Способ создания структур показателя преломления внутри образца из прозрачного материала и устройство для его реализации
METHOD OF CREATING REFRACTION INDEX STRUCTURES INSIDE A SAMPLE FROM TRANSPARENT MATERIAL AND A DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может найти применение для изготовления оптических волноводов в объеме прозрачных материалов, волоконных брэгговских решеток, длиннопериодных решеток показателя преломления, представляющих собой периодическую структуру показателя преломления, сформированную в сердцевине волоконного световода.
Оптические волноводы применяются в различных областях науки и техники для передачи излучения от одного оптического элемента или устройства к другому, в оптических линиях связи для мультиплексирования/демультиплексирования каналов, для создания элементов интегральной оптики.
Волоконные брэгговские и длиннопериодные решетки показателя преломления широко применяются в различных областях науки и техники, например, в качестве точечных отражателей резонаторов волоконных лазеров, чувствительных элементов волоконных сенсорных систем.
Известно техническое решение создания волноводных структур показателя преломления в объеме прозрачных материалов (Патент US 20020076655 «Direct writing of optical devices in silica-based glass using femtosecond pulse lasers», МПК B23K 26/00; B23K 26/06; C03C 23/00; G02B 6/13; G02B 6/132; G11C 13/04; G02B 6/12 опубликован 20.00.2002), в котором запись волноводных структур преломления осуществляется за счет фокусировки фемтосекундного лазерного излучения в объеме стеклянной подложки и перемещения фокальной области вдоль образца с определенной скоростью, при которой обеспечивается увеличение величины показателя преломления в фокальной области без разрушения материала.
Недостатком данного метода записи волноводных структур является несимметричность поперечного сечения волновода из-за различий в размерах модификации в поперечном и продольном направлении, а также зависимость размера поперечного сечения волновода от условий фокусировки (от числовой апертуры фокусирующего объектива).
Известно техническое решение для формирования волноводов с симметричным поперечным сечением в объеме стеклянного образца, представленное в статье (М. Ams, G.D. Marshall, D.J. Spence, and M.J. Withford, "Slit beam shaping method for femtosecond laser direct-write fabrication of symmetric waveguides in bulk glasses," Opt. Express 13, 5676-5681 (2005).), в котором вышеперечисленные недостатки прямой записи волноводов устранены за счет использования астигматического пучка (с различными размерами вдоль ортогональных осей) в процессе записи волноводов. В данном случае при определенном соотношении размеров пучка удается получить симметричную область модификации показателя преломления.
Недостатком данного метода является невозможность создания более сложных волноводных структур, например, волноводного разветвителя.
Известно техническое решение в области создания периодических структур фемтосекундным лазерным излучением внутри оптических световодов (WO 2005111677 A3 «Point-by-point femtosecond laser inscribed structures in optical fibres and sensors using the same», МПК G01L 1/24; G02B 6/02, опубликовано 24.11.2005), которое может быть использовано при изготовлении волоконных брэгговских решеток в нефоточувствительных волоконных световодах. В данном методе каждый штрих периодической структуры создается одним лазерным импульсом, сфокусированным высокоапертурным объективом в сердцевину световода. Каждый импульс следует с постоянной частотой повторения, при этом сам световод перемещается с постоянной скоростью. Таким образом, формируется периодическая структура показателя преломления внутри сердцевины световода. В представленном методе волоконный световод фиксируется только в двух точках, участок световода между этими точками испытывает провисание, что приводит к отклонению положения световода от прямолинейного и смещению положения области фокусировки внутри сердцевины волоконного световода. Для устранения данных смещений области фокусировки перемещение волоконного световода необходимо осуществлять по траектории отличной от прямолинейной, которая бы компенсировала данное провисание.
Недостатком известного технического решения является необходимость предварительной юстировки положения световода относительно области фокусировки для компенсации провисания световода, что увеличивает трудоемкость и время записи периодической структуры показателя преломления внутри сердцевины световода. Кроме того, для точного перемещения световода для компенсации провисания требуется использование дорогостоящего высокоточного 3-х координатного позиционера.
Известно техническое решение для изготовления периодических структур показателя преломления (волоконных брэгговских решеток) в нефоточувствительных волоконных световодах, представленное в патенте (Патент RU 2610904, «Способ изготовления волоконных брэгговских решеток в нефоточувствительных волоконных световодах», МПК G02B 6/028, опубликован 17.02.2017 г.) где предлагается поточечный метод создания волоконных брэгговских решеток, основанный на протяжке нефоточувствительного волоконного световода через прозрачную ферулу со шлифованной боковой гранью для эффективной фокусировки лазерного излучения в сердцевину нефоточувствительного волоконного световода. Протяжка осуществляется с помощью высокоточного линейного позиционера. В данном случае проблема провисания световода решается, поскольку область фокусировки относительно сердцевины световода не изменяется при протяжке световода.
Недостатком известного технического решения является малое значение поперечного размера области модификации, определяемое условиями фокусировки излучения высокоапертурным объективом, что приводит к неэффективному взаимодействию излучения, распространяющегося по сердцевине световода, с периодической структурой и, следовательно, к низкому значению коэффициента отражения от данной структуры. По этой причине для увеличения коэффициента отражения необходимо либо повышать величину изменения показателя преломления области модификации с помощью увеличения энергии лазерных импульсов, либо увеличивать общую длину структуры. В первом случае чрезмерное увеличение энергии лазерных импульсов может привести к возникновению явления оптического пробоя в материале и, следовательно, к возникновению существенных оптических потерь в структуре, что нежелательно для многих прикладных задач, где используются волоконные решетки показателя преломления. Во втором случае при записи длинных ВБР могут накапливаться ошибки в позиционировании, что может привести к искажению идеальной формы спектра ВБР.
Известно техническое решение, представленное в статье [P. Lu, S.J. Mihailov, Н. Ding, D. Grobnic, R.B. Walker, D. Coulas, C. Hnatovsky, and A.Y. Naumov, "Plane-by-Plane Inscription of Grating Structures in Optical Fibers," J. Light. Technol. 36, 926-931 (2018).]. Способ основан на использовании астигматического гауссова пучка при записи, который формируется цилиндрической линзой, расположенной перед фокусирующим объективом. При фокусировке астигматического гауссова пучка наблюдается формирования двух каустик с взаимно-перпендикулярным расположением: меридиональную и сагиттальную, которые представляет собой две полоски (вертикальная и горизонтальная). Таким образом, располагая одну из каустик в сердцевине, перпендикулярно оси световода, возможно, получить область модификации с поперечным размером равным диаметру сердцевины, поэтому излучение, распространяющееся по сердцевине, будет эффективно отражаться от такой структуры.
Недостатками данного технического решения является фиксированный поперечный размер области модификации, определяемый фокусным расстоянием цилиндрической линзы, что ограничивает запись ВБР в световодах с различными диаметрами сердцевины, а также высокое значение величины энергии лазерных импульсов (на порядок больше, чем при поточечной схеме записи) требуемой для записи, что может привести к повреждению оптических элементов системы.
Известно техническое решение, представленное в статье (К. Zhou, М. Dubov, С. Mou, L. Zhang, V.К. Mezentsev, and I. Bennion, "Line-by-Line Fiber Bragg Grating Made by Femtosecond Laser," Photonics Technol. Lett. IEEE 22, 1190-1192 (2010)) где предлагается модифицированный поточечный метод записи посредством наложения соседних областей модификаций, которые образуют непрерывный трек, формирующий периодическую структуру ВБР. Периодическая структура формируется вследствие перемещение световода, закрепленного на высокоточном 2-х координатном позиционере, по заданной траектории движения, состоящей из прямых отрезков, расположенных поперек и вдоль оси волокна. Период периодической структуры равен в данном случае длине отрезка прямой вдоль волокна. При этом с помощью синхронизации открывания/закрывания лазерного затвора модификация показателя преломления осуществляется только в сердцевине световода. В данном случае, поскольку поперечный размер области модификации показателя преломления будет сопоставим или равен диаметру сердцевины световода, излучение, распространяющееся по сердцевине, будет эффективно отражаться от такой структуры.
Недостатком известного технического решения является низкая скорость записи структур, поскольку для создания каждого штриха решетки требуется сместить весь участок световода на величину, превышающую диаметр сердцевины световода, а также необходимость использования высокоточного 2-х координатного позиционера.
Известно техническое решение, представленное в схеме записи с помощью сканирования сердцевины с помощью развертки лазерного пучка (патент РФ 2695286, «Устройство для создания периодических структур показателя преломления внутри прозрачных материалов», МПК G02B 6/00, опубликовано 22.07.2019 г.) и выбранное в качестве прототипа. В данном случае создание периодической структуры показателя преломления создается за счет смещения в поперечном к оси волокна направлении с помощью устройства сканирования (развертки) сфокусированного пучка лазерного излучения в фокальной плоскости объектива, которое осуществляется с помощью сканирующего модуля, изменяющего угол наклона сколлимированного пучка лазера на входной апертуре микрообъектива. При этом сканерный модуль состоит из двух собирающих линз, рефрактивной плоскопараллельной пластинки, выполненной из оптически прозрачного материала, вращение которой приводит к наклону сколлимированного пучка лазера на входной апертуре микрообъектива. Данное техническое решение является наиболее близким аналогом предлагаемому изобретению.
Недостатком описанного технического решения является сравнительно низкая область сканирования, определяемая толщиной пластинки и углом поворота пластинки, что важно для записи ВБР в многомодовых световодах с большим диаметром световедущей сердцевины.
Перед авторами ставилась задача разработать способ создания различных структур показателя преломления внутри образца из прозрачного материала с различной областью модификации показателя преломления и устройство для его реализации.
2
2
3
2
3
Поставленная задача решается тем, что разработан способ создания структуры показателя преломления внутри образца из прозрачного материала воздействием на образец сфокусированного пучка излучения фемтосекундного лазера, при котором одновременно с подачей пучка излучения обеспечивают сканирование образца путем формирования наклонного падения пучка на апертуру микрообъектива на заданный угол α, определяющий поперечный размер 2Δх структуры показателя преломления в образце 2Δх≈2αƒ, где Δх - амплитуда сканирования, ƒ - фокусное расстояние микрообъектива, а угол падения пучка фемтосекундного лазерного излучения на апертуру микрообъектива, и перемещают образец в направлении, перпендикулярном перемещению пучка.
При этом:
s
s
2
Для создания однородных волоконных брэгговских решеток задают сканирование в поперечном к оси образца, выполненного в виде оптического световода диаметром D, направлении по синусу с частотой ν и перемещают оптический световод, с постоянной скоростью V вдоль оси оптического световода, при этом, период однородных ВБР будет равен Λ=V/(2ν), причем амплитуда сканирования Δх должна быть больше диаметра сердцевины оптического световода D.
s
Для создания наклонных волоконных брэгговских решеток внутри образца из прозрачного материала, осуществляют развертку пучка фемтосекундного лазерного излучения, при этом функцию сканирования пучка фемтосекундного лазерного излучения задают в виде треугольной функции при непрерывном перемещении оптического световода вдоль оси световода, при этом угол наклона штрихов волоконной брэгговской решетки α в данном случае зависит как от скорости перемещения оптического световода V, так и от частоты сканирования луча ν: tg(α)=V/(2Dν).
Для создания длиннопериодных решеток показателя преломления внутри образца из прозрачного материала, производят наложение соседних треков, формирующих периодическую структуру показателя преломления с периодом Λ=2Vτ, где τ - время, в течение которого осуществляют подачу пучка излучения, V - скорость перемещения оптического световода.
2
Для создания однородных волноводных структур показателя преломления с увеличенным по отношению к невозмущенной части значением показателя преломления внутри образца из прозрачного материала, производят наложение соседних треков, при непрерывном перемещении образца, при этом поперечный размер волноводной структуры D равен 2Δх.
s
2
s
2
c
s
2
2
s
с
s
с
Для создания волноводных структур показателя преломления с разветвлением внутри образца из прозрачного материала осуществляют синхронизацию моментов подачи пучка фемтосекундного лазера и формирование наклонного падения пучка на апертуру микрообъектива, при этом, диаметр оптической волноводной структуры D=2×τ×ν×Δx, где τ - время, в течение которого осуществляют подачу пучка излучения, ν - частота сканирования пучка фемтосекундного лазерного излучения, а расстояние на которое можно развести оптические волноводы равно d=2Δх-D-2τ×ν×Δх=2Δх(1-τ×ν-τ×ν), где τ - время, в течение которого не происходит подачи излучения, при непрерывном перемещении образца
Способ может быть реализован с помощью устройства, которое содержит виброизолированный стенд, на котором размещен позиционер для размещения изготавливаемого образца из прозрачного материала, фемтосекундный лазер, содержащий затвор, и сканерный модуль, который содержит последовательно оптически связанные и формирующие оптическую ось схемы устройства, первую собирающую линзу, вторую собирающую линзу, расположенные друг относительно друга на расстоянии равном сумме фокусных расстояний первой и второй собирающих линз, микрообъектив, расположенный на расстоянии, равном фокусному расстоянию второй собирающей линзы сканерного модуля, отличающийся тем, что, согласно изобретению, в сканерный модуль введено оптически связанное с первой и второй собирающими линзами поворотное зеркало, которое выполнено с возможностью вращения вокруг оси, перпендикулярной оптической оси схемы устройства, устройство также дополнительно оснащено блоком анализа, который предназначен для одновременного формирования управляющих сигналов для позиционера и затвора фемтосекундного лазера и осуществления позиционирования латерального смещения пучка фемтосекундного лазерного излучения в область фокусировки посредством вращения поворотного зеркала в соответствии с зависимостью
3
1
2
где ƒ - фокусное расстояние микрообъектива, α угол падения пучка фемтосекундного лазерного излучения на апертуру микрообъектива, ƒ - фокусное расстояния первой собирающей линзы и ƒ - фокусное расстояния второй собирающей линзы, θ - угол поворота поворотного зеркала, а позиционер расположен таким образом, чтобы изготавливаемый образец был в фокусе микрообъектива, выполнен с возможностью перемещения.
Для создания структур показателя преломления внутри световода, последний должен быть размещен в прозрачной феруле со шлифованной боковой гранью, обращенной к излучению
Техническим результатом заявляемого технического решения является возможность изменения размера области сканирования внутри прозрачного материала, увеличение скорости изготовления структур показателя преломления, уменьшение энергии лазерного излучения, требуемой для создания структур показателя преломления, уменьшение потерь при распространении оптического сигнала, вызванных несимметричностью поперечного сечения волновода, повышение точности изготовления структур, а также в расширении ассортимента средств данного назначения.
На фиг. 1 представлена схема заявляемого способа изготовления структур показателя преломления внутри образца из прозрачного материала, где 1 - позиционер, 2 - виброизолированный стенд, 3 - образец из прозрачного материала, 4 - фемтосекундный лазер, 5 - пучок фемтосекундного лазерного излучения, 6 - сканерный модуль, 7 - первая собирающая линза, 8 - вторая собирающая линза, 9 - микрообъектив, 10 - блок анализа, 11 - поворотное зеркало.
На фиг. 2 представлены схема создания волоконных брэгговских решеток показателя преломления с помощью предложенного способа.
На Фиг. 3 представлена схема создания наклонных волоконных брэгговских решеток внутри образца из прозрачного материала.
На Фиг. 4 представлена схема создания длиннопериодных волоконных решеток показателя преломления внутри образца из прозрачного материала.
На Фиг. 5 представлена схема создания волноводных структур показателя преломления внутри образца из прозрачного материала.
На Фиг. 6 представлены схема создания волноводных структур показателя преломления с разветвлением внутри образца из прозрачного материала.
Заявляемый способ создания структур показателя преломления внутри прозрачных материалов позволяет создавать различные волноводные и периодические структуры показателя преломления внутри образца из прозрачного материала с помощью предложенного устройства следующим образом.
3
Устройство включает в себя позиционер 1, который размещен на виброизолированном стенде 2, и с расположенным на позиционере 1 изготавливаемым образцом из прозрачного материала 3. Далее содержит оптически последовательно связанные, и, формирующие оптическую ось схемы устройства, фемтосекундный лазер 4, который выполнен содержащим затвор, микрообъектив 9 и сканерный модуль 6, который содержит первую собирающую линзу 7, вторую собирающую линзу 8. Пучок фемтосекундного лазерного излучения 5 фемтосекундного лазера 4 с постоянной частотой следования и энергией импульсов через сканерный модуль 6, который содержит оптически связанные первую собирающую линзу 7, вторую собирающую линзу 8, микрообъектив 9 и с помощью микрообъектива 9, с числовой апертурой NA>0.5 и фокусным расстоянием ƒ, фокусируется через шлифованную боковую грань внутрь образца из прозрачного материала 3, выполненного из материала прозрачного для излучения фемтосекундного лазера, например образец из прозрачного материала выполнен в виде прозрачной ферулы со шлифованной боковой гранью и размещенным внутри нее оптическим световодом. При этом, с помощью сканерного модуля 6 осуществляется развертка сфокусированного лазерного пучка в области образца из прозрачного материала 3. Задача сканерного модуля 6 создавать изменение угла наклона сколлимированного пучка фемтосекундного лазерного излучения 5 на входной апертуре микрообъектива 9.
1
2
1
1
1
2
2
1
1
i
2
Сканерный модуль 6 (Фиг. 1) дополнительно оснащен поворотным зеркалом 11, которое выполняют с возможностью вращения вокруг оси перпендикулярной оптической оси схемы устройства и которое оптически связано с первой собирающей линзой 7, второй собирающей линзой 8, с соответствующими фокусными расстояниями ƒ и ƒ. Поворотное зеркало 11 закреплено на оси ротора электродвигателя или гальваносканера, ось вращения поворотного зеркала 11 перпендикулярна оптической оси схемы устройства (Фиг. 1) и перпендикулярно плоскости падения пучка фемтосекундного лазерного излучения 5. Расстояние между поворотным зеркалом 11 и первой собирающей линзой 7 равно ƒ, между линзами - L=ƒ+ƒ, а между микрообъективом 9 и второй собирающей линзой 8-L2=ƒ. При повороте поворотного зеркала 11 на угол θ происходит латеральное смещение пучка фемтосекундного лазерного излучения 5 на второй собирающей линзе 8 на величину Δx≈2θƒ, а после коллимации второй собирающей линзой 8 угол падения α на апертуру микрообъектива 9 составляет α≈Δx/ƒ.
Создание структуры показателя преломления внутри изготавливаемого образца из прозрачного материала 3 осуществляют посредством одновременного формирования управляющих сигналов для позиционера 1, и затвора фемтосекундного лазера 4 и позиционированием латерального смещения пучка фемтосекундного лазерного излучения 5 в область фокусировки посредством блока анализа 10 по формуле
, где f3 - фокусное расстояние микрообъектива 9, α угол падения пучка фемтосекундного лазерного излучения 5 на апертуру микрообъектива 9, f1 - фокусное расстояния первой собирающей линзы 7 и f2 - фокусное расстояния второй собирающей линзы 8, θ - угол поворота поворотного зеркала 11.
а
а
2
1
Соотношение фокусных расстояний первой собирающей линзы 7 и второй собирающей линзы 8 позволяет управлять диаметром пучка фемтосекундного лазерного излучения 5 на апертуре микрообъектива 9 , по отношению к исходному диаметру  в плоскости первой собирающей линзы 7 по формуле:
а
2
2
, где  - диаметр пучка фемтосекундного лазерного излучения 5 на апертуре микрообъектива 9, f1 - фокусное расстояния первой собирающей линзы 7 и f - фокусное расстояния второй собирающей линзы 8.
s
s
2
Схема создания волоконных брэгговских решеток внутри образца из прозрачного материала, например в оптическом световоде, с помощью заявляемого способа представлена на фиг. 2, где окружность изображает модификацию от одиночного импульса пучка фемтосекундного лазерного излучения 5. При наложении данных модификаций формируется непрерывный трек с измененной структурой показателя преломления. Таким образом, задавая сканирование в поперечном к оси оптического световода (диаметра D) направлении по синусу с частотой ν и перемещая оптический световод, с постоянной скоростью V, посредством позиционера, возможно создание однородных ВБР. При этом, период однородных ВБР будет равен Λ=V/(2ν). При этом, амплитуда сканирования Δх должна быть больше диаметра сердцевины оптического световода D для эффективного взаимодействия пучка фемтосекундного лазерного излучения с волоконной брэгговской решеткой и отсутствия угла наклона штрихов волоконной брэгговской решетки.
s
На Фиг. 3 представлена схема изготовления наклонных волоконных брэгговских решеток внутри образца из прозрачного материала, например в оптическом световоде, с помощью развертки пучка фемтосекундного лазерного излучения. В данном случае функция сканирования пучка фемтосекундного лазерного излучения задается в виде треугольной функции при непрерывном перемещении оптического световода позиционером. Угол наклона штрихов волоконной брэгговской решетки α в данном случае зависит как от скорости перемещение оптического световода V, так и от частоты сканирования луча ν: tg(α)=V/(2Dν).
На Фиг. 4 представлена схема создания длиннопериодных решеток показателя преломления внутри образца из прозрачного материала, например, в оптическом световоде. В данном случае, при наложении соседних треков и модуляции энергии импульсов, возможно, создание периодической структуры показателя преломления с периодом Λ=2Vτ, где τ - время, в течение которого открыт затвор фемтосекундного лазера.
2
На Фиг. 5 представлена схема создания волноводных структур показателя преломления внутри образца из прозрачного материала, например оптическом волноводе. В данном случае, при наложении соседних треков, возможно, создание, например, однородной волноводной структуры показателя преломления с увеличенным по отношению к невозмущенной части значением показателя преломления. При этом, поперечный размер волноводной структуры D равен 2Δx.
s
2
s
2
с
s
2
2
s
с
s
с
На Фиг. 6 представлена схема создания волноводных структур показателя преломления с разветвлением внутри образца из прозрачного материала. В данном случае, с помощью синхронизации моментов открытия и закрытия затвора фемтосекундного лазера с вращением поворотного зеркала, возможно создание разветвителя, который будет разделять излучение по двум оптическим волноводам, создаваемых в процессе создания, например волноводных структур показателя преломления. При этом, диаметр оптической волноводной структуры D=2×τ×ν×Δx, где τ - время, в течение которого открыт затвор фемтосекундного лазера, ν - частота сканирования пучка фемтосекундного лазерного излучения, а расстояние на которое можно развести оптические волноводы равно d=2Δх-D-2τ×ν×Δх=2Δх(1-τ×ν-τ×ν), где τ - время, в течение которого закрыт затвор фемтосекундного лазера.
Таким образом, заявленный способ позволяет изготавливать периодические структуры показателя преломления (однородные ВБР, ВБР с наклонными штрихами, а также длиннопериодные решетки показателя преломления) внутри прозрачных материалов, методом развертки пучка фемтосекундного лазерного излучения, что существенно увеличивает скорость изготовления волоконных брэгговских решеток показателя преломления, а также упрощает схему создания структур показателя преломления, поскольку в ней не требуется использования 2-х координатных высокоточных позиционеров. Кроме того, данный способ позволяет создавать волноводные структуры показателя преломления с различным поперечным сечением.
2
2
Технический результат достигается за счет увеличения чувствительности величины смещения Δх от угла поворота поворотного зеркала θ, т.е. для достижения одного и того же смещения будет требоваться гораздо меньший угол поворота. Кроме того, с помощью управления положением затвора фемтосекундного лазера в открытом или закрытом положении одновременно (синхронно) с поворотом зеркала, возможно контролировать поперечный размер модификации величины смещения Δх от угла поворота поворотного зеркала θ, а также создавать более сложные структуры с различным поперечным сечением. Технический эффект уменьшения потерь, вызванных несимметричностью поперечного сечения волновода, достигается за счет создания волноводов с симметричным поперечным сечением. Повышение точности изготовления структур показателя преломления достигается за счет отсутствия эффекта «провисания» оптического световода.
Преимуществом заявляемого технического решения также является уменьшение веса устройства за счет применения поворотного зеркала по сравнению с массивной рефрактивной пластинкой.