兆赫茲飛秒激光脈沖制備“珍珠串”光波導

陳正平，郭凱敏，張天浩

（1.包頭師范學院物理科學與技術學院，內蒙古包頭014030；2.南開大學物理科學學院，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

陳正平1，郭凱敏1，張天浩2

（1.包頭師范學院物理科學與技術學院，內蒙古包頭014030；2.南開大學物理科學學院，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部制備“珍珠串”光波導進行了研究。在制備過程中向外輻射出白光連續光譜，實驗結果表明飛秒激光脈沖能量和運行速度對“珍珠串”光波導的形成有較大影響，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”光波導結構較好，“珍珠串”的橫向寬度為19μm，“珍珠串”的間隔周期為20μm。制備的“珍珠串”光波導能對玻璃內傳輸的He－Ne激光進行有效約束。最后對玻璃內部制備“珍珠串”光波導的機制進行了分析。

飛秒激光燒蝕；白光連續光譜；珍珠串光波導

1 引 言

飛秒激光燒蝕材料就是使激光能量在飛秒時間內注入，導致材料照射區域溫度迅速升高，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，熱效應小（幾乎可以忽略），實現“冷”燒蝕。近紅外區的飛秒激光又能避免紫外激光對大多數材料不透明的缺點，它可以深入透明材料內部在介觀尺度上實現真正意義上的三維立體微加工。

當飛秒激光聚焦到材料內部時會形成微爆炸，導致材料的晶格結構發生改變，進而導致折射系數等特性改變。在透明材料內部制備微結構通常都是用高重復頻率的飛秒激光系統比如千赫茲的飛秒放大系統或者是1～100 MHz的飛秒激光振蕩系統進行，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］，能夠使作用區域平滑。飛秒激光在透明材料內部可以實現微米或者納米等微結構，掃描激光位置，在塊狀玻璃、LiNbO3內部制作光波導、光子晶體等，實現集成光學、光通訊、高密度光存儲以及量子光學領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在光學玻璃內部制備出“珍珠串”光波導，分析不同脈沖能量、運動速度對“珍珠串”光波導影響，對制備光波導過程中出現的白光連續光譜進行物理解釋。

2 實驗系統

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，中心波長800 nm，脈沖寬度90 fs，重復頻率76 MHz。實驗材料為K9光學玻璃，固定在日本西格瑪光機株式會社生產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飛秒激光振蕩系統輸出的激光脈沖重復頻率為76 MHz，可看成準連續激光，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整系統改變飛秒激光聚焦到塊狀光學玻璃的能量，脈沖能量用激光功率計（美國Coherent生產）測量分束鏡分出的激光功率進行標定聚焦到玻璃內部的脈沖能量大小，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”光波導制備

在實驗中研究了波導形狀與脈沖能量的關系，發現大約10 nJ的飛秒激光脈沖能量可以制備出平滑直線結構的光波導。激光脈沖能量大于10.5 nJ直寫光波導過程中產生了白光連續光譜如圖2所示。產生的白光連續光譜用美國海洋公司生產的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還有延伸。對于白光連續光譜的產生，主要是由于飛秒激光脈沖輻照玻璃過程中出現了四波混頻和自相位調制效應［9－10］。

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

在實驗過程中飛秒激光在玻璃內部直寫的“珍珠串”光波導結構表現出高的折射率改變和良好的傳導性質。在脈沖能量高于21.1 nJ時“珍珠串”光波導結構開始變得不規則，由于散射，光通過這種高脈沖能量刻寫的珍珠結構傳導很弱。當高于能量閾值時，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”結構的周期性如圖3所示。

圖3 光波導結構對He－Ne激光的衍射圖Fig.3 The diffraction pattern of“pearl chain”waveguide for He-Ne laser beam

在激光參數和聚焦參數保持不變的情況下，白光連續光譜的強度隨樣品掃描速度的增加而增強，當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，結構中“珍珠”間的距離很大，產生的白光輻射強度比較大。在這一結構上方的第二次掃描后，白光強度變弱，新的“珍珠”出現在原來“珍珠”間的空隙中。在幾次掃描過后，我們發現了堅固的珍珠結構，伴隨著很弱的白光產生。這是由于之前被改變折射率的區域或當類空區域形成時對聚焦光束造成了微小擾動，白光的產生只發生在材料改變的過程中，在材料被改變后，就不會再產生白光連續輻射。

用金相顯微鏡觀察飛秒激光刻寫出的波導的形態結構，可以看到，用飛秒激光在玻璃中直寫出的波導是均勻的“珍珠串”結構。當激光脈沖能量10.5 nJ，運行速度為0.2 mm／s，飛秒激光脈沖在玻璃內部掃描3次時，在金相顯微鏡下觀察到的結構如圖4所示。經過測量，“珍珠串”的橫向寬度為19μm，“珍珠串”的間隔周期為20μm。

圖4 “珍珠串”光波導結構Fig.4 the structure of“pearl chain”waveguide

當運行速度、掃描次數、功率等參數發生改變時，“珍珠串”的橫向寬度和間隔周期也會隨之發生改變，這是由于當激光重復頻率比較高，相鄰脈沖間隔時間短，則飛秒激光脈沖輻照玻璃內部存在熱積累效應，聚焦區域的玻璃材料積累的激光能量成為一個點熱源向周圍發生熱擴散過程，產生一熱影響區域。玻璃掃描速度越慢，則較多的脈沖聚焦輻照到靶材內，熱積累效應越明顯，熱影響區域面積變大。

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部掃描2次時，在金相顯微鏡下觀察到的結構如圖5所示。

圖5 He－Ne激光在“珍珠串”光波導中傳播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及掃描速度參數條件下，直寫得到的光波導結構上存在差別，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”光波導結構較好。“珍珠串”結構是在激光焦點周圍熱量積累產生的非均勻凝固形成的，在激光輻照時間范圍內，飛秒激光脈沖所沉積的熱量擴散到焦點周圍的材料區域，造成熔化區域比焦點體積大。當激光脈沖很多時，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。入射激光脈沖的數量越多，玻璃熔化區域的半徑越大。由于溫度的梯度，當脈沖列離開時，材料冷卻導致非均勻凝固，導致在焦點區域之外存在一熱影響區域。

4 “珍珠串”波導的導光特征

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

當用He-Ne激光沿波導的路徑照射時，我們可以觀察到光只在波導內部傳播，而玻璃的其他區域則沒有光線傳播（圖5），這恰恰證實了波導的傳輸理論。同時也可以明顯地看到光波導的珍珠串結構，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的加工效果產生了一定的影響。

5 結 論

本文利用飛秒激光燒蝕技術在塊狀光學玻璃體內直寫“珍珠串”光波導并對白光連續光譜產生的原因進行分析。通過實驗條件優化，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”光波導結構較好，“珍珠串”的橫向寬度為19μm，“珍珠串”的間隔周期為20μm。“珍珠串”結構是在激光焦點周圍熱量積累產生的非均勻凝固形成的，在激光輻照時間范圍內，飛秒激光脈沖所沉積的熱量擴散到焦點周圍的材料區域，造成熔化區域比焦點體積大。利用光學衍射方法可知制備出的“珍珠串”結構較均勻，并且能對玻璃內傳輸的He-Ne激光進行有效約束，在光波導內進行傳輸。

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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

內蒙古自治區高等學校科學研究項目（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的研究。E-mail：chen631104＠163.com

2013-06-18