Способ просветления торцов активных Cr:ZnS волноводов на основе микроструктурирования поверхности
METHOD FOR ANTIREFLECTION OF ENDS OF ACTIVE Cr:ZnS WAVEGUIDES BASED ON SURFACE MICROSTRUCTURING

Средний инфракрасный диапазон (средний ИК-диапазон, от 2 до 10 мкм) является технологически важным спектральным интервалом для зондирования, визуализации и связи. В последние несколько лет наблюдается всплеск интереса к новым оптическим материалам среднего ИК-диапазона, а также к устройствам на их основе, отвечающим все возрастающим требованиям со стороны указанных приложений. Широкий спектр последних технологических достижений в этой области охватывает функции генерации, распространения, манипулирования и обнаружения света среднего ИК-диапазона в свободном пространстве, в также в оптоволоконных и планарных платформах. Сегодня в ведущих лабораториях мира активно разрабатываются новые материалы для среднего ИК-диапазона: лазерные кристаллы, полупроводники, стекла, плазмонные металлы, наноструктуры.
Однако оптические материалы, применяемые для создания компонентов оптики и фотоники среднего ИК-диапазона, как правило, имеют характерную особенность, связанную с высокими значениями показателя преломления, что приводит к значительными френелевским потерям на отражение на границе раздела материал-воздух. Последнее приводит к снижению энергетической эффективности отдельных компонентов оптики и фотоники среднего ИК-диапазона и ограничивает КПД систем в целом.
Традиционные покрытия, представляющие собой диэлектрические многослойные тонкие пленки, обладают существенными недостатками, связанными с узким спектральным диапазоном просветления, сильной зависимостью коэффициента пропускания от угла падения лучей, низкой лучевой прочностью, высокими требованиями к адгезии пленок к поверхности материалов, что является критическим ограничением применения таких покрытий в целом ряде случаев. В этой связи большую актуальность приобретает задача сверхширокополосного просветления поверхностей оптических материалов среднего ИК-диапазона, который бы снял вышеназванные ограничения.
Также сегодня активно развивается направление компактных волноводных лазеров среднего ИК-диапазона. В частности, из уровня техники известен волноводный Cr:ZnS -лазер [N. Tolstik, A. Okhrimchuk, М. Smayev, V. Likhov, Е. Sorokin, and I. Sorokina, "Single-mode depressed cladding buried waveguide laser based on single-crystal Cr:ZnS," in CLEO: Science and Innovations, (Optical Society of America, 2019), pp.STh1E-6.]. Оптический материал, применяемый для создания волноводного Cr:ZnS лазера, имеет характерную особенность, связанную со сравнительно высокими значениями показателя преломления, что приводит к значительными френелевским потерям на отражение на границе раздела материал-воздух, однако разработка способа широкополосно просветленных поверхностей торцев волноводов Cr:ZnS оставалось непреодолимой проблемой.
Из уровня техники известен патент CN104816099A. Изобретение раскрывает устройство для подготовки субволновой антиотражающей структуры. Устройство состоит из компьютерного модуля управления и лазерного устройства, компонента оптической передачи, компонента гальванометра, компонента системы фокусировки и платформы обработки, при этом компонент оптической передачи, компонент гальванометра и компонент системы фокусировки расположены последовательно вдоль светового пути лазера. Лазерное устройство управляется модулем компьютерного управления, действия компонента гальванометра и платформы обработки также контролируются модулем компьютерного управления, а на обрабатываемой поверхности подготавливается антиотражающая структура. Устройство для подготовки субволновой антиотражающей структуры, обеспечиваемое изобретением, имеет преимущества, заключающиеся в том, что устройство и процесс просты, подготовка пластины и маски не требуется, размер субволновой структуры можно точно контролировать, точность обработки меньше, чем размер элемента, эффективность подготовки высока, процесс подготовки может быть завершен за один этап, а источники лазерного света обладают высокой избирательной эффективностью и низкими затратами.
Авторами предлагается способ просветления торцов активных Cr:ZnS волноводов (Фиг. 1) на основе микроструктурирования поверхности, предназначенный для подавления отражения и рассеяния электромагнитных волн от поверхности торца активного Cr:ZnS волновода и, таким образом, увеличения пропускания электромагнитных волн через активный Cr:ZnS волновод. При этом электромагнитные волны имеют известные длины волн; в основе способа лежит процесс модификации плоской поверхности торца активного Cr:ZnS волновода с использованием прямой лазерной абляции (испарения) одиночными сверхкороткими импульсами лазерного излучения, в котором используется лазер сверхкоротких импульсов лазерного излучения, объектив для фокусировки сверхкоротких импульсов лазерного излучения относительно верхней границы подложки, позиционер, который перемещает подложку в трех координатах относительно точки фокусировки сверхкоротких импульсов лазерного излучения; процесс включает в себя: размещение активного Cr:ZnS волновода относительно точки фокусировки сверхкоротких импульсов лазерного излучения, где торец активного Cr:ZnS волновода непосредственно подвергается воздействию сверхкоротких импульсов лазерного излучения, причем сверхкороткие импульсы лазерного излучения воздействуют на поверхность торца активного Cr:ZnS волновода физически для удаления материала с поверхности торца активного Cr:ZnS волновода путем абляции (испарения), образуя углубление заданной глубины и формы, позиционер непрерывно перемещает торец активного Cr:ZnS волновода в соответствии с определенным алгоритмом, синхронизированным с частотой повторения сверхкоротких импульсов лазерного излучения, для образования отверстий с определенным периодом на плоской верхней поверхности подложки; при этом процесс использует один сверхкороткий импульс лазерного излучения для формирования каждого отдельного отверстия на подложке; при этом создаваемая микроструктура поверхности имеет определенное распределение расстояния между отверстиями и глубину отверстий, где расстояние между отверстиями меньше, чем самая короткая длина волны электромагнитных волн; при этом глубина структуры в несколько раз больше чем самая короткая длина волны электромагнитных волн; при этом эффективный показатель преломления микроструктуры поверхности обычно монотонно возрастает от окружающей среды к подложке материала; причем для электромагнитных волн, падающих на поверхность подложки под углами в диапазоне от 0 до 40 градусов, потери при пропускании электромагнитных волн из-за отражения от микроструктуры рельефа поверхности составляют менее 1%.
Способ отличается от аналога тем, что позволяет создать не субволновые микроструктуры, а углубления с большей глубиной, чем одна четвертая длины волны излучения. Способ, представленный в аналоге изобретения, позволяет сделать просветление только на одну длину волны, а предлагаемый авторами способ предназначен для просветления в широком спектральном диапазоне (от 2 до 10 мкм). Также в аналоге используется гальваносканер, что огранивает ограничивает область нанесения микроструктуры. В предлагаемом авторами способе такого ограничения нет, так как используется нанопозиционер на воздушной подушке.
Перечень фигур
Фиг. 1 - способ просветления торцов активных Cr:ZnS волноводов на основе микроструктурирования поверхности.