兆赫兹飞秒激光脉冲制备“珍珠串”光波导

陈正平，郭凯敏，张天浩

（1.包头师范学院物理科学与技术学院，内蒙古包头014030；2.南开大学物理科学学院，教育部弱光非线性重点实验室，天津300071）

兆赫兹飞秒激光脉冲制备“珍珠串”光波导

陈正平1，郭凯敏1，张天浩2

（1.包头师范学院物理科学与技术学院，内蒙古包头014030；2.南开大学物理科学学院，教育部弱光非线性重点实验室，天津300071）

对纳焦量级的高重频飞秒激光在玻璃内部制备“珍珠串”光波导进行了研究。在制备过程中向外辐射出白光连续光谱，实验结果表明飞秒激光脉冲能量和运行速度对“珍珠串”光波导的形成有较大影响，在激光脉冲能量10.5 nJ，玻璃运行速度为0.2 mm／s情况下制备的“珍珠串”光波导结构较好，“珍珠串”的横向宽度为19μm，“珍珠串”的间隔周期为20μm。制备的“珍珠串”光波导能对玻璃内传输的He－Ne激光进行有效约束。最后对玻璃内部制备“珍珠串”光波导的机制进行了分析。

飞秒激光烧蚀；白光连续光谱；珍珠串光波导

1 引 言

飞秒激光烧蚀材料就是使激光能量在飞秒时间内注入，导致材料照射区域温度迅速升高，由于飞秒激光脉冲短，辐照到金属材料表面的能量来不及扩散而使很薄的一层材料快速达到气化温度并从材料表面喷出，热效应小（几乎可以忽略），实现“冷”烧蚀。近红外区的飞秒激光又能避免紫外激光对大多数材料不透明的缺点，它可以深入透明材料内部在介观尺度上实现真正意义上的三维立体微加工。

当飞秒激光聚焦到材料内部时会形成微爆炸，导致材料的晶格结构发生改变，进而导致折射系数等特性改变。在透明材料内部制备微结构通常都是用高重复频率的飞秒激光系统比如千赫兹的飞秒放大系统或者是1～100 MHz的飞秒激光振荡系统进行，高重频飞秒激光脉冲辐照靶材利用飞秒激光辐照靶材的残余热能（Residual thermal energy）［1－3］，能够使作用区域平滑。飞秒激光在透明材料内部可以实现微米或者纳米等微结构，扫描激光位置，在块状玻璃、LiNbO3内部制作光波导、光子晶体等，实现集成光学、光通讯、高密度光存储以及量子光学领域用微型化的全光器件［4－8］。本文利用实验室的飞秒激光系统在光学玻璃内部制备出“珍珠串”光波导，分析不同脉冲能量、运动速度对“珍珠串”光波导影响，对制备光波导过程中出现的白光连续光谱进行物理解释。

2 实验系统

实验使用的激光器为美国Coherent公司飞秒激光器，Verdi－10泵浦Mira900F Ti：Sapphire飞秒激光振荡系统，中心波长800 nm，脉冲宽度90 fs，重复频率76 MHz。实验材料为K9光学玻璃，固定在日本西格玛光机株式会社生产的三维电动平移台上，型号：SGSP20－85（X）35（Y）35（Z），直线精度3μm，由计算机连接三维平移台的控制器SHOT－204MS控制光学玻璃的运行速度，实验装置如图1所示。

图1 飞秒激光制备“珍珠串”光波导实验装置图Fig.1 Experimental setup for preparation of“pearl chain”waveguide by fs laser pulse

由于Mira900F Ti：S飞秒激光振荡系统输出的激光脉冲重复频率为76 MHz，可看成准连续激光，用功率计测量激光输出功率，则脉冲能量为：

通过二分之一波片与格兰棱镜组合的脉冲能量调整系统改变飞秒激光聚焦到块状光学玻璃的能量，脉冲能量用激光功率计（美国Coherent生产）测量分束镜分出的激光功率进行标定聚焦到玻璃内部的脉冲能量大小，显微物镜（美国Therlab公司）的焦距为4.5 mm，NA＝0.65，镀800 nm增透膜。

3 “珍珠串”光波导制备

在实验中研究了波导形状与脉冲能量的关系，发现大约10 nJ的飞秒激光脉冲能量可以制备出平滑直线结构的光波导。激光脉冲能量大于10.5 nJ直写光波导过程中产生了白光连续光谱如图2所示。产生的白光连续光谱用美国海洋公司生产的USB4000光谱仪探测，光谱范围为400～1000 nm，由光谱图可知在探测波长范围两侧还有延伸。对于白光连续光谱的产生，主要是由于飞秒激光脉冲辐照玻璃过程中出现了四波混频和自相位调制效应［9－10］。

图2 白光连续光谱Fig.2 White continuous spectrum radiation of“pearl chain”waveguide

在实验过程中飞秒激光在玻璃内部直写的“珍珠串”光波导结构表现出高的折射率改变和良好的传导性质。在脉冲能量高于21.1 nJ时“珍珠串”光波导结构开始变得不规则，由于散射，光通过这种高脉冲能量刻写的珍珠结构传导很弱。当高于能量阈值时，扫描速度较大时，珍珠串之间的距离很大，但是随着扫描次数的增加，间隔中填满了“珍珠”。用He－Ne激光的衍射图可验证“珍珠串”结构的周期性如图3所示。

图3 光波导结构对He－Ne激光的衍射图Fig.3 The diffraction pattern of“pearl chain”waveguide for He-Ne laser beam

在激光参数和聚焦参数保持不变的情况下，白光连续光谱的强度随样品扫描速度的增加而增强，当扫描光束停止时白光消失。在最大扫描速度时进行的第一次扫描后，结构中“珍珠”间的距离很大，产生的白光辐射强度比较大。在这一结构上方的第二次扫描后，白光强度变弱，新的“珍珠”出现在原来“珍珠”间的空隙中。在几次扫描过后，我们发现了坚固的珍珠结构，伴随着很弱的白光产生。这是由于之前被改变折射率的区域或当类空区域形成时对聚焦光束造成了微小扰动，白光的产生只发生在材料改变的过程中，在材料被改变后，就不会再产生白光连续辐射。

用金相显微镜观察飞秒激光刻写出的波导的形态结构，可以看到，用飞秒激光在玻璃中直写出的波导是均匀的“珍珠串”结构。当激光脉冲能量10.5 nJ，运行速度为0.2 mm／s，飞秒激光脉冲在玻璃内部扫描3次时，在金相显微镜下观察到的结构如图4所示。经过测量，“珍珠串”的横向宽度为19μm，“珍珠串”的间隔周期为20μm。

图4 “珍珠串”光波导结构Fig.4 the structure of“pearl chain”waveguide

当运行速度、扫描次数、功率等参数发生改变时，“珍珠串”的横向宽度和间隔周期也会随之发生改变，这是由于当激光重复频率比较高，相邻脉冲间隔时间短，则飞秒激光脉冲辐照玻璃内部存在热积累效应，聚焦区域的玻璃材料积累的激光能量成为一个点热源向周围发生热扩散过程，产生一热影响区域。玻璃扫描速度越慢，则较多的脉冲聚焦辐照到靶材内，热积累效应越明显，热影响区域面积变大。

激光脉冲能量21 nJ，运行速度为0.01 mm／s，飞秒激光脉冲在玻璃内部扫描2次时，在金相显微镜下观察到的结构如图5所示。

图5 He－Ne激光在“珍珠串”光波导中传播Fig.5 The propagation inside“pearl chain”waveguide for He-Ne laser beam

对比图4的（a）和（b），可明显地看到在不同激光参数及扫描速度参数条件下，直写得到的光波导结构上存在差别，激光脉冲能量10.5 nJ，运行速度为0.2 mm／s情况下制备的“珍珠串”光波导结构较好。“珍珠串”结构是在激光焦点周围热量积累产生的非均匀凝固形成的，在激光辐照时间范围内，飞秒激光脉冲所沉积的热量扩散到焦点周围的材料区域，造成熔化区域比焦点体积大。当激光脉冲很多时，比焦点体积大的多的材料体积在超过玻璃的熔化温度时被加热。入射激光脉冲的数量越多，玻璃熔化区域的半径越大。由于温度的梯度，当脉冲列离开时，材料冷却导致非均匀凝固，导致在焦点区域之外存在一热影响区域。

4 “珍珠串”波导的导光特征

在飞秒激光脉冲直写光波导过程中，由于飞秒激光聚焦玻璃位置处发生微爆炸效应，致使飞秒激光脉冲聚焦辐照玻璃区域的折射率升高，导致波导内部折射率高于玻璃的折射率，满足全反射条件。因此当光在其中传播时，就会发生全反射，使光线只能在波导内部传播，而无法传播到波导外部玻璃的其他区域。波导的传输原理是在不同折射率的介质分界面上，电磁波的全反射现象使光波局限在波导及其周围有限区域内传播。

当用He-Ne激光沿波导的路径照射时，我们可以观察到光只在波导内部传播，而玻璃的其他区域则没有光线传播（图5），这恰恰证实了波导的传输理论。同时也可以明显地看到光波导的珍珠串结构，但是也可以看到在有些“珍珠”中光线并未充分传播，这是由于难以避免激光功率起伏对波导的加工效果产生了一定的影响。

5 结 论

本文利用飞秒激光烧蚀技术在块状光学玻璃体内直写“珍珠串”光波导并对白光连续光谱产生的原因进行分析。通过实验条件优化，在激光脉冲能量10.5 nJ，玻璃运行速度为0.2 mm／s情况下制备的“珍珠串”光波导结构较好，“珍珠串”的横向宽度为19μm，“珍珠串”的间隔周期为20μm。“珍珠串”结构是在激光焦点周围热量积累产生的非均匀凝固形成的，在激光辐照时间范围内，飞秒激光脉冲所沉积的热量扩散到焦点周围的材料区域，造成熔化区域比焦点体积大。利用光学衍射方法可知制备出的“珍珠串”结构较均匀，并且能对玻璃内传输的He-Ne激光进行有效约束，在光波导内进行传输。

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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

内蒙古自治区高等学校科学研究项目（No.NJZC13236）资助的课题。

陈正平（1963－），男，副教授，主要研究方向为非线性光学的研究。E-mail：chen631104＠163.com

2013-06-18