本發(fā)明涉及微納光學(xué)領(lǐng)域，特別是一種縮小基于飛秒激光直寫透明材料光波導(dǎo)出射模場直徑的裝置和方法，對集成光學(xué)中，將尺寸較小的硅基波導(dǎo)模場轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的模場有著重要的意義。

背景技術(shù)：

飛秒激光直寫光波導(dǎo)技術(shù)是一種簡單的光波導(dǎo)制備工藝，由于飛秒脈沖作用時間短、熱效應(yīng)小，可以獲得其它加工手段無法比擬的加工精度。其具體原理為：對飛秒激光進(jìn)行合適的空間整型，使形成的焦斑在截面上為圓形(參見文獻(xiàn)Y.Cheng,K.Sugioka,K.Midorikawa,M.Masuda,K.Toyoda,M.Kawachi,and K.Shihoyama,Opt.Lett.Vol.28,1,2003)。將整型后的飛秒激光聚焦于透明材料內(nèi)部，透明材料位于飛秒激光焦斑附近的部分會引起折射率提高。利用飛秒激光的這個特性可以在聚合物、玻璃、晶體等透明材料的內(nèi)部直寫光學(xué)波導(dǎo)(參見文獻(xiàn)F.Chen and J.R.Vazquez de Aldana,Laser Photonics Rev.Vol.8,2,2014)。

傳統(tǒng)的變換光學(xué)技術(shù)可以比較容易的放大光波導(dǎo)模場，但是在縮小光波導(dǎo)模場時有一定的極限，而且由于模場不匹配引起的損耗也很大。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在提供一種縮短基于飛秒激光直寫透明材料光波導(dǎo)出射模場直徑的裝置和方法，具有操作簡單、有效、耦合損耗低的特點。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：

一種縮短基于飛秒激光直寫透明材料光波導(dǎo)出射模場直徑的裝置，包括飛秒激光器、衰減片、光閘、空間光調(diào)制器、第一反射鏡、第一凸透鏡、狹縫、第二反射鏡、第二凸透鏡、分色鏡、顯微物鏡、透明材料、三維平移臺、電腦、冷光源、第三反射鏡和CCD，沿所述飛秒激光器發(fā)出的激光脈沖方向依次放置所述的衰減片、光閘和空間光調(diào)制器，經(jīng)空間光調(diào)制器反射的激光脈沖依次經(jīng)所述的第一反射鏡、第一凸透鏡、第二反射鏡、第二凸透鏡和分色鏡，經(jīng)所述分色鏡反射后經(jīng)顯微物鏡聚焦于固定在三維平移臺上的透明材料的內(nèi)部，三維平移臺與電腦相連，所述狹縫放置在所述第一凸透鏡的焦平面處，即空間光調(diào)制器反射光斑的傅里葉成像面上，所述冷光源發(fā)出的光經(jīng)第三反射鏡照射到透明材料內(nèi)部，經(jīng)透明材料透射后經(jīng)所述的顯微物鏡聚焦后，入射到所述的分色鏡，經(jīng)該分色鏡透射后，由CCD接收，該CCD的輸出端與電腦相連。

利用上述裝置縮小基于飛秒激光直寫透明材料光波導(dǎo)出射模場直徑的方法，該方法包含下列步驟：

①以激光傳輸方向為z軸，透明材料的寬邊和長邊分別為x軸和y軸，設(shè)計第一相位調(diào)制掩膜，并寫入空間光調(diào)制器，使得飛秒激光在焦斑區(qū)域的xz平面內(nèi)為圓形分布；

②將透明材料固定在三維平移臺之上，并調(diào)整三維平移臺，使飛秒激光脈沖聚焦于透明材料內(nèi)部；

③經(jīng)過整形、濾波的飛秒激光脈沖通過顯微物鏡聚焦于透明材料內(nèi)，調(diào)節(jié)衰減片，使在激光焦斑區(qū)域形成一個在xz平面內(nèi)直徑為D的圓形區(qū)域,該圓形區(qū)域的折射率比透明材料的原折射率高，以此圓形區(qū)域為起始位置，通過電腦驅(qū)動三維平移臺沿y方向平動距離L，在透明材料內(nèi)部形成一個長為L、截面直徑為D折射率提高的波導(dǎo)區(qū)域，該波導(dǎo)區(qū)域的折射率大于透明材料的原折射率，作為波導(dǎo)的導(dǎo)波區(qū)域；

④翻轉(zhuǎn)透明材料使得波導(dǎo)端面垂直于飛秒激光的傳輸方向，并將其固定在三維平移臺之上；

⑤設(shè)計第二相位調(diào)制掩膜，并寫入空間光調(diào)制器，調(diào)節(jié)衰減片，使得飛秒激光在焦斑區(qū)域的xy平面內(nèi)為環(huán)形光束，且焦斑處的脈沖強(qiáng)度能夠破壞透明材料；

⑥調(diào)整三維平移臺，使飛秒激光脈沖聚焦于透明材料內(nèi)部，焦點距離上表面距離為L'，通過電腦驅(qū)動三維平移臺沿z方向向上平移距離L'；

⑦將加工后的透明材料泡浸置在一定濃度的氫氧化鉀溶液中進(jìn)行腐蝕，調(diào)節(jié)溶液濃度和腐蝕時間使得腐蝕后在上表面處形成底面直徑為D高為L'的圓錐，該圓錐底面與波導(dǎo)出射端重合。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)效果是：

將整形、濾波后的飛秒激光脈沖通過顯微物聚焦于透明材料內(nèi)，通過移動三維平臺帶動透明材料移動，分別誘導(dǎo)出一定形狀的波導(dǎo)區(qū)域(以圓柱形波導(dǎo)為例)以及以此圓柱波導(dǎo)輸出端截面為底的錐形波導(dǎo)。該方法在普通飛秒激光直寫光波導(dǎo)的基礎(chǔ)上，可以在低耦合損耗的前提下調(diào)節(jié)出射模場的大小，從而實現(xiàn)縮短基于飛秒激光直寫透明材料光波導(dǎo)出射模場直徑的目的，實驗中獲得直徑為2μm的出射模場。

附圖說明

圖1為縮短基于飛秒激光直寫透明材料光波導(dǎo)出射模場直徑的裝置光路圖；

其中：1為飛秒激光器，2為衰減片，3為光閘，4為空間光調(diào)制器，5為第一反射鏡，6為第一凸透鏡，7為狹縫,8為第二反射鏡、9為第二凸透鏡、10為分色鏡、11為顯微物鏡、12為透明材料、13為三維平移臺、14為電腦、15為冷光源、16為第三反射鏡和17為CCD。

圖2為加工過程中的示意圖；其中:a為飛秒激光脈沖經(jīng)過整型后在透明材料xz平面內(nèi)形成折射率高于原透明材料的圓形區(qū)域；b為沿y方向平動三維平臺距離L，在透明材料內(nèi)部形成一個長為L，截面直徑為D折射率提高的波導(dǎo)區(qū)域；c為反轉(zhuǎn)透明材料使波導(dǎo)出射端由xz平面變?yōu)閤y平面，并聚焦環(huán)形光束在反轉(zhuǎn)后的波導(dǎo)出射端面下L'處；d為透明材料經(jīng)過激光加工、化學(xué)腐蝕后行成的波導(dǎo)及出射端錐形區(qū)域的示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合實例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

先請參閱下圖1，圖1為縮短基于飛秒激光直寫透明材料光波導(dǎo)出射模場直徑的裝置光路圖，如圖所示，沿所述飛秒激光器1發(fā)出的激光脈沖方向依次放置所述的衰減片2、光閘3和空間光調(diào)制器4，經(jīng)空間光調(diào)制器4反射的激光脈沖依次經(jīng)所述的第一反射鏡5、第一凸透鏡6、第二反射鏡8、第二凸透鏡9和分色鏡10，經(jīng)所述分色鏡10反射后經(jīng)顯微物鏡11聚焦于固定在三維平移臺13上的透明材料12的內(nèi)部，三維平移臺13與電腦14相連，所述狹縫7放置在所述第一凸透鏡6的焦平面處，即空間光調(diào)制器4反射光斑的傅里葉成像面上，所述冷光源15發(fā)出的光經(jīng)第三反射鏡16照射到透明材料12內(nèi)部，經(jīng)透明材料12透射后經(jīng)所述的顯微物鏡11聚焦后，入射到所述的分色鏡10，經(jīng)該分色鏡10透射后，由CCD17接收，該CCD17的輸出端與電腦14相連。

利用上述裝置縮短基于飛秒激光直寫透明材料光波導(dǎo)出射模場直徑的方法，包含下列步驟：

①設(shè)計第一相位調(diào)制掩膜，并寫入空間光調(diào)制器4；

②將透明材料12固定在三維平移臺13之上，并調(diào)整三維平移臺13，使飛秒激光脈沖聚焦于透明材料12內(nèi)部；

③激光傳輸方向為z軸，透明材料(12)的寬邊和長邊分別為x軸和y軸，經(jīng)過整形、濾波的飛秒激光脈沖通過顯微物鏡11聚焦于透明材料12內(nèi)，調(diào)節(jié)衰減片2，誘導(dǎo)在激光焦斑區(qū)域形成一個在xz平面內(nèi)直徑為D的折射率提高的區(qū)域，如圖2(a)所示，以此為起始位置，通過電腦驅(qū)動三維平移臺13沿y方向平動距離L，在透明材料12內(nèi)部形成一個長為L，截面直徑為D折射率提高的波導(dǎo)區(qū)域，如圖2(b)所示，該波導(dǎo)區(qū)域的折射率大于透明材料的折射率，作為波導(dǎo)的導(dǎo)波區(qū)域；

④翻轉(zhuǎn)透明材料12使得xz平面內(nèi)直徑為D的平面區(qū)域處于xy平面內(nèi)，如圖2(c)所示；

⑤設(shè)計第二相位調(diào)制掩膜，并寫入空間光調(diào)制器4，調(diào)節(jié)衰減片2，使得飛秒激光在焦斑區(qū)域縱向xy平面內(nèi)為環(huán)形光束，且焦斑處的脈沖強(qiáng)度可以破壞透明材料；

⑥將透明材料12固定在三維平移臺13之上，并調(diào)整三維平移臺13，使飛秒激光脈沖聚焦于透明材料12內(nèi)部，焦點距離上表面距離為L'，通過電腦14驅(qū)動三維平移臺13沿z方向平移距離L'；

⑦將樣品浸泡在一定濃度的氫氧化鉀溶液中進(jìn)行腐蝕，調(diào)節(jié)溶液濃度和腐蝕時間使得腐蝕后在上表面處形成底面直徑為D,高為L'的圓錐，該圓錐底面與波導(dǎo)出射端重合，如圖2(d)所示。