飞秒激光直写Nd:YVO4晶体包层波导激光

李士玲, 宋 艳

(曲阜师范大学物理工程学院,273165,山东省曲阜市)

0 引 言

掺钕钒酸钇(Nd:YVO4)具有高的发射截面、宽而强的吸收带、良好的热和机械性能及高拉曼获得,是有效激光介质的优良增益介质之一[1,2]. 光波导是集成光子学的基本部件,它可以将光限制在微小体积内传播,对光束具有良好的限制和引导作用,与体材料相比可以获得更高的腔内光强度[3,4]. 波导激光器比与体激光器具有较低的阈值和较高的斜率效率[5,6]. 此外,波导激光还是可以集成在光子回路中的有着广泛应用的次光源.

目前制备光波导的方法有:离子扩散、离子/质子交换、离子注入/辐照、外延层沉积及飞秒激光直写等[7-11]. 自Davis等人在1996年利用飞秒激光直写成功制备光波导的开创性工作以来,飞秒激光直写已被证实是制备各种三维光波导的强大技术,该技术具有高精度、可重复性、加工材料种类多、无掩模加工能力等优点[11-15]. 在直写过程中,聚焦的飞秒激光脉冲可以在直接辐照区域(激光焦点处)产生局部的微修饰,伴随正的或负的折射率改变,这取决于激光直写参数和材料本身的固有性质[4,16-18]. 根据不同的折射率改变和光波导结构的几何形状,飞秒激光直写光波导结构可以分为3类[4,19-22]:一是Ⅰ类波导,直写轨迹处具有正的折射率改变,该处即为导光区域;二是Ⅱ类波导,直写轨迹处的折射率降低,由于应力诱导效应,其周围区域折射率升高,因此两条临近的相互平行的飞秒激光直写轨迹中间具有正的折射率改变,该处为导光区域,因而该类波导也被称为应力诱导双线波导. 三是Ⅲ类包层波导,由一系列临近(间隔几个微米)的具有较低折射率的直写轨迹所包围的区域即为导光区域. 这种包层波导的几何形状和尺寸可以被灵活改变,所以能够很好的支持单模和多模导光,而且,包层波导的横截面可以设计成与商用的光纤相匹配.目前包层光波导已经在许多介电晶体中实现,用于波导激光和非线性光学应用[23-25]. 另外,多模光波导由于其在光通信、光传感和量子信息技术等领域的应用前景而受到了新的关注[26].

本文报道了飞秒激光直写Nd:YVO4晶体包层光波导,研究了写入参数(如波导中心轴距离晶体表面以下的深度、脉冲能量、扫描速度及超快激光束偏振状态)对制备的光波导传输性能的影响. 在不同直径的包层光波导中都实现了多模传导,得到了1 064 nm波长的连续激光振荡输出,进一步测试了波导激光特性.

1 实 验

实验中使用的样品是a-切Nd(1 at.%):YVO4晶体,尺寸为8 mm×2.6 mm×10 mm. 飞秒激光直写使用的是超快Yb掺杂的光纤主振荡器功率放大器(IMRA FCPA μ-Jewel D400),其重复频率为500 kHz,脉冲宽度为460 fs,中心波长为1 047 nm. 晶体样品被放置在一个计算机控制的三维移动平台上. 利用数值孔径为0.68的非球面透镜,将飞秒激光通过8 mm×10 mm表面沿着b轴聚焦到晶体内部. 通过计算机控制移动平台,样品沿a轴平移产生直写轨迹,在晶体样品内的不同深度处写入许多低折射率的平行轨迹,从而形成横截面为圆形的包层波导. 图1描述了飞秒激光直写包层光波导的示意图.

图1 飞秒激光直写制备包层光波导的加工示意图

直写之后,利用光学显微镜观察晶体样品中的加工结构. 通过端面耦合系统研究所制备光波导的导光传输性能,将近红外(约1.06 μm)激光通过一个物镜耦合进样品的一个端面(光波导的输入端),用另一个物镜耦合输出通过光波导的激光,然后将输出光成像到CCD上,从而得到光波导的导波模式近场分布. 通过测量输入光和输出光的功率来估计光波导的插入损耗,具体表示为

α= -10lg(Pout/Pin),

其中Pout和Pin分别是输出和输入的激光功率. 需要注意的是,插入损耗包括了菲涅耳损耗、耦合损耗和传输损耗. 因此,光波导的传输损耗远低于插入损耗.

采用端面泵浦装置进行了波导激光测试. 泵浦光源是一个钛蓝宝石连续波激光器(Spectra-Physics,3900S),它被调谐至发射808 nm波长的激光. 激光谐振腔由两个平面介质镜分别与晶体的两个抛光的端面对接耦合形成,其中一个是输入镜,对激光(1.06 μm)波长具有高反射率(>99%),对泵浦(808 nm)波长具有高透射率(98%),另一个是输出耦合器,对激光波长有不同的透射率. 用一个10×(f= 15 mm)显微镜物镜(New Focus,5709)将泵浦激光束耦合到波导结构中. 用另一个10×的显微镜物镜从输出端收集产生的激光束. 最后用微拉曼分析系统表征制备光波导的芯区、直写轨迹处的晶体结构的变化.

2 结果与讨论

为了获得低损耗包层光波导,飞秒激光直写过程中采用了不同的关键参数,如脉冲能量(从320到680 nJ,间隔40 nJ)、波导中心轴距离晶体表面以下的深度(之后文中表示为“深度”从60到250 μm)、扫描速度(从0.5到7.0 mm/s)、激光偏振等. 图2(a)和2(b)是直径44 μm的包层光波导的光学显微横截面图和测得的光波导近场模式分布图,这些包层光波导由脉冲能量480 nJ和扫描速度3.0 mm/s,圆偏振超快激光及不同深度60、100、140、160、180、210和250 μm直写得到. 如图2(a)所示,不同的激光直写轨迹组成圆形,激光直写轨迹附近没有观察到晶体裂缝. 在深度为250 μm时激光诱导轨迹没有形成完整的圆形,可能是当深度大于250 μm时,由于激光能量的衰减,在晶体中沉积的能量会小于材料的损伤阈值,所以没有损伤的直写轨迹形成,也意味着没有形成光波导. 如图2(b)所示,光波导具有良好的引导约束和多模分布. 这些光波导的插入损耗分别为3.8、3.6、3.3、3.2、3.4和3.5 dB.

图2 在脉冲能量为480 nJ、扫描速度为3.0 mm/s、不同深度直写包层光波导中(a)光学显微镜的横截面图,(b)导波模式近场分布图

表1(下页)列出了用其他不同的写入参数制备的光波导的插入损耗. 表1的第一行为固定扫描速度(3.0 mm/s)、深度(160 μm)和飞秒激光偏振(圆偏振),改变脉冲能量(360～640 nJ,间隔40 nJ)直写得到的直径44 μm的包层光波导的插入损耗,发现脉冲能量为480 nJ时,插入损耗最小(约3.2 dB). 脉冲能量为360～400 nJ时,没有观察到直写轨迹,也没有测得导波近场模式分布,所以没有形成光波导. 脉冲能量为440～520 nJ时,形成了较好的光波导. 当能量增加到560 nJ时,可能是由于较多的能量沉积,从而影响了直写轨迹附近的区域,传播损耗明显增加. 当脉冲能量大于等于600 nJ时,对直写轨迹及附近区域的晶格损伤太大,没有形成光波导. 表1的第二行是固定脉冲能量(480 nJ)、深度(160 μm)和飞秒激光偏振(圆偏振),改变扫描速度(0.5～7.0 mm/s)直写得到直径60 μm的包层光波导的插入损耗,当扫描速度为3.0 mm/s时,损耗最小(约2.4dB). 此外,固定脉冲能量(480 nJ)、扫描速度(3.0 mm/s)和深度(160 μm),改变飞秒激光偏振分别为水平偏振、45°偏振及垂直偏振,在前两种偏振情况下没有观测到直写轨迹. 在垂直偏振下,有直写轨迹且直写轨迹包围的中间部分有明显的损伤,也没有测到导波模式分布. 总之,制备低损耗波导的参数为深度140～200 μm、脉冲能量440～520 nJ、扫描速度1.0～7.0 mm/s以及圆偏振飞秒激光束.

表1 用不同直写参数制备的包层光顾波导的插入损耗

图3(a)和(b)是不同直径(32、44、60及80 μm,所有情况下的比例尺均为80 μm)光波导横截面和顶视的光学显微图,光波导的制备参数为圆偏振飞秒激光束,脉冲能量为480 nJ,聚焦深度为160 μm,扫描速度为3.0 mm/s. 由图可以看到,在晶体材料中形成了由激光诱导轨迹组成的圆形. 图3(c)是测得的这些不同直径光波导的导波模式的近场光强分布,所有直径的光波导都支持高阶模,是多模光波导. 这些光波导的插入损耗分别为4.1、3.2、2.4、2.8 dB.

图3 不同直径光波导的显微镜图

(a)横截面图;(b)顶视图;(c)不同直径光波导在1.06 μm处测得的导波模式分布图

图4是包层光波导的激光发射光谱,中心激光波长为1 064.3 nm,全波的半最大值(FWHM)值为1 nm,对应于Nd3+离子的4F3/2→4I11/2跃迁. 其中插图是输出激光束(激光模式)的近场分布,呈现出多模结构.

图4 从60 μm包层光波导中输出激光的强度分布(插图为波导激光的模式分布)

图5(下页)显示了直径60 μm光波导的斜率效率η,这些斜率效率是使用反射系数分别为80%、60%和30%的输出耦合器测量得到的. 由图5可以看出,使用30%反射输出耦合器时,得到了最佳激光性能,斜率效率为21.3%的,泵浦阈值为80 mW,输出功率为143 mW(对应输入功率770 mW).

图5 在60 μm包层光波导中,使用不同反射率输出耦合器测得的波导激光斜率效率

图6是从不同直径(32、44、60及80 μm)的包层光波导测得的激光模式分布图. 可以看到,激光模式有相当明显的边界,这表明激发产生的1 064 nm波长的激光在传播过程中被很好地限制在光波导内. 所有直径的包层光波导支持多模激光发射.

图6 直径为32,44,60和80 μm光波导的输出激光模式分布图

图7描述了用30%反射输出耦合器测得的不同直径光波导的激光斜率效率. 由图可以看出,直径为32 μm的光波导中,激光斜率效率为6.3%,最大输出功率为43.6 mW(对应输入功率为770 mW). 当波导的直径从44～60 μm变化时,斜率效率随直径的增加而增大,直径为60 μm的波导的斜率效率达到21.3%. 然而,随着直径继续增加到80 μm时,斜率效率开始降低,80 μm光波导的斜率效率为19.9%. 32 μm、44 μm、60 μm和80 μm光波导的泵浦阈值功率分别为80 mW、80 mW、80 mW和200 mW. 80 μm波导激光器的阈值要高得多,这可能是由于泵浦激光器与波导模之间的耦合效率降低以及波导的模场直径增加所致.

图8是由60 μm光波导的输出端横截面得到的体材料、波导中心区域和激光直写轨迹处的微Raman光谱图. 图中测量了在832和885 cm-1附近的拉曼位移峰对应的声子模. 结果表明,在两种拉曼模态下,在激光诱导轨道上,拉曼强度明显下降. 对于885 cm-1拉曼位移峰,与晶体体材料区域相比,波导区域的拉曼峰值强度降低了约35%,激光诱导轨迹处的拉曼峰强度降低了约71%,表明激光直写轨迹处的晶格结构被破坏,产生缺陷,因而导致了该区域的折射率降低[2].

图8 从体材料、波导区域和飞秒激光直写轨迹处测得的微拉曼光谱

3 结 论

利用飞秒激光直写技术在Nd:YVO4激光晶体中制备了不同直径的低损耗包层光波导. 研究了直写参数如脉冲能量、扫描速度、深度及激光偏振等对包层光波导传输质量的影响,得到制备低损耗光波导的最佳参数为:440～520 nJ脉冲能量、1.0～7.0 mm/s扫描速度、140～200 μm深度和圆偏振激光束. 在所制备的不同直径的光波导中均实现了1 064 nm波长的连续激光发射. 当使用30%反射输出耦合器时,直径32 μm的波导激光的斜率效率为6.3%,最大输出功率为43.6 mW. 直径60 μm的波导激光器斜率效率为21.3%,激光泵浦阈值为80 mW,最大输出功率为143 mW(输入功率为770 mW). 微拉曼光谱研究表明飞秒激光在直写轨迹和它们包围区域产生了局部晶格破坏.