Способ формирования трубчатого канального волновода и установка для его осуществления
METHOD OF FORMING TUBULAR CHANNEL WAVEGUIDE AND APPARATUS FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к оптическим волноводам, в частности, к трубчатым канальным волноводам, выполненным в составе оптического материала.
Известна техника формирования оптических структур в стеклах и кристаллах путем воздействия на них сфокусированным излучением фемтосекундных лазеров, в том числе формирования канальных волноводов [1-4].
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является способ формирования в образце оптического материала трубчатого канального волновода путем локального уменьшения показателя преломления материала в рабочей области перетяжки сфокусированного излучения фемтосекундного лазера, перемещаемой относительно образца по цилиндрической спирали, создаваемой эллиптическими относительными перемещениями образца в поперечном сечении волновода с осями Y-Z и продольным перемещением образца вдоль оси X волновода, причем, ось лазерного пучка лежит в плоскости Y-Z параллельно поперечной оси Z волновода, плотность энергии лазерного импульса в рабочей области перетяжки лазерного пучка превышает пороговое значение, при котором происходит изменение показателя преломления материала, и при этом скорость сканирования перетяжки такова, что области изменения показателя преломления, создаваемые последовательными лазерными импульсами, перекрываются [4].
Данный способ характеризуется асимметрией рабочей области перетяжки лазерного пучка, приводящей к неравностенности формируемой оболочки волновода. Для предотвращения этого вводят лазерное излучение в образец параллельно оси волновода [4, Fig 1 с)]. Однако при таком решении существенно ограничена длина волновода. В указанном источнике длина сформированного волновода составляет всего 4,7 мм.
Задачей настоящего изобретения является создание трубчатого канального волновода с равностенной оболочкой неограниченной длины при минимальных потерях передаваемой через волновод энергии.
Указанная задача решается за счет того, что в известном способе формирования в образце оптического материала оболочки трубчатого канального волновода путем локального уменьшения показателя преломления материала в рабочей области перетяжки сфокусированного излучения фемтосекундного лазера, перемещаемой относительно образца по цилиндрической спирали, создаваемой эллиптическими перемещениями
образца в поперечном сечении волновода с осями Y-Z и продольным перемещением образца вдоль оси X волновода, причем, ось лазерного пучка лежит в плоскости Y-Z параллельно поперечной оси Z волновода, плотность энергии лазерного импульса в рабочей области перетяжки лазерного пучка превышает пороговое значение, при котором происходит изменение показателя преломления материала, сечение перетяжки в плоскости Y-Z образуют путем асимметричной дефокусировки лазерного пучка в направлении узкой оси Y перетяжки до размера, необходимого для образования нужной толщины оболочки по всему ее периметру.
о
Y
Z
Y
Z
Предлагаемый способ может быть осуществлен на установке для формирования трубчатого канального волновода в образце оптического материала, содержащей источник фемтосекундного лазерного излучения, объектив с фокусным расстоянием F, столик для крепления образца оптического материала с возможностью продольной подвижки вдоль оси X и эллиптического сканирования образца в плоскости Z-Y, перед объективом введена цилиндрическая линза с фокусным расстоянием  где d - расстояние между главными плоскостями объектива и цилиндрической линзы, D - световой диаметр объектива, k=d/d, d - диаметр рабочей области перетяжки в направлении оси Y, d - диаметр рабочей области перетяжки в направлении оси Z.
Вместо цилиндрической линзы между источником лазерного излучения и объективом может быть введена щелевая диафрагма с щелью, параллельной оси X, при ширине щели  отстоящая от входного зрачка объектива не более, чем на , где λ - длина волны излучения лазера.
На Фиг. 1 показан принцип формирования рабочей области лазерного пучка с помощью цилиндрической линзы в продольном сечении Z-X (Фиг. 1а) и в поперечном сечении Z-Y (Фиг. 1б). Фиг. 2 иллюстрирует сечения траектории рабочей области в плоскости Z-Y при в отсутствии цилиндрической линзы (Фиг. 2а) и с цилиндрической линзой (Фиг. 2б). На Фиг. 3 представлены микрофотографии сформированного торца волновода (Фиг. 3а), записанного с цилиндрической линзой, и вида волновода сбоку (Фиг. 3б). На Фиг. 4 приведена схема установки для реализации способа путем асимметричной дефокусировки лазерного пучка с помощью цилиндрической линзы. Фиг. 5 иллюстрирует зависимость ширины рабочей области перетяжки от размера щелевой диафрагмы, ограничивающей входной пучок по оси X (Фиг. 5а) и по оси Y (Фиг. 5б).
X
Y
Z
Согласно Фиг. 1 или Фиг. 5 лазерный пучок концентрируется в рабочую область с габаритами d, d, d, в которой плотность энергии лазерного импульса в рабочей области
Y
Z
перетяжки лазерного пучка превышает пороговое значение, при котором происходит изменение показателя преломления материала. Рабочая область пучка при сканировании образца в плоскости Y-Z образует кольцевую зону в поперечном сечении волновода - неравностенную (Фиг. 2а) при отличающихся значениях d и d и равностенную при их близких значениях (Фиг. 2б). При одновременном продольном вдоль оси X перемещении образца оптического материала внутри него формируется спиральная траектория рабочей области лазерного пучка, вдоль которой образуется трубчатая оболочка волновода толщиной, определяемой габаритами рабочей области (Фиг. 3а и Фиг. 3б).
Установка для формирования волновода (Фиг. 4) содержит лазер 1, и оптическую систему 2, включающую цилиндрическую линзу 3 и объектив 4, в фокусе которой образуется рабочая область перетяжки лазерного пучка 5, расположенная в толще образца оптического материала 6. Рабочая область может совершать круговые движения относительно образца по траектории 7 в плоскости, перпендикулярной оси X путем соответствующих передвижений столика 8, на котором укреплен образец, имеющего возможность поперечного и продольного передвижений образца по трем координатам с помощью трехкоординатного трансляционного стола 9, управляемого программным устройством 10.
Для асимметричной дефокусировки лазерного пучка между лазером и объективом 4 может быть установлена щелевая диафрагма 11 (фиг. 5).
Оптический материал 6, например, активированный неодимом иттрий-алюминиевый гранат, устанавливают на столик 8 так, чтобы направление продольной подачи совпадало с намеченной осью X оптического волновода. Через полированную поверхность образца фокусируют излучение лазера 1 параллельно оси Z с помощью оптической системы 2. При этом рабочая область 5, образуемая перетяжкой сфокусированного лазерного пучка, размещается относительно образца так, чтобы при ее эллиптическом движении, обеспечиваемом трансляционным столом 9, траектория рабочей области совпадала с зоной оболочки волновода. При каждом излучении лазером фемтосекундного импульса в рабочей области лазерного пучка образуется участок оптического материала, отличающийся пониженным значением показателя преломления. Если при этом скорость сканирования перетяжки достаточно мала, так что области изменения показателя преломления, создаваемые отдельными лазерными импульсами, перекрываются, одновременная продольная подача образца 6 позволяет формировать трубчатую оболочку в форме цилиндрической спирали (Фиг. 3).
Толщина оболочки зависит от формы перетяжки 5 лазерного пучка. Обычно рабочая область перетяжки вытянута вдоль оси Z лазерного пучка, и при ее круговом
движении толщина оболочки получается разной в направлении осей Y и X (Фиг. 2а). В направлении оси Y оболочка может оказаться слишком тонкой, что приведет к потерям при передаче энергии по волноводу.
Согласно предлагаемому решению перетяжку лазерного пучка 1 расширяют вдоль оси Y путем его асимметричной дефокусировки, что обеспечивает требуемую равнотолщинность оболочки в ее поперечном сечении (Фиг. 2б). Дефокусировка обеспечивается с помощью цилиндрической линзы 3 (Фиг. 4), образующая которой параллельна оси X, или с помощью щелевой диафрагмы 11, ориентированной параллельно оси X (Фиг. 5).
z
z
Цилиндрическая линза вносит астигматизм в лазерный пучок, так что после объектива образуются две перетяжки, первая на дистанции фокусного расстояния объектива F, как и в отсутствии цилиндрической линзы, а вторая на расстоянии F. На фиг. 1 изображен пример для случая отрицательной цилиндрической линзы. В этом случае первая перетяжка является рабочей. Расстояние до второй перетяжки F может может быть вычислено в приближении геометрической оптики из соотношения: [5]
ц
где F - фокусное расстояние цилиндрической линзы (знаки в формуле (1) учитывают отрицательную оптическую силу цилиндрической линзы);
d - расстояние между главными плоскостями объектива и цилиндрической линзы в плоскости Z-Y.
Из (1) следует
Z
Z
Y
Расстояние F определяется необходимой степенью дефокусировки лазерного пучка для создания рабочей области с заданным соотношением габаритов d и d (фиг. 1).
Согласно построениям фиг. 1б)
o
где D - световой диаметр объектива, откуда
Y
Z
С учетом заданного проектного соотношения d=kd получается расчетная формула
Далее для фокусного расстояния (2) цилиндрической линзы находим:
Пример 1.
0
z
F=3,6 мм (определяется параметрами лазерного пучка и оптического материала); D=4.7 мм; d=50 мм; d=0,01 мм; 0,5≤k≤2.
Z
При этих данных согласно (5) 3,604 мм ≤ F ≤ 3,615 мм.
И в соответствии с (6)
4
173 мм ≤ F ≤ 1642 мм.
Y
Ограничение ширины пучка по оси Y щелевой диафрагмой также обеспечивает построение эллиптического сечения перетяжки пучка после фокусировки объективом, причем диаметр перетяжки по оси X такой же, что и при отсутствии щелевой диафрагмы, а диаметр перетяжки по оси Y d вычисляется по формуле для диаметра перетяжки Гауссова пучка в фокусе линзы с учетом уменьшения эффективного размера пучка перед объективом вдоль оси Y за счет действия щели [6]:
Y
где λ - длина волны излучения лазера, h - ширина щелевой диафрагмы, k - проектное соотношение для эллиптичности перетяжки, F - фокусное расстояние объектива.
h
Щелевая диафрагма должна быть установлена на расстоянии объектива d, не превышающем половину рэлеевской длины, чтобы дифракционная расходимость пучка увеличила ограниченный ею размер пучка на входе в объектив несущественно.
Пример 2.
Z
h
y
Y
h
F=3,6 мм; d=0,01 мм, d=30 мм, λ=1030 нм. При условии 0,5≤k≤2 ширина рабочей области вдоль оси Y должна быть в диапазоне 0,005<d<0,02. Далее в соответствии с (7) для ширины щели получаем 0,23 мм < h < 0,92 мм, при этом половина рэлеевской длины  что более чем d=30 мм.
Благодаря данному техническому решению оболочка волновода формируется более однородным инструментом рабочей области перетяжки лазерного пучка, эллиптичность которого определяется проектным соотношением k, чем обеспечивается высокий коэффициент передачи волновода при любой его длине. При этом габариты
рабочей области минимально необходимы и достаточны для создания требуемой оптической структуры.
Измеренный коэффициент пропускания волновода не превышает 1 Дб/см, что соответствует наилучшим достижениям в данной области.
Тем самым обеспечивается выполнение задачи изобретения - создание трубчатого канального волновода с равностенной оболочкой неограниченной длины при минимальных потерях передаваемой через волновод энергии.
Источники информации
1. Патент WO 2005040874. Laser inscription of optical structures in crystals. 06.05.05.
2. US Pat. 7,132,223. Laser-written cladding for waveguide formations in glass. 07.11 06.
3. US Pat. 10, 201,874. Method and apparatus for realizing tubular optical waveguides in glass by femtosecond laser direct writing. 02.12.19.
4. Gabriela Salamu, Florin Jipa, Marian Zamfirescu, and Nicolaie Pavel 1. Cladding waveguides realized in Nd:YAG ceramic by direct femtosecond-laser writing with a helical movement technique. Optical Materials Express, Vol. 4, No. 4. p. 792. - прототип.
5. Панов В.А., Кругер М.Я., Кулагин В.В. и др. Справочник конструктора оптико-механических приборов. Под общ. ред. В. А. Панова. - 3-е изд., перераб. и доп. - Л.: Машиностроение, 1980. - 742 с.
6. K. Moh, Y. Tan, Х.-С.Yuan, D. Low, and Z. Li, "Influence of diffraction by a rectangular aperture on the aspect ratio of femtosecond direct-write waveguides," Optics Express Vol. 13, 7288-7297 (2005).