玻璃材料中基于趋肤光波导的可饱和吸收器件及其方法技术

本发明专利技术公开了一种玻璃材料中基于趋肤光波导的可饱和吸收器件及其方法。通过飞秒激光在玻璃材料内直写光波导，所述光波导中部的一段向玻璃的一侧表面弯曲靠近布置形成趋肤波导，在趋肤波导所靠近玻璃的一侧表面上设有可饱和吸收材料，通过趋肤波导所泄露光信号的倏逝场与可饱和吸收材料相互作用构成可饱和吸收器。本发明专利技术制作的可饱和吸收器件具有插入损耗低，占用空间小的特点，能够将多条不同深度或长度的趋肤波导集成在一块玻璃中，实现对可饱和吸收特性的调控，性能优异。性能优异。性能优异。

【技术实现步骤摘要】
玻璃材料中基于趋肤光波导的可饱和吸收器件及其方法


[0001]本专利技术涉及激光加工领域的一种飞秒激光加工方法，特别是涉及了一种玻璃材料中基于趋肤光波导的片上集成的可饱和吸收器件及其方法。

技术介绍

[0002]在具有超短脉冲输出的激光器系统当中，可饱和吸收体是实现调Q和锁模的核心器件，也是影响激光器性能的核心指标。具体而言，选择高性能的可饱和吸收体，并将其高效地耦合到激光光路系统当中，可以有效地提升激光器的损伤阈值、脉宽和重复频率调制深度等性能。传统上，相比于将可饱和吸收体直接插入的耦合方式，利用波导的倏逝场与物质互作用的耦合方式具有许多优势。因为倏逝场具有比中心光场更弱的光强，可以克服因高功率密度引起的热损伤，并且可以通过改变相互作用距离调控可饱和吸收效果。在以往的方案中，基于切削形成的D型光纤或者熔融形成的拉锥光纤可以达到倏逝场耦合的目的，但破坏了光纤原本的机械结构，使得这类微纳光纤变得更加脆弱，通常需要额外的结构支撑保护微纳光纤，在制备和使用时既增添了复杂的步骤，又占据了额外的空间，阻碍了设备小型化的可能。
[0003]针对上述问题，飞秒激光直写技术提供了一种高效、制备工艺简单、且能实现三维波导结构的加工方法。
[0004]传统上，飞秒激光直写光波导是利用脉冲激光在聚焦区域的非线性吸收引起的局部改性，产生正的折射率变化，形成波导。
[0005]然而，当激光脉冲能量过高，并且聚焦区域在表面时，会因为吸收导致的热效应烧蚀玻璃表面，破坏波导结构的均匀性，增加额外的传输损耗。
专利技术内容
[0006]针对现有技术的不足，本专利技术结合飞秒激光加工精度高、灵活性强，便于多条集成的特点，提出了一种玻璃材料中片上集成的可饱和吸收器件及其飞秒激光在玻璃中直写制备基于趋肤光波导的可饱和吸收器件的方式和应用方法。
[0007]本专利技术的目的在于提供一种新型可控光子光路集成器件(包括可饱和吸收器件)的制备，能控制飞秒激光辐照玻璃后材料中残余应力场分布，实现低应力场甚至是无应力场影响的局部致密化效果，达到波导折射率均匀分布的目的。利用这种方法加工出来的趋肤波导具有插入损耗低，不损伤表面的特点，集成可饱和吸收体之后可以得到较高的可饱和调制深度。
[0008]本专利技术所采用的技术方案是：
[0009]一、一种玻璃材料中基于趋肤光波导的可饱和吸收器件：
[0010]在玻璃材料内设有波导，所述波导中部的一段向玻璃的一侧表面弯曲靠近布置形成趋肤波导，在趋肤波导所靠近玻璃的一侧表面上设有可饱和吸收材料，通过趋肤波导泄露光信号的倏逝场与可饱和吸收材料相互作用构成可饱和吸收器。
[0011]所述的趋肤波导是由飞秒激光在玻璃材料中多次直写制备而成。
[0012]所述的趋肤光波导是由多条轨迹沿直线/曲线紧密平行布置在一起构成，每条轨迹都是由飞秒激光在玻璃材料中直写制备而成，多次直写轨迹组成一条光波导。
[0013]通过调整光波导中各个轨迹的路径、数量、排布形成低损耗波导，单根轨迹的截面尺寸为亚微米或微米量级。单根轨迹不能导光，再经过激光多次扫描堆叠排布，具体可直写形成与单模光纤模式匹配的截面直径10μm的圆柱形光波导。
[0014]具体实施中，将聚焦飞秒激光的镜头固定于三维平台，在飞秒激光在玻璃材料中直写时，控制三维平台带动飞秒激光的聚焦点移动，控制在玻璃材料中控制单根轨迹的排布和趋肤深度，进而直写出趋肤波导。
[0015]所述的光波导贯穿于玻璃材料的两端，两端延伸到玻璃材料的两端面并用于和外部裸露的单模光纤互联。
[0016]所述的趋肤波导中，位于玻璃两端的波导埋在玻璃内部作为深埋的波导，波导的中间段趋近玻璃表面形成趋肤波导，还有两段反向弯曲的波导连接于趋肤波导和深埋的波导之间。趋肤波导所在的波导一段为趋肤段，深埋的波导所在的波导一段为深埋段。
[0017]所述的玻璃材料，包括所有透明玻璃材料，例如：石英玻璃、硼硅酸盐玻璃、多孔玻璃、磷酸盐玻璃、碲酸盐玻璃、锗酸盐玻璃、铋酸盐玻璃、氟硅酸盐玻璃、氟锗酸盐玻璃、氟化物玻璃等。
[0018]所述玻璃在中间靠近趋肤波导的表面上集成上可饱和吸收材料，所述的可饱和吸收材料包括所有具有三阶非线性光学可饱和吸收特性的材料，包括碳纳米管材料、纳米等离子体、二维材料、石墨烯，氧化铟锡等，但不限于上述所有具有光学非线性可饱和吸收特性的材料。
[0019]所述的可饱和吸收材料采用聚乙烯醇/碳纳米管复合薄膜。
[0020]具体实施在一块玻璃上集成不同深度、不同长度的趋肤波导，提供不同调制深度的可饱和吸收参数。
[0021]方法所述轨迹的路径是通过控制三维平台的运动来实现，这样能获得趋肤长度或深度可调的趋肤光波导。
[0022]具体实施中，使用轨迹的加工参数，规划各条轨迹的写入路线，并编写程序控制三维精密位移平台，可实现各种功能的光子波导器件。
[0023]所述的飞秒激光加工参数采用不同输出波长(如：355、515、800、1030nm等)、不同脉宽(40fs
–
10ps)、不同重复频率(1kHz
–
10MHZ)、不同功率和不同偏振输出的飞秒激光器，采用不同数值孔径的聚焦物镜(0.4<NA<1.5)，采用不同扫描速度(0.1
‑
50mm/s)和多次直写不同的间隔(0.5
‑
1.5μm)。
[0024]光信号从波导的一端输入，经过趋肤波导处产生的倏逝场泄露到玻璃外，进而和玻璃一侧表面上的可饱和吸收材料相互作用而产生可饱和吸收作用，波导的另一端输出具有可饱和吸收特性的光信号，由此构建获得片上集成的可饱和吸收器件。
[0025]通过制备趋肤波导的深度或长度的不同，进而调整所述可饱和吸收器件的可饱和吸收曲线，进而调整可饱和吸收器件的可饱和吸收特性参数。
[0026]本专利技术的制备过程为：通过改变飞秒激光的功率，脉宽，波长，重复频率，激光光束在样品中的扫描速度、聚焦深度以及聚焦物镜的放大倍数、数值孔径，规划各条亚微米或微
米量级轨迹的写入路径实现具有低插入损耗的弯曲的趋肤光波导。再在玻璃表面集成一层可饱和吸收体薄膜，使用裸露的单模光纤在波导两端耦合，构成一个可饱和吸收器件，进而制备出调Q/锁模激光器。
[0027]二、可饱和吸收方法：
[0028]光信号从波导的一端输入，经过趋肤波导处产生的倏逝场泄露到玻璃外，进而和玻璃一侧表面上的可饱和吸收材料相互作用而使得波导的另一端输出的光信号具有可饱和吸收特性，实现可饱和吸收器件的工作。
[0029]本专利技术可用于各种集成的可控光子光路器件，包括调Q和锁模脉冲激光器等。
[0030]本专利技术是利用飞秒激光在玻璃中通过多次扫描直写出由多条亚微米或微米量级轨迹构成的弯曲波导，使波导其中一段接近玻璃的表面，即为趋肤波导；在趋肤波导集成上可饱和吸收体，使透过波导的光具有可饱和吸收特性，通过调控趋肤波导深度或长度的不同本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种玻璃材料中基于趋肤光波导的可饱和吸收器件，其特征在于：在玻璃材料内设有波导，所述波导中部的一段向玻璃的一侧表面弯曲靠近布置形成趋肤波导，在趋肤波导所靠近玻璃的一侧表面上设有可饱和吸收材料，通过趋肤波导泄露光信号的倏逝场与可饱和吸收材料相互作用构成可饱和吸收器。2.根据权利要求1所述的一种玻璃材料中基于趋肤光波导的可饱和吸收器件，其特征在于：所述的趋肤波导是由飞秒激光在玻璃材料中多次直写制备而成。3.根据权利要求1所述的一种玻璃材料中基于趋肤光波导的可饱和吸收器件，其特征在于：所述的趋肤光波导是由多条轨迹平行布置在一起构成，每条轨迹都是由飞秒激光在玻璃材料中直写制备而成。4.根据权利要求1所述的一种玻璃材料中基于趋肤光波导的可饱和吸收器件，其特征在于：所述的光波导贯穿于玻璃材料的两端，两端延伸到玻璃材料的两端面并用于和外部裸露的单模光纤互联。5.根据权利要求1所述的一种玻璃材料中基于趋肤光波导的可饱和吸收器件，其特征在于：所述玻璃在中间靠近趋肤波导的表面上集成上可饱和吸收材料，所述的可饱和吸收材料包括所有具有三阶非线性光学可饱和吸收特性的材料。6.根据权利要求1所述的一种玻璃材料中基于趋...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨弈，陈智，钟理京，王宇莹，陈道远，许贝贝，马志军，刘小峰，邱建荣，
申请(专利权)人：之江实验室，
类型：发明
国别省市：