钛宝石晶体波导型分束器件的制备方法技术

本发明专利技术提供一种钛宝石晶体波导型分束器件的制备方法。选取钛宝石晶体作为基底材料；在所述钛宝石晶体某一晶面的不同位置重复写入踪迹组成分支型包层结构，即得波导分束器。与传统的波导制备方法相比，超快激光微加工技术制备光波导过程简单、快速且无需超净环境；波导稳定性高，光学性能好；写入区的折射率改变及波导模式可通过调控写入参数来进行控制；波导端面的尺寸、分束角度也可以通过调控写入位置以及偏折角度来精确控制，具有极高的可控性与可操作性。步骤简单、操作方便、实用性强。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于集成光子学器件制备
，特别涉及一种掺钛蓝宝石晶体波导型分束器件的制备方法。
技术介绍
钛宝石晶体(掺钛蓝宝石晶体)属六角晶系，具有很好的稳定性，较高的热导率以及很高的硬度，其荧光光谱覆盖600纳米至1100纳米的红光到近红外波段，是迄今为止调谐范围最宽的固体激光介质材料。钛宝石晶体良好的物理与光学性质使其成为优良的宽频带荧光光源和最常用的可调谐激光晶体，是用于高功率、可调谐激光器最重要的增益介质材料之一，在光通信、医疗、军事以及科研等领域具有非常广泛应用。光波导是由低折射率的介质包围起来的高折射率介质区域。由于全反射原理，光波导能够将光波限制在微米、乃至纳米量级的尺寸内，进而对其传输方向进行调控。光波导具有集成度高、稳定性高的优点，是集成光路的基本元件，能够实现同一衬底材料上不同波导结构的集成，或波导与其他光学元件、光学结构的集成，获得功能强大的集成光子芯片、集成光流变芯片等。同时，基于不同功能光学材料的光波导结构可实现微型化的、多功能的有源光波导器件，如激光晶体中的光波导可用作波导激光器，非线性光学晶体中的光波导可用作波导频率转换器等。由于波导内具有较高的光密度，与体材料相比，相应波导器件某些功能能够得到一定程度的加强，如激光泵浦阈值降低，非线性效应增强等。迄今为止，人们已经尝试用多种方法在钛宝石晶体中制备光波导结构：包括离子注入、热扩散以及脉冲激光沉积等传统光波导制备法。例如：P.D.Townsend等人以及L.D.Morpeth等人分别利用离子束注入方法制备了平面光波导[Electron.Lett.26,1193(1990)][Appl.Phys.Lett.76,424(2000)]；A.A.Anderson等人、R.P.Willmott等人以及P.E.Dyer等人利用脉冲激光沉积方法制备了平面光波导[ThinSolidFilms300,68(1997)][Opt.Lett.24,1581(1999)][Appl.Surf.Sci.96-98,849(1996)]；L.M.B.Hickey等人利用Ti3+沉积等方法制备了平面光波导。上述传统方法只能直接制备平面光波导结构，该结构仅在垂直方向上限制光的传输，在水平方向上仍存在散射。如果要利用这些方法制备条形光波导(垂直、水平两个方向限制光传输)，则需要结合其他的微加工技术(光刻技术、离子束刻蚀技术、湿法刻蚀技术等)，如A.Crunteanu等人以及T.Bhutta等人分别利用离子束刻蚀的方法将平面光波导刻蚀为脊形光波导[Appl.Phys.B75,15–17(2002)][IEEEJ.QuantumElectron.QE-37,1469(2001)]；D.Xie等人利用化学腐蚀的方法将平面光波导腐蚀成脊形结构[J.Phys.D:Appl.Phys.31,1647(1998)]。这些条形波导制备过程复杂、波导形貌难以精确控制，还需辅以超净环境。超快激光微加工技术可以有效地克服传统方法的诸多缺点。尽管超快激光微加工技术是一项较为成熟的材料微加工技术，迄今为止仅有少量关于超快激光写入钛宝石晶体光波导的研究：V.Apostolopoulos等人利用飞秒激光写入技术在钛宝石晶体中写入了单线型的二类光波导[Appl.Phys.Lett.85(7),1122-1124(2004)]；C.Grivas等人则在钛宝石晶体中写入了双线型的二类光波导[Opt.Lett.37(22),4630-4632(2012)]。然而，上述光波导只能限制单一偏振的光传输，极大限制了其应用。利用超快激光微加工技术制备包层结构光波导是解决上述问题的有效途径之一。目前尚未有关于利用超快激光在钛宝石晶体中制备波导型分束器件的报道。
技术实现思路
为了克服上述不足，本专利技术提供一种钛宝石晶体波导型分束器件的制备方法。与传统的波导制备方法相比，超快激光微加工技术制备光波导过程简单、快速且无需超净环境；波导稳定性高，光学性能好；写入区的折射率改变及波导模式可通过调控写入参数来进行控制；波导端面的尺寸、分束角度也可以通过调控写入位置以及偏折角度来精确控制，具有极高的可控性与可操作性。现有的飞秒激光写入制备激光分束器的方法通常用于具有无定形结构的玻璃材料中，在制备过程中写入踪迹处折射率升高形成波导区。然而，在晶体材料中制备这种结构较为困难，这是由于晶体本身具有完善的晶格结构，在激光写入时不可避免地会引起晶格破坏，导致折射率降低。为了克服上述问题，本专利技术通过在钛宝石晶体某一晶面的不同位置重复写入踪迹组成分支型包层结构，使钛宝石晶体纤芯获得较包层更高的折射率，实现了Y型分支光通道的构建，研究结果表明：采用本专利技术制备的钛宝石晶体波导型分束器件具有极高的可控性与可操作性。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种钛宝石晶体波导型分束器件的制备方法，包括：选取钛宝石晶体作为基底材料；在所述钛宝石晶体某一晶面的不同位置重复写入踪迹组成分支型包层结构，即得波导分束器。优选的，所述钛宝石晶体中Ti2O3的浓度为0.15wt.％，晶体切割尺寸为10(a)×2(b)×5(c)立方毫米。优选的，所述写入方法为飞秒激光写入法。优选的，所述写入的具体步骤为：将飞秒激光透过晶体任一10×5平方毫米表面聚焦于晶体内部，在晶体表面以下沿a轴进行烧灼(即激光写入)，特定长度后将写入踪迹进行一定角度的偏折，在不同位置重复写入，写入踪迹组成分支型包层结构，形成波导分束器。优选的，所述飞秒激光的波长为795纳米、脉冲重复频率为1千赫兹、脉冲宽度为120飞秒、写入速度为400～600微米/秒，样品表面处的激光脉冲能量为1.2微焦。优选的，所述波导分束器上相邻两条写入踪迹间的距离为2～5微米，分束器中心位于晶体表面下200～500微米处。本专利技术还提供了任一上述的方法制备的波导分束器。本专利技术还提供了一种分束型波导荧光器件，包括：任一上述的波导分束器，所述波导分束器的入射端设置有激光谐振腔。本专利技术还提供了一种分束型波导激光器件，包括：任一上述的波导分束器，所述波导分束器的两个端面分别设置有激光谐振腔。本专利技术还提供了上述的波导分束器、分束型波导荧光器件、分束型波导激光器件在光通信、医疗、军事领域的应用。本专利技术的有益效果(1)与传统的波导制备方法相比，超快激光微加工技术制备光波导过程简单、快速且无需超净环境；波导稳定性高，光学性能好；写入区的折射率改变及波导模式可通过调控写入参数来进行控制；波导端面的尺寸、分束角度也可以通过调控写入位置以及偏折角度来精确控制，具有极高的可控性与可操作性。(2)本专利技术制备方法简单、实用性强，易于推广。附图说明图1为本专利技术制备钛宝石晶体波导型分束器件的工艺流程图；图2为超快激光写入钛宝石晶体波导型分束器件的制作工艺示意(晶体bc面，入射端)；图3为超快激光写入钛宝石晶体波导型分束器件的制作工艺示意(晶体bc面，出射端)；图4为超快激光写入钛宝石晶体波导型分束器件的制作工艺示意(晶体ac面)；图5为钛宝石晶体波导型分束器件的分束功能实现过程示意图(晶体ac面)；图6为钛宝石晶体波导型分束器件的荧光产生过程示意图(晶体ac面)；图7为钛宝石晶体波导型分束器件的激光产生过程示意图(晶体ac面)。其本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钛宝石晶体波导型分束器件的制备方法，其特征在于，包括：选取钛宝石晶体作为基底材料；在所述钛宝石晶体某一晶面的不同位置重复写入踪迹组成分支型包层结构，即得波导分束器。

【技术特征摘要】
1.一种钛宝石晶体波导型分束器件的制备方法，其特征在于，包括：选取钛宝石晶体作为基底材料；在所述钛宝石晶体某一晶面的不同位置重复写入踪迹组成分支型包层结构，即得波导分束器。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述钛宝石晶体中Ti2O3的浓度为0.15wt.％，晶体切割尺寸为10(a)×2(b)×5(c)立方毫米。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述写入方法为飞秒激光写入法。4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述写入的具体步骤为：将飞秒激光透过晶体任一10×5平方毫米表面聚焦于晶体内部，在晶体表面以下沿a轴进行烧灼(即激光写入)，特定长度后将写入踪迹进行一定角度的偏折，在不同位置重复写入，写入踪迹组成分支型包层结构，形成波导分束器。5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述飞秒...

【专利技术属性】
技术研发人员：任莹莹，陈峰，邢宏光，汤晟杰，封云飞，
申请(专利权)人：山东师范大学，山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37