УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЗДАНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛНОВОДОВ И ДИФРАКЦИОННЫХ РЕШЕТОК В ПРОЗРАЧНЫХ МАТЕРИАЛАХ ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ

Полезная модель относится к устройствам для создания оптических волноводов и дифракционных решеток на основе прозрачного твердотельного материала с помощью лазера.
Известны различные устройства для создания с помощью фемтосекундных лазерных импульсов дифракционных решеток на основе прозрачных твердотельных материалов. Периодические структуры в дифракционных решетках представляют собой чередование микрообластей с измененным показателем преломления. Когда фемтосекундные лазерные импульсы достаточной энергии остро фокусируются в прозрачном материале, интенсивность в фокусе становится очень высокой, вызывая нелинейное поглощение (главным образом, многофотонное поглощение и лавинную ионизацию) и ведя к ряду модификаций из-за оптического разрушения или структурных и химических изменений в материале. Изменение показателя преломления в материале обычно локализовано в фокальном объеме из-за сильно нелинейного поглощения, оставляя незатронутым окружающее пространство. Транслируя объемный образец относительно точки лазерного фокуса, можно создавать области с иным, чем в исходном материале, показателем преломления и изготавливать различные 3D структуры, в том числе волноводы и дифракционные решетки.
-3
Например, известны работы, где описаны устройства для создания оптических дифракционных решеток, состоящих из периодически расположенных областей с измененным показателем преломления. Американский патент №5978538, опубликованный 2 ноября 1999 года, описывает устройство для лазерного создания оптических волноводов с помощью фемтосекундного лазера в оксидных, галоидных и халькогенидных стеклах. В патенте US 6853785, опубликованном 8 февраля 2005 года, волновод с решеткой Брэгга в ядре оптоволокна изготовлен с помощью фемтосекундного лазера, который изменял показатель преломления в двух- или трехмерных структурах стеклянного образца с полимерным покрытием при непрерывном сканировании стекла лазерным лучом. Авторы работы [Yuki Kondo, Kentaro Nouchi, Tsuneo Mitsuyu, Masaru Watanabe, Peter G. Kazansky and Kazuyuki Hirao, «Fabrication of long-period fiber gratings by focused irradiation of infrared femtosecond laser pulses», Optics Letters, Vol. 24, Issue 10, pp. 646-648 (1999)] описывают устройство, которое с помощью сфокусированного излучения инфракрасных импульсов фемтосекундного лазера способно записывать длиннопериодные оптоволоконные решетки. В работе [Zhao Quan-Zhong, Qiu Jian-Rong, Yang Lü-Yun, Jiang Xiong-Wei, Zhao Chong-Jun and Zhu Cong-Shan «Fabrication of Microstructures in LiF Crystals by a Femtosecond Laser», Chinese Phys. Lett., 20, 1858 (2003)] описано устройство для записи дифракционной решетки на основе монокристалла фторида лития. В работе использовался Ti:Sapphire лазер с длиной волны 800 нм, который испускал импульсы длительностью 120 фс с частотой повторения 1 кГц. Лазерный луч со средней мощностью 50 мВт пространственно-селективным образом формировал центры окраски, производя локальные изменения показателя преломления в кристаллах LiF. Фокусом лазерного луча управляли с помощью компьютерного 3D XYZ столика. Измеренная эффективность первого порядка дифракции η (%) была около 3,5% и изменение показателя преломления An в облученной области оценено как 1,08×10. Вызванные фемтосекундным лазером изменения показателя преломления оставались постоянными даже при отжиге до 300°C, хотя центры окраски при этой температуре отожглись. В работе [A. Saliminia, R. Vallee, S. L. Chin «Waveguide writing in silica glass with femtosecond pulses from an optical parametric amplifier at 1.5 µm», Optics Communications, Volume 256, Issues 4-6, pages 422-427 (2005)] описано устройство для записи волноводов в плавленом кварце Ti-Sapphire лазером (45 фс, 2 мДж энергия импульса, 800 нм, 1 кГц частота повторения). Было обнаружено, что изменение показателя преломления не обусловлено центрами окраски, поскольку центры окраски отожглись при 400°C, хотя волновод наблюдался до 900°C. Авторы высказали предположение о том, что изменение показателя преломления обусловлено уплотнением (денсификацией) стекла. В патенте WO 2013106867 А2 [Arumugan Anitha, Martyshkin Dmitry V, Fedorov Vladimir V, Hilton David J., Mirov Sergey V., дата публикации 18.07.2013] описано устройство для записи объемных решеток Брэгга на основе кристалла LiF, которые работают в средней ИК области спектра. Они были произведены образованием множества центров окраски в кристалле и селективным удалением подмножества множества центров окраски обесцвечиванием γ-облученного кристалла, чтобы обеспечить изменение показателя преломления в обесцвеченных областях.
Во всех вышеупомянутых работах устройства для создания оптических волноводов и дифракционных решеток включают в себя, кроме фемтосекундного лазера, дополнительные устройства в виде компьютерных 3D XYZ столиков или иных приставок, обеспечивающих сканирование прозрачного материала в двух или трех пространственных взаимно-перпендикулярных направлениях. Эти дополнительные устройства необходимы для того, чтобы сфокусированный лазерный луч прописывал в материале совокупность борозд, образующих дифракционную решетку. Это создает громоздкость записывающих устройств, необходимость привлечения дополнительных технических узлов, обеспечивающих движение столика с образцом или лазера. Кроме того, в описанных аналогах дифракционные решетки создаются в течение длительного времени, поскольку для записи одной борозды требуется определенное время, а таких борозд может быть от десятков до сотен тысяч на единицу длины.
-4
Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является устройство для записи внутренних дифракционных решеток в кристаллах сфокусированным лазерным лучом, включающее фемтосекундный лазер, линзу, фокусирующую излучение в прозрачный материал, и трехмерный трансляционный столик [Quan-Zhong Zhao, Jian-Rong Qiu, Xiong-Wei Jiang, Chong-Jun Zhao, Cong-Shan Zhu «Fabrication of internal diffraction gratings in calcium fluoride crystals by a focused femtosecond laser», Optics Express, Vol. 12, Issue 5, pp.742-746 (2004)]. Данное устройство выбрано в качестве прототипа. В статье показано, что эффективность дифракции и изменение показателя преломления, равное, по оценкам, 3,57×10, обусловлено образованием центров окраски и структурных изменений в кристалле. Борозды решетки с шагом 10 мкм были записаны в кристалле фторида кальция Ti:Sapphire лазером с длиной волны 800 нм, длительностью импульса 120 фс, частотой повторения 1 кГц. Лазерные импульсы выходной мощности 50 мВт (энергия импульса 0,05 мДж) были сфокусированы линзой с числовой апертурой 0.3. Запись решетки производилась путем сканирования кристалла сфокусированным лазерным лучом с помощью контролируемого компьютером трехмерного трансляционного столика со скоростью 1000 мкм/с.
Недостатками прототипа являются конструкционная сложность устройства и большая длительность процесса создания оптических волноводов и дифракционных решеток. Конструкционная сложность состоит в том, что для записи решетки в прототипе используется дополнительно к фемтосекундному лазеру трехмерный трансляционный столик, который перемещает образец относительно лазера в трех пространственных направлениях. Это создает громоздкость устройства и ухудшает качество записи борозд, т.к. любые вибрации установки и смещения образца могут искривить записываемую борозду. Большая длительность процесса создания оптических волноводов и дифракционных решеток в прототипе обусловлена тем, что для записи борозд решетки требуется длительное время сканирования материала лазерным лучом, которое зависит от числа наносимых борозд (от десятков до сотен тысяч на единицу длины).
Полезная модель решает задачу создания устройства для получения оптических волноводов и дифракционных решеток в прозрачных материалах, которое по сравнению с прототипом имеет меньшую конструкционную сложность и меньшую длительность процесса создания оптических волноводов и дифракционных решеток.
Поставленная задача решается тем, что предлагается устройство для лазерного создания оптических волноводов и дифракционных решеток в прозрачных материалах, включающее фемтосекундный лазер и линзу, фокусирующую излучение в прозрачный материал, в котором линза установлена с возможностью поворота, а фемтосекундный лазер выполнен таким образом, что его импульсы имеют параметры, вызывающие режим множественной филаментации.
Заявляемая полезная модель может быть реализована, например, как показано на фиг. 1, где: 1 - фемтосекундный лазер, 2 - линза, фокусирующая излучение в прозрачный материал (фокусирующая линза), 3 - прозрачный материал, 4 - держатель фокусирующей линзы, 5 - лазерное излучение. Фокусирующая линза 2 установлена на поворачивающем линзу держателе 4 на пути лазерного излучения 5, которое излучает фемтосекундный лазер 1, и которое фокусируется в прозрачном материале 3.
Отличием прототипа от заявляемого технического решения является то, что в прототипе внешней линзой лазерное излучение фокусируется в материал так, что отсутствует множественная филаментация, т.е. распад одного луча на множество лучей в прозрачном материале, и лазерное излучение концентрируется в фокусе луча, которым затем прочерчивается борозда в прозрачном материале. Запись борозды осуществляется вследствие того, что вся сконцентрированная в фокусе энергия излучения вызывает модификацию материала с образованием центров окраски в области движущегося фокуса лазера. Это отличие обеспечивается соответствующей конструкцией используемого в прототипе фемтосекундного Ti:Sapphire лазера (Spectra-Physics Ltd.) и параметрами лазерного излучения, а также числовой апертурой фокусирующей линзы прототипа, равной 0.3, которые в совокупности позволяют генерировать лазерные импульсы без реализации режима множественной филаментации.
cr
Множественная филаментация может реализоваться, когда фемтосекундный лазер выполнен так, что обеспечивает среди прочих параметров входную пиковую мощность выше критической мощности для самофокусировки (Р>P).
В предлагаемом устройстве фемтосекундный лазер выполнен таким образом, что его импульсы имеют параметры, вызывающие режим множественной филаментации. Такой режим исключает необходимость лазерного сканирования прозрачного материала с помощью компьютерных 3D XYZ столиков или иных приставок, поскольку оптические волноводы и дифракционные решетки в предлагаемом техническом решении создаются за счет распада входящего в прозрачный материал лазерного луча, прошедшего через повернутую на небольшой угол линзу, на периодически группирующиеся в прозрачном материале филаменты, которые представляют собой борозды оптических волноводов и дифракционных решеток.
Фемтосекундные лазеры разных марок и заводов-изготовителей выполнены так, что имеют различные конструкции, описанные в технической документации лазера, которые обусловливают различные для разных лазеров выходные параметры лазерного излучения. Для реализации данной полезной модели необходимо выбрать фемтосекундный лазер с такими параметрами, которые обеспечивают режим множественной филаментации.
Для осуществления предлагаемого технического решения, например, использовался Ti:Sapphire фемтосекундный лазер FEMTOPOWER™ compact™ PRO с параметрами: центральная длина волны - 800 нм, длительность импульса - 30 фс, частота повторения 1 кГц; энергия лазерных импульсов - 0,5 мДж, что в десять раз больше, чем в прототипе. Указанные параметры этого фемтосекундного лазера обусловлены его заводской конструкцией и являются необходимыми и достаточными для реализации режима множественной филаментации. Средняя мощность 700 мВт, указанная в техническом паспорте этого лазера, также является достаточной для реализации режима множественной филаментации.
cr
2
cr
0
2
0
2
2
cr
cr
-4
-14
10
2
-16
2
2
-18
-20
6
10
6
3
Используемый для реализации предлагаемого устройства фемтосекундный лазер FEMTOPOWER™ compact™ PRO имеет заводскую конструкцию, обеспечивающую входную пиковую мощность во много раз большую, чем критическая мощность самофокусировки. Определим отношения Р/P для кристалла MgF, в котором производилась запись дифракционной решетки предлагаемым устройством. Входная пиковая мощность при энергии импульса 0,5 мДж и длительности импульса 30 фс равна: Р=5×10Дж/3×10 с=1,67×10 Вт. Критическая мощность самофокусировки рассчитывается по известной формуле: P=3,77×λ/8πnn [J.Н. Marburger, «Self-focusing: theory», Prog. Quantum Electron. Vol. 4, Part 1, pp. 35-110 (1975)]. В этой формуле λ=800 нм, n - показатель преломления материала (1,3 на длине волны 700 нм - из справочных данных), n - нелинейный показатель преломления второго порядка, n=1,5×10 cm/W [A. Dubietis, J. Darginavicius, G. Tamosauskas, G. Valiulis, and A. Piskarskas «Generation and amplification of ultrashort UV pulses via parametric four-wave interactions in transparent solid-state media» Lithuanian Journal of Physics, Vol. 49, No. 4, pp. 421-431 (2009)]. Подставляя параметры излучения и кристалла, получаем: P=3,77×800х10/8×3,14×1,3×1,5×10=5×10 Вт. Рассчитываем отношение Р/P=1,67×10 Вт/5×10 Вт=3,3×10. Таким образом, входная пиковая мощность выше критической мощности для самофокусировки более чем в тысячу раз, что означает, что данный фемтосекундный лазер FEMTOPOWER™ compact™ PRO выполнен так, что обеспечивает режим множественной филаментации.
0
2
2
2
2
Линза, фокусирующая излучение в прозрачный материал, в предлагаемой полезной модели установлена с возможностью поворота. Для обеспечения поворота фокусирующей линзы она может быть установлена на поворачивающем ее держателе. Поворот фокусирующей линзы является необходимым отличием от прототипа для реализации предлагаемого технического решения, так как поворот линзы на небольшие углы вызывает группирование филаментов, образующихся в результате множественной филаментации лазерного луча, прошедшего через линзу, в периодическую решетку. Таким образом, дифракционная решетка создается без необходимости лазерного сканирования материала, которое требует дополнительных устройств и затрат дополнительного времени. Если линза установлена так, что плоскость входного лазерного луча и плоскость линзы параллельны друг другу, то филаменты не будут организовываться в периодическую решетку. Это происходит потому, что, по мнению Беспалова и Таланова, высказанному еще в 1966 году [V.I. Bespalov, V.I. Talanov ((Filamentary structure of light beams in nonlinear liquids», JETP Letters, Volume 3, Issue 12, pp. 307-310 (1966)], множественная филаментация начинается случайным шумом в профиле входного луча. Так как шум по определению случайный, то картина должна быть различна от импульса к импульсу, т.е. количество локализаций филаментов непредсказуемо, и картина множественной филаментации (МФ картина) имеет случайный вид. Однако случайным характером множественной филаментации могут управлять детерминированные векторные (поляризационные) эффекты, обусловленные линейной поляризацией фемтосекундного лазерного излучения. Управлять картинами множественной филаментации можно, воздействуя на распределение либо интенсивности, либо фазы входного луча. Например, диафрагма, размещенная на пути луча, позволяет изменить начальный профиль луча и управлять числом, положением и последующим развитием множественной филаментации, создавая регулярные картины, показывающие периодическую организацию филаментов в виде геометрических фигур, о чем сообщали Z.Q. Нао et al. в 2007 году [Z.Q. Нао, J. Zhang, Т.Т. Xi, Х.Н. Yuan, Z.Y. Zheng, X. Lu, M.Y. Yu, Y.T. Li, Z.H. Wang, W. Zhao, Z.Y. Wei ((Optimization of multiple filamentation of femtosecond laser pulses in air using a pinhole», Optics Express, Vol. 15, Issue 24, pp. 16102-16109 (2007)]. Другой причиной, вызывающей воздействие на МФ картину, является астигматизм входного луча, который может привести к определенной МФ картине. Астигматизм входного луча может быть связан, например, с эллиптической (овальной) формой поперечного сечения луча, вызываемой наклонной (поворотной) установкой фокусирующей излучение линзы. Форма поперечного сечения лазерного пучка, анализируемая нами в геометрическом фокусе падающего на поверхность кристалла луча, показала, что пространственный профиль входного пучка был эллиптический с эксцентриситетом b/а=1,6. Если картина филаментации вызвана эллиптичностью входного пучка, то на основе формулы Е(x,y,t)=F(x/a+y/b, t) можно получить квадруполь одинаковых филаментов, локализованных при (±x, ±y), т.е. периодическую картину множественной филаментации или, иными словами, периодическую решетку из филаментов.
Создаваемая дифракционная решетка представляет собой встроенную в прозрачный материал объемную микроструктуру, состоящую из периодически расположенных каналов с увеличенным показателем преломления; в необлученных областях между каналами показатель преломления остается неизмененным. Каналы располагаются вдоль направления лазерного луча и представляют собой волноводы. Изменение показателя преломления обусловлено созданием центров окраски и других структурных разрушений в каналах, подвергшихся воздействию фемтосекундных лазерных импульсов. Чередование каналов и областей с неизмененным показателем преломления обусловлено тем, что лазерный луч в кристалле подвергается множественной филаментации, и при этом филаменты организуются в поперечной лучу плоскости в периодическую решетку. Число каналов зависит от различных параметров, в частности, от энергии импульсов. Период решетки зависит от угла поворота линзы.
2
2
2
-4
-3
Запись дифракционной решетки заявляемым устройством осуществляется следующим образом. Импульсы фемтосекундного лазера, сфокусированные линзой, направляются вглубь кристалла (в нашем случае - MgF) вдоль оптической оси кристалла. Параметры фемтосекундного лазера (в том числе его входная мощность) выбираются таким образом, чтобы произошла множественная филаментация, т.е. разбиение луча на множество филаментов. Фокусирующая линза имеет небольшой поворот относительно оси, вдоль которой распространяется лазерное излучение, обеспечивающий систематизацию филаментов в периодическую решетку. В зонах объединения филаментов создаются центры окраски. Среди них, например, F центры окраски. F центр представляет собой две смежные анионные вакансии, захватившие два электрона. Кроме этих центров создаются более сложные агрегатные центры окраски, светорассеивающие дефекты и другие структурные разрушения. Наличие всех этих структурных дефектов увеличивает показатель преломления в зонах кристалла, где проходили филаменты облучающего света, на величину Δn~10÷10. Данная величина характерна не только для фторидов щелочноземельных металлов, как указано в прототипе, но и для фторидов щелочных металлов, как указано, например, в работе [Ismael Chiarnenti, Francesca Bonfigli, Rosa Maria Montereali, and Hypolito Jose Kalinowski «Dimensions and refractive index estimates of deeply buried optical waveguides in lithium fluoride», Journal of Microwaves, Optoelectronics and Electromagnetic Applications, Vol. 13, №1, pp. 47-54 (2014)]. Следом за облученной зоной расположена необлученная зона с прежним показателем преломления. Таким образом, формируется дифракционная решетка, размеры зон которой составляют десятки микрон, как, например, показано на фиг. 2. Диаметр поперечного сечения лазерного луча на фиг. 2 около 150 мкм. Размер светящейся зоны дифракционной решетки составляет около 20 мкм. Исходная неоднородность в профиле фемтосекундного луча и большое число импульсов (~5000) вызывают небольшие флуктуации размеров облученных зон. Размерами зон можно управлять, изменяя углы поворота фокусирующей линзы.