除泡泡粘在樣品表面上的現(xiàn)象并減小泡泡的尺寸。這種表面活性劑的一個示例是十二烷基硫酸鈉(sodium dodecylsulfate)，即SDS。也可以使用其它表面活性劑。我們也發(fā)現(xiàn)添加甲醇也可以改進鉆孔過程。兩種添加劑的量都不是臨界的，特別是蒸餾水中的表面活性劑的量(在本示例中是SDS)接近飽和并且該液體與甲醇以50/50的比率混合。更具體地講，在一個實施例中，我們向30毫升的水中添加約5毫升的SDS。另外，因為在鉆孔過程中表面活性劑可能被逐漸消耗掉(因為激光會使SDS分子分解)，所以在鉆孔過程中，如果需要，我們會向水中添加SDS。
透光材料10的典型折射率約為1.45到1.7。在某些情況下，當透光材料10的折射率N與水(n＝1.33)差別甚大時，基于水的液體并不適用。這是因為太多的光可能在玻璃與水的界面上被反射掉了。不過，當在顯示玻璃中鉆孔的同時面對這種問題時(參看下文的表格1)，通過使用折射率約為1.47的二甲基亞砜(dimethylsulfoxide，DMSO)作為液體39’，而不再使用水或基于水的溶液，我們能夠解決上面提到的問題。
通過輻照激光束寫入螺旋狀激光輻射刻痕圖案(該孔洞刻痕圍繞未暴露的中心玻璃體)，便形成了各種預定直徑的孔。由周圍的刻痕圖案所圍繞的內部未經暴露的部分接著從塊狀透光體10中剝離。在2mm厚的塊中輻射出120微米直徑的圓柱。平移平臺和所容納的透光體10以寫出連貫的環(huán)以構成一個圓柱。環(huán)的直徑約為120微米，環(huán)面之間的分離距離約為2到3微米，所使用的是7.5到10毫焦的脈沖能量、40飛秒的脈沖、800nm的波長、20kHz、以及250微米/秒的寫速度。更具體地講，在一個實施例中，我們提供2mm厚的HPFS(高純度熔融二氧化硅)晶片，作為透光體10。我們使用簡單的螺旋狀輻照圖案，以在該材料中產生一個孔。圖11A是這種晶片的顯微鏡照片，并示出了所產生的孔46。圖11B是從該孔46中出來的引腳(未經暴露的玻璃體)的照片。在這種晶片中制造126微米直徑的孔所需時間約為10分鐘。被輻照的螺旋直徑為110微米，并且最后的直徑會因焦點光斑的最終大小變得更大些。
在另一個示例中，使用上述步驟并使用用于液體39’的丙酮芘，便可以在2mm熔融二氧化硅片中鉆出126微米孔。
圖12示出了在HPFS片中示例性的二乘二的126微米的孔陣列的照片。然后，將光纖52插入孔46中。當光纖52插入孔中時，多根光纖52的纖芯之間中心到中心的距離的測得變化值是0.7微米，而直徑變化值是0.1微米。
表格1提供了用于不同的示例性玻璃和晶體藍寶石的一些鉆孔條件示例。在本說明書中還提供示例性材料的化學組分。所產生的孔的直徑約為126微米。注意到，藍寶石非常容易鉆孔，盡管它是最硬的材料之一。平移速度相對較高，蒸餾水中不需要任何添加劑，并且沒有垂直通道的螺旋狀刻痕很有效。
表格1

*步長是沿圓柱形孔測得的。
**無法優(yōu)化速度。添加甲醇可增大鉆孔速度。
我們發(fā)現(xiàn)通過使用本方法，它們可以以5微米/秒以上的速度切割125微米的孔，較佳地在10微米/秒以上。更佳地，切割速度應該在20微米/秒以上并小于2mm/s，較佳地，小于500微米/秒。對于尺寸更大的孔而言，較佳的切割速度可能是不同的。我們發(fā)現(xiàn)激光束參數對于激光鉆孔的效率而言是重要的。延長激光脈沖持續(xù)時間可使非線性吸收和玻璃熔融最大。另一方面，中等的平均功率與適宜的刻蝕速度一起應該可最佳地用于快速熔融而不用碎片阻塞所產生的孔。當光功率過大時(對于玻璃而言大于等于20微焦，對于晶體材料而言是30微焦，這些都是對直徑為125微米的孔而言的)，水對流不夠快以至于無法清洗掉孔中的碎片，所以熔融速度的選擇應該用對流速度來平衡一下。我們發(fā)現(xiàn)，就孔的平滑度和鉆孔速度而言，能量為7.5到10微焦的激光脈沖和在50到250微米/秒范圍中的切割速度可提供非常好的結果。在一個示例性實施例中，我們能夠在約12分鐘內在4mm厚的氧化物玻璃中鉆出一個直徑126微米的孔。
示例性的材料在一個示例中，透光體10是氧化物塊狀玻璃體，在本示例中它是含二氧化硅玻璃體(ULE玻璃，可從紐約州的Corning公司獲得)的TiO2。在較佳的實施例中，TiO2硅二氧化物二氧化硅玻璃體含5-10wt.％的TiO2，最佳地，TiO2二氧化硅玻璃的OH含量＞100ppm OH wt.，更佳地，＞500ppm OH wt.，較佳地二氧化硅玻璃是直接沉積玻璃，它基本上由SiO2和TiO2組成。在尤佳的實施例中，TiO2硅二氧化物熔融二氧化硅玻璃體包含6-8wt.％的TiO2，更佳地6.5-7.5wt.％的TiO2，最佳地約為7wt.％的TiO2。較佳地，在5℃到35℃的溫度范圍中，6-8wt.％的TiO2硅二氧化物熔融二氧化硅玻璃體具有范圍在-30ppb/℃到30ppb/℃中的CTE。
在另一個可選的示例性實施例中，透光體10是二氧化硅玻璃體，更具體地講，是分批熔融硼硅酸鹽玻璃，較佳地具有至少1％的氧化硼，更佳地至少3％的氧化硼。
在一個實施例中，二氧化硅玻璃體是窗戶玻璃，比如分批熔融碳酸鈣玻璃，較佳地具有至少1％的Na2O和1％的CaO，更佳地至少3％的Na2O和3％的CaO。
在一個實施例中，透光體是表格1中的顯示玻璃。更具體地講，它是分批熔融熔化壓延型平板玻璃，較佳地，B2O3氧化鋁二氧化硅玻璃約含50(±5)wt.％SiO2，15(±5)wt.％氧化鋁，7.5(±2)wt.％B2O3，以及14(±5)wt.％堿土。這種玻璃的鉆孔是通過使用DMSO來制造的。
在一個示例性實施例中，氧化物塊狀玻璃體10可以是未陶瓷化的微晶玻璃。較佳地，帶有孔洞刻痕圖案的未陶瓷化的微晶玻璃接著被陶瓷化，以發(fā)展成晶體。氧化物塊狀玻璃體10可以是感光性的核形玻璃(也被稱為表格1中的Fotoform，從紐約州的Corning公司中可以獲得)，最佳地感光性核形玻璃形成硅酸鋰微晶相，較佳地，鋁矽酸鋰玻璃(比如，fotoform鋁矽酸鋰)的組成約為79(±1)wt.％SiO2，9.4(±1)wt.％Li2O，1.6(±1)wt.％Na2O，4(±1)wt.％K2O，4(±1)wt.％Al2O3，1(±.5)wt％ZnO，0.4(±.2)wt.％Sb2O3，0.015(±0.005)wt.％CeO2，0.003(±0.003)wt.％SnO2，0.001(±.0005)wt％Au，0.1(±.05)wt.％Ag。
在一個可選的實施例中，在玻璃體38中形成孔洞之后，使未陶瓷化的微晶玻璃陶瓷化。未陶瓷化的微晶玻璃體10可以是鋁矽酸鹽玻璃生坯。在一個實施例中，未陶瓷化的微晶玻璃是鋁矽酸鋰玻璃體。
示例性的未陶瓷化的微晶玻璃可以含TiO2或TiO2和ZrO2。在一個實施例中，微晶玻璃體是鋁矽酸鋰玻璃體，它可以陶瓷化成負的熱膨脹基片，較佳地在溫度范圍-40℃到85℃的范圍中，其CTE介于-20×10-7/℃到-100×10-7/℃之間，更佳地，Li2O∶Al2O3∶SiO2摩爾比介于1∶1∶2到1∶1∶3之間，最佳地包括8-12wt％Li2O、30-45wt％Al2O3、40-60wt％SiO2、3-6wt％TiO2、0-3wt％B2O3、0-4wt％P2O5。在一個實施例中，微晶玻璃型的玻璃體是鋁矽酸鋰玻璃體，它可陶瓷化成微晶玻璃型，并具有小于20×10-7/℃的低平均CTE(0-1000℃)，較佳地包括3-8wt％Li2O、18-33wt％Al2O3、55-75wt％SiO2、3-5wt％TiO2+ZrO2。在一個實施例中，微晶玻璃型的玻璃體是鋁矽酸鋰玻璃體，它可陶瓷化成微晶玻璃型，其線性熱膨脹平均系數為0±0.10×10-6/K(0-50℃)，更佳地，線性熱膨脹平均系數為0±0.05×10-6/K(0-50℃)，最佳地線性熱膨脹平均系數為0±0.02×10-6/K(0-50℃)。較佳地，微晶玻璃型鋁矽酸鋰玻璃體可陶瓷化成微晶玻璃體，其線性熱膨脹的平均系數為0±0.10×10-6/K(0-50℃)，重量百分比組成約為55.5(±1)wt.％SiO2，25.3(±1)wt.％Al2O3，3.7(±1)wt.％Li2O，1(±1)wt.％MgO，1.4(±1)wt.％ZnO，7.9(±1)wt.％P2O5，0.5(±0.5)wt.％Na2O，0.03(±0.03)wt.％Fe2O3，2.3(±1)wt.％TiO2，1.9(±1)wt.％ZrO2，0.5(±0.5)wt.％As2O3。
器件的示例本發(fā)明包括制造光纖器件和其它器件的方法以及由該方法制成的器件。光纖器件的一個示例是光纖固定器。如圖13A-13C所示，本發(fā)明的一個實施例較佳地包括在氧化物塊狀玻璃體10中預定的位置處聚焦刻出多個孔洞刻痕圖案形成光纖收容孔陣列46。如圖13C所示，這種大孔洞陣列46被用來形成光纖透鏡陣列，其精確構成的孔洞46與光纖透鏡陣列的透鏡54排成一行，使得孔洞46可將光纖50的纖芯與透鏡54的光軸對齊。
制造光纖器件的方法可以被用來提供如圖14A-14D所示的器件。這些器件是光纖固定器，用來提供有效的手段來精確地對齊含在透光體10的光纖容納孔46中的多根光纖50。這種光纖固定器器件可用于光纖光子學器件中。
如圖15所示，本發(fā)明可用于制造光纖器件，此處在兩個分開的地方用這種器件來固定光纖。更具體地講，氧化物塊狀玻璃體10最好是未陶瓷化的微晶玻璃，并且玻璃體10可陶瓷化成負的熱膨脹微晶玻璃型。使用圖15所示的實施例時，氧化物塊狀玻璃體10最好陶瓷化成負的熱膨脹微晶玻璃型基片體，使得含光纖布拉格光柵56的光纖50被固定在孔46內，光纖50在張力的作用下被固定。使用這種實施例時，通過微晶玻璃負的熱膨脹調節(jié)光纖的張力，使孔含式光纖的光柵56絕熱從而不受溫度變化影響。由此，制造光纖固定器的方法還包括這樣一步，即將至少一個光纖插入按上述那樣通過透光體10的濕法鉆孔而產生的孔洞之中。
在可選的實施例中，如圖16所示，孔洞刻痕圖案具有非圓形的橫截面形狀，比如三角形、正方形、矩形、菱形、橢圓形橫截面形狀?？锥纯毯蹐D案可以具有不斷增大的中央橫截面。較佳地，所提供的透光體具有第一表面和第二遠端表面以及在所述第一和第二表面之間的厚度中間，其孔洞刻痕具有不斷增大的橫截面，其不斷增大的橫截面從最小的橫截面(例如，緊靠至少一個表面)增大到最大的橫截面(緊靠厚度中間)。圖17B的不斷變化的橫截面輪廓孔洞刻痕42具有緊靠至少一個玻璃體表面101的最小橫截面103和最大橫截面104。如圖17A所示，不斷最大的橫截面輪廓孔洞刻痕42可以通過在連續(xù)平行的平面中刻出圓環(huán)而形成，比如通過在環(huán)形移動的過程中平移平臺和玻璃體刻出第一環(huán)，然后將焦點(平移平臺)移動到玻璃中并通過平移平臺和玻璃體而刻出第二環(huán)，繼續(xù)刻環(huán)，其直徑隨激光焦點不斷深入玻璃體直到厚度中間而不斷增大或收縮。如圖17B所示，不斷增大的孔洞刻痕42可以具有像圖16所示的非圓形橫截面。該方法可用于產生帶有凹陷或杯狀物陣列的容器盤，它們的橫截面大小不斷變化(從頂部到底部)。
激光刻出的孔洞刻痕圖案可以包括緊靠第一表面的光纖漏斗錐形截面，并且最小橫截面緊靠第二遠端表面。較佳地，在這些表面之間，玻璃具有至少0.25mm的塊狀玻璃厚度。較佳地，激光刻出的孔洞刻痕圖案不斷增大的橫截面具有圓形的幾何形狀。不過，不斷增大的橫截面可以具有直側面幾何形狀，比如三角形、矩形、正方形或菱形。
本發(fā)明能夠在玻璃和其它透光材料中鉆出大小預定且空間精度精細的孔。激光刻痕圖案的形狀(暴露的孔洞刻痕圖案)幾乎可以是任何能夠用激光束刻出的形狀，而最終形狀的孔的深度和縱橫比則進一步由特定的應用來確定。本發(fā)明的優(yōu)點在于，它能夠對厚樣本(高達幾個毫米)進行微加工，較佳地是大于亞毫米厚度的厚塊狀玻璃體，較佳地是至少約2mm厚度的玻璃體。本方法可應用于種類很廣的材料，這些材料在輻射激光器的激光波長處是透明的，該激光器產生亞皮秒的激光脈沖持續(xù)時間。如上所述，較佳地，本發(fā)明的激光光源產生足夠的脈沖能量(4微焦左右或更多)以及亞皮秒的激光脈沖持續(xù)時間，最佳地在100飛秒之下。
對于本領域的技術人員而言，很明顯，在不背離本發(fā)明的范圍的情況下可以對本發(fā)明作出各種修改和變化。因此，本發(fā)明旨在覆蓋這些修改和變化，只要它們落在所附的權利要求書及其等價方案的范圍內。
權利要求
1.一種穿透透光體鉆出至少一個孔的方法，所述方法包括提供超短脈沖激光器，用于產生波長為λ的激光輸出，所述激光輸出具有亞皮秒的激光脈沖持續(xù)時間；提供激光輸出聚焦透鏡，用于聚焦所述激光輸出，所述聚焦透鏡的數值孔徑為NA；提供透光體，所述透光體在λ處的透明度至少為90％/cm；提供裝滿液體的容器，緊靠所述透光體的至少一部分而放置，使得所述透光體與所述液體直接接觸；并且引導所述激光輸出通過所述聚焦透鏡以產生經聚焦的激光輸出，其激光脈沖持續(xù)時間是亞皮秒量級且緊靠所述透光體，當所述透光體和所述經聚焦的激光輸出在X-Y-Z方向上彼此相對移動的同時，所述經聚焦的激光輸出穿透所述透明玻璃體刻出至少一個孔洞刻痕圖案；其中，所述至少一個孔洞刻痕圖案與所述液體接觸，并且所述經聚焦的激光輸出與所述液體一起在所述透光體中形成至少一個孔。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述孔洞刻痕圖案的寬度至少為22微米。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述孔洞刻痕圖案的寬度介于75微米與200微米之間。
4.如權利要求1-3所述的方法，其特征在于，所述方法還包括如下步驟提供可控定位平移平臺；將所述透光體放置在所述平臺內；并且相對于所述經聚焦的激光輸出的位置來平移所述透光體。
5.如權利要求1-3所述的方法，其特征在于，所述經聚焦的激光輸出相對于所述透光體的移動速度至少是每秒10微米。
6.如權利要求5所述的方法，其特征在于，所述經聚焦的激光輸出相對于所述透光體的移動速度在每秒50微米到每秒250微米的范圍中。
7.如權利要求1所述的方法，其特征在于，脈沖能量至少是4微焦。
8.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述透光體包括的材料選自玻璃，微晶玻璃，未陶瓷化的微晶玻璃，以及藍寶石。
9.如權利要求1所述的方法，其特征在于，提供透光體的步驟包括提供帶有至少100ppm wt.OH的二氧化硅玻璃。
10.如權利要求1所述的方法，其特征在于，提供透明體的步驟包括提供未陶瓷化的微晶玻璃，所述未陶瓷化的微晶玻璃選自鋁矽酸鹽玻璃生坯，可陶瓷化成負的熱膨脹微晶玻璃體的玻璃，以及感光性核形玻璃。
11.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述液體包括下列中的至少一種(i)水，(ii)表面活性劑，(iii)甲醛，(iv)丙酮。
12.如上述權利要求中的任意一條所述的方法，還包括將光纖插入所述孔中的步驟，由此提供其孔中含有光纖的玻璃體。
13.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述經聚焦的激光輸出與所述液體一起在所述透光體中形成多個孔。
14.如權利要求13所述的方法，其特征在于，所述方法包括將光纖插入所述玻璃體的所述各個孔中的步驟。
15.如上述權利要求中的任意一條所述的方法，其特征在于，提供所述超短脈沖激光器的步驟提供了其激光脈沖持續(xù)時間小于50飛秒的激光輸出。
16.如權利要求1-7或11所述的方法，其特征在于，提供所述超短脈沖激光器的步驟產生了其脈沖大于等于5微焦的激光輸出。
17.如權利要求1-7所述的方法，其特征在于，所提供的透光體是在λ處透明度大于等于95％/cm的氧化物塊狀玻璃體。
18.如權利要求1所述的方法，其特征在于，提供所述超短脈沖激光器的步驟包括提供λ小于1000nm的激光器。
19.如權利要求18所述的方法，其特征在于，所述波長λ在800±100nm的范圍內。
20.一種由權利要求1-7所述的方法制成的光學器件。
全文摘要
一種用于在透光體(10)中鉆出至少一個孔的方法包括如下步驟(i)提供超短脈沖激光器，用于產生具有某一波長的激光輸出，該激光輸出具有亞皮秒的激光脈沖持續(xù)時間；(ii)提供用于聚焦激光輸出的激光輸出聚焦透鏡(34)，該聚焦透鏡(34)的數值孔徑為NA；(iii)提供透光體(10)，該透光體(10)的透明度至少為90％/cm；(iv)在緊靠透明體(10)處提供裝滿液體(39’)的容器(39)，使得透光體(10)與液體(39’)直接接觸；并且(v)引導激光輸出通過聚焦透鏡(34)以產生經聚焦過的激光輸出，該激光輸出具有亞皮秒的激光脈沖持續(xù)時間并與透光體(10)緊靠，其中當透光體(10)與經聚焦過的激光輸出彼此相對地在X－Y－Z方向上移動時，所述經聚焦過的激光輸出穿透透明玻璃體印刻出至少一個孔洞刻痕圖案。該至少一個孔洞刻痕圖案與液體和經聚焦過的激光輸出相接觸，并與液體(39’)一起在透光體(10)中形成至少一個孔洞。
文檔編號B23K26/12GK1845812SQ200480025425
公開日2006年10月11日 申請日期2004年6月22日 優(yōu)先權日2003年7月31日
發(fā)明者J·F·施羅德, A·斯特瑞爾特索弗 申請人:康寧股份有限公司