Способ формирования оболочки волноводной структуры в прозрачном объемном материале и оболочка волноводной структуры
Изобретение относится к лазерной обработке материалов. Способ формирования оболочки оптической волноводной структуры в объеме прозрачного материала осуществляется сверхкороткими импульсами лазерного излучения, при котором импульсы лазерного излучения фокусируют в объем прозрачного материала. Частота следования импульсов и относительное перемещение материала и фокуса выбраны так, что в фокусе происходит локальный нагрев материала выше температуры плавления. Оболочка волноводной структуры образована расположенными на расстоянии друг от друга протяженными областями с измененным показателем преломления. Технический результат - формирование волноводной структуры с заданными характеристиками сердцевины. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к области лазерной обработки материалов, а именно к способам формирования оболочек оптических волноводных структур внутри прозрачного материала.
В последнее время получили широкое применение лазеры со сверхкороткими лазерными импульсами, так как сверхкороткие лазерные импульсы оказывают локальное воздействие на прозрачный материал лишь в области фокусировки, не повреждая, не воздействуя на окружающий материал. Известны способы изменения показателя преломления и способы формирования оптических элементов внутри объемного прозрачного материала.
Для формирования волноводной структуры внутри объемного прозрачного материала необходимо, чтобы коэффициент преломления оболочки волноводной структуры был меньше коэффициента преломления сердцевины волноводной структуры, по которой будет распространяться излучение.
Коэффициент преломления таких материалов, как кварцевое, алюмосиликатные или халькогенидные стекла, возрастает в области взаимодействия со сверхкоротким импульсом лазерного излучения. В таких материалах лазерными импульсами формируют саму сердцевину волноводной структуры, например, как в патенте США №5978538, патенте США №6977137, патенте США №6945078, патенте США №7921674. Сердцевина волновода в таких волноводах образована множеством переналоженных областей взаимодействия импульсов лазерного излучения с материалом. Из-за возможных в любой физической системе отклонений в энергии импульса, в положении фокуса, сердцевина волновода может быть неоднородной, что может привести к рассеянию энергии излучения, передаваемой по волноводу. При этом после формировании сердцевины волноводной структуры спектральные свойства материала, по которому преимущественно распространяется излучение, существенно изменяются, что ограничивает область использования таких волноводных структур, как показано в статьях Y. Bellouard et al., "Scanning thermal microscopy and Raman analysis of bulk fused silica exposed to low energy femtosecond laser pulses", Opt. Exp., Vol. 16, No. 24, p. 19520-19534 (2008) и Douglas J. Little et al. "Structural changes in BK7 glass upon exposure to femtosecond laser pulses", Journal of Raman Spectroscopy, 42, p. 715-718 (2011).
При взаимодействии со сверхкоротким импульсом лазерного излучения достаточной интенсивности коэффициент преломления некоторых материалов, таких как боросиликатные, фторидные и фосфатные стекла, уменьшается. В этом случае для получения волноводной структуры формируют лазерными импульсами оболочку волновода так, как показано, например, в патентах США №7132223, №6950591. При такой схеме формирования волновода сердцевина волноводной структуры остается нетронутой, что важно для качественной передачи сигнала. Подобный способ формирования элементов представлен в патенте США №8837534.
Задачей изобретения является разработка способа формирования оболочки оптической волноводной структуры в объеме прозрачного материала типа кварцевого стекла сверхкороткими импульсами лазерного излучения.
Способ формирования оболочки волноводной структуры сверхкороткими импульсами лазерного излучения в объеме прозрачного для излучения материала, при котором генерируют сверхкороткие импульсы лазерного излучения с выбранной частотой следования импульсов, фокусируют сверхкороткие импульсы лазерного излучения в зону оболочки волноводной структуры внутри материала, изменяют относительное положение фокуса и материала для получения образующего оболочку множества расположенных симметрично относительно оси волноводной структуры протяженных областей с измененным показателем преломления, энергия отдельного сверхкороткого импульса лазерного излучения такая, что нагрева материала до температуры плавления в фокусе не происходит, генерируют сверхкороткие лазерные импульсы с такой частотой следования импульсов и изменяют относительное положение фокуса и материала так, что в фокусе происходит локальный нагрев материала до температуры выше температуры плавления материала. При взаимодействии сверхкороткого импульса лазерного излучения с материалом происходит локальное изменение показателя преломления. Если даже отдельный импульс лазерного излучения не нагревает материал в фокусе выше температуры плавления, то при высокой частоте импульсов и небольшой скорости относительного перемещения образца и фокальной точки происходит нагрев материала в фокусе. Если частота следования импульсов и изменение относительного положения материала и фокальной точки такие, что в фокусе происходит локальный нагрев материала до температуры выше температуры плавления материала, то в случае материала типа кварцевого стекла показатель преломления в центре фокального пятна будет выше показателя преломления кварцевого стекла, а в области вокруг фокального пятна показатель преломления будет ниже показателя преломления кварцевого стекла. Это позволит сформировать оболочку волноводной структуры из областей с пониженным показателем преломления посредством последовательной записи участков оболочки. При использовании волноводной структуры оптическое излучение, распространяющееся по ней, будет отражаться от протяженной границы между неизменной центральной областью волноводной структуры (сердцевиной) и расположенной рядом с ней областью оболочки с пониженным показателем преломления.
Материал выбран из группы, содержащей кварцевое стекло, халькогенидное стекло, алюмосиликатное стекло, в любом поперченном оси волноводной структуры сечении центральная часть протяженных областей имеет коэффициент преломления выше, чем коэффициент преломления объемного материала, а периферийная часть протяженных областей имеет коэффициент преломления ниже, чем коэффициент преломления объемного материала. При обработке сверхкороткими импульсами с нагревом выше температуры плавления в фокусе коэффициент преломления в таких материалах, как кварцевое стекло, халькогенидное стекло, алюмосиликатное стекло, увеличится в области фокусировки и уменьшится в окружающей фокус области, что позволит сформировать оболочку волноводной структуры с пониженным показателем преломления на границе. Сердцевина этой волноводной структуры, окруженной сформированной оболочкой, будет из неизмененного материала с предсказуемыми характеристиками.
В любом поперечном оси волноводной структуры сечении расстояние между центрами двух соседних протяженных областей с измененными показателями преломления не превышает 20 мкм. При таком взаимном расположении протяженных областей с измененным показателем преломления оболочка с пониженным показателем преломления является непрерывной, так как показатель преломления на периферийной части протяженной структуры с внешней стороны каждой структуры увеличивается с расстоянием постепенно и плавно. Можно уменьшить количество формируемых структур при сохранении качества оболочки.
Сначала формируют протяженные области с измененным показателем преломления, расположенные дальше от источника лазерного излучения. Это необходимо для того, чтобы уже сформированные области с измененным показателем преломления не вносили искажений в фокусируемый пучок при формировании протяженных областей, располагаемых ближе к источнику лазерного излучения.
Оболочка волноводной структуры, сформированная в объеме прозрачного для лазерного излучения материала сверхкороткими импульсами лазерного излучения, содержащая множество протяженных областей с измененным показателем преломления, расположенных симметрично относительно оси волноводной структуры, материал выбран из группы, содержащей кварцевое стекло, алюмосиликатное стекло, халькогенидное стекло, каждая протяженная область содержит центральную осевую зону с показателем преломления выше показателя преломления необработанного материала и периферийную зону с показателем преломления ниже показателя преломления необработанного материала. Такая оболочка позволяет осуществлять передачу оптического излучения по сердцевине волноводной структуры с известными характеристиками в таких материалах, как кварцевое стекло, алюмосиликатное стекло, халькогенидное стекло. Нужно отметить, что волноводная структура может иметь изогнутую ось, что существенно для некоторых применений.
Расстояние от оси волноводной структуры до осей протяженных областей с измененным показателем преломления зависит от координаты вдоль оси волноводной структуры. Оболочка оптического волновода с изменяемым диаметром может являться основой для различных волноводных элементов, формируемых в объеме прозрачного материала, в том числе для элементов с переменной площадью поперечного сечения.
В любом поперечном сечении расстояние между центрами двух соседних областей с измененными показателями преломления не превышает 20 мкм. При таком расстоянии между центрами областей с измененным показателем преломления оболочка с низким показателем преломления является замкнутой в любом поперечном сечении за счет плавного постепенного увеличения показателя преломления в периферийной части оболочки, обращенной к сердцевине волноводной структуры.
Волноводная структура в объемном прозрачном материале, выбранном из группы, содержащей кварцевое стекло, алюмосиликатное стекло, халькогенидное стекло, волноводная структура содержит сердцевину из объемного прозрачного материла и оболочку, сформированную воздействием сверхкоротких импульсов лазерного излучения, оболочка способна удерживать излучение оптического диапазона внутри сердцевины за счет полного внутреннего отражения на границе сердцевины и оболочки, оболочка содержит множество протяженных областей с измененным показателем преломления, расположенных симметрично относительно оси волноводной структуры, каждая область с измененным показателем преломления состоит из центральной зоны с повышенным показателем преломления по отношению к необработанному материалу и окружающей центральную зоны с пониженным показателем преломления, расположенной между зоной с повышенным показателем преломления и необработанной областью сердцевины. Такая оптическая волноводная структура, сформированная в объемном материале, таком как кварцевое стекло, алюмосиликатное стекло, халькогенидное стекло, имеет предсказуемые характеристики, что существенно для большинства применений. Сердцевина окружена кольцом оболочки, состоящей из цилиндрических областей с повышенным показателем преломления, окруженных материалом с пониженным показателем преломления, формирующим оболочку волноводной структуры.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является формирование оболочки оптической волноводной структуры, позволяющей создать волноводную структуру с заданными характеристиками сердцевины в прозрачном материале типа кварцевого, халькогенидного, алюмосиликатного стекла.
На фиг. 1 изображена схема установки, реализующей предлагаемый способ формирования оболочки волноводной структуры в объеме прозрачного материала.
На фиг. 2 представлена типичная зависимость величины индуцированного показателя преломления от координаты в области с измененным показателем преломления.
На фиг. 3А представлена схема оболочки волноводной структуры.
На фиг. 3Б представлена микрофотография торца волноводной структуры.
На фиг. 4 представлен пример реализации волноводной структуры с оболочкой, сформированной в соответствии с предлагаемым техническим решением.
На фиг. 5 представлен пример реализации волноводной структуры с малым количеством областей с измененными показателями преломления
На фиг. 1. изображена схема установки для осуществления предлагаемого способа. Источник лазерного излучения со сверхкороткой длительностью импульса 1, система преобразования параметров лазерного излучения 2 (мощность, поляризация, длительность импульса, длина волны, частота следования импульсов), 3 - система зеркал, 4 - фокусирующая система, 5 - обрабатываемый образец из прозрачного материала, 6 - многокоординатная система позиционирования образца. В качестве источника лазерного излучения 1 использован фемтосекундный лазер с длительностью импульса 360 фс, длиной волны излучения 1040 нм, частотой следования импульсов 01-10 МГц. Система преобразования параметров лазерного излучения содержала призму Глана, фазовую пластинку λ/2 и телескоп, увеличивающий диаметр лазерного пучка в 3 раза. В качестве фокусирующей системы 4 были использованы объективы с числовой апертурой от 0,4 до 0,6.
При работе системы лазерное излучение от источника 1 через оптическую систему 2, систему зеркал 3 и систему фокусировки 4 фокусировали в выбранные положения в объемном прозрачном образце 5. Сначала формировали цилиндрическую область с измененным показателем преломления, расположенную дальше от источника излучения. Скорость перемещения образца 5 и частота следования импульсов были выбраны так, чтобы в области фокусировки образец 5 нагревался выше температуры плавления материала образца. При этом в каждом перпендикулярном оси цилиндрической области сечении прозрачного образца цилиндрическая область имела повышенный показатель преломления в центре, пониженный показатель преломления в области вокруг центра, неизмененный показатель преломления в остальной части образца, в том числе в области, предназначенной для распространения оптического излучения при работе устройства.
На фиг. 2 представлена типичная измеренная зависимость величины индуцированного показателя преломления от координаты в области с измененным показателем преломления. Ось X - расстояние от центра фокуса, ось У - изменения в показателе преломления. В центральной области показатель преломления существенно увеличен относительно неизмененного показателя преломления, характерный размер центральной части 7-5 мкм, зависит от энергии импульса лазерного излучения. В области, окружающей фокальную, величина изменения индуцированного показателя преломления отрицательна и плавно увеличивается с расстоянием от центра фокуса до нуля, что соответствует величине показателя преломления необработанного материала. Причем необходимо отметить, что для качественного отражения излучения достаточно, чтобы показатель преломления отличался от первоначального на 1×10-4.
На фиг. 3А показана схема оболочки волновода по предлагаемому способу. Области с неизмененным показателем преломления 7 расположены в сердцевине волноводной структуры и в окружающем структуру объеме. Области с пониженным показателем преломления 8 расположены на внешней и внутренней границах оболочки волноводной структуры, изображены белым. Области с повышенным показателем преломления 9 в глубине оболочки изображены темным цветом. Фотография торца волноводной структуры, изготовленной согласно предлагаемому способу, представлена на фиг. 3Б. Диаметр волноводной структуры примерно 50 мкм. Волноводная структура сформирована в объемном образце плавленого кварца. Расстояние между центрами соседних протяженных структур с измененными показателями преломления составляло 5 мкм.
На фиг. 4, 5 представлено приближенное распределение показателя преломления, основанное на экспериментальных данных, для волноводных структур с оболочками, сформированными в соответствии с предлагаемым техническим решением. На фиг. 4 оболочка волноводной структуры в плавленом кварце состоит из 12 симметрично расположенных областей с измененным показателем преломления. Геометрические размеры оболочки: внутренний диаметр - 12.5 мкм. Расстояние между осями областей с измененным показателем преломления - 5 мкм. На фиг. 5 оболочка сформирована четырьмя областями с измененным показателем преломления, расстояние между осями областей с измененным показателем преломления - 15 мкм. За счет постепенного увеличения показателя преломления в периферийных частях оболочки возможна такая реализация предлагаемого способа. Для полного отражения света, распространяющегося по волноводной структуре, достаточно, чтобы показатель преломления оболочки отличался от показателя преломления сердцевины на 1×10-4.
Предложенный метод позволит создавать различные волноводные элементы в различных материалах.
1. Способ формирования оболочки волноводной структуры сверхкороткими импульсами лазерного излучения в объеме прозрачного для излучения материала, при котором генерируют сверхкороткие импульсы лазерного излучения с выбранной частотой следования импульсов, фокусируют сверхкороткие импульсы лазерного излучения в зону оболочки волноводной структуры внутри материала, изменяют относительное положение фокуса и материала для получения образующего оболочку множества расположенных симметрично относительно оси волноводной структуры протяженных областей с измененным показателем преломления, энергия отдельного сверхкороткого импульса лазерного излучения такая, что нагрева материала до температуры плавления в фокусе не происходит, отличающийся тем, что генерируют сверхкороткие лазерные импульсы с такой частотой следования импульсов и изменяют относительное положение фокуса и материала так, что в фокусе происходит локальный нагрев материала до температуры выше температуры плавления материала.
2. Способ формирования оболочки волноводной структуры сверхкороткими импульсами лазерного излучения в объеме прозрачного для излучения материала по п. 1, отличающийся тем, что материал выбран из группы, содержащей кварцевое стекло, халькогенидное стекло, алюмосиликатное стекло, в любом поперченном сечении центральная часть протяженных областей имеет коэффициент преломления выше, чем коэффициент преломления объемного материала, а периферийная часть протяженных областей имеет коэффициент преломления ниже, чем коэффициент преломления объемного материала.
3. Способ формирования оболочки волноводной структуры сверхкороткими импульсами лазерного излучения в объеме прозрачного для излучения материала по п. 2, отличающийся тем, что в любом поперечном оси волноводной структуры сечении расстояние между центрами двух соседних протяженных областей с измененными показателями преломления не превышает 20 мкм.
4. Способ формирования оболочки волноводной структуры сверхкороткими импульсами лазерного излучения в объеме прозрачного для излучения материала по пп. 2, 3, отличающийся тем, что сначала формируют протяженные области с измененным показателем преломления, расположенные дальше от источника лазерного излучения.
5. Оболочка волноводной структуры, сформированная в объеме прозрачного для лазерного излучения материала сверхкороткими импульсами лазерного излучения, содержащая множество протяженных областей с измененным показателем преломления, расположенных симметрично относительно оси волноводной структуры, отличающаяся тем, что материал выбран из группы, содержащей кварцевое стекло, алюмосиликатное стекло, халькогенидное стекло, каждая протяженная область содержит центральную осевую зону с показателем преломления выше показателя преломления необработанного материала и периферийную зону с показателем преломления ниже показателя преломления необработанного материала.
6. Оболочка волноводной структуры по п. 5, отличающаяся тем, что расстояние от оси волноводной структуры до осей протяженных областей с измененным показателем преломления зависит от координаты вдоль оси волноводной структуры.
7. Оболочка волноводной структуры по п. 5, отличающаяся тем, что в любом поперечном сечении расстояние между центрами двух соседних областей с измененными показателями преломления не превышает 20 мкм.
8. Волноводная структура в объемном прозрачном материале, выбранном из группы, содержащей кварцевое стекло, алюмосиликатное стекло, халькогенидное стекло, волноводная структура содержит сердцевину из объемного прозрачного материла и оболочку, сформированную воздействием сверхкоротких импульсов лазерного излучения, оболочка способна удерживать излучение оптического диапазона внутри сердцевины за счет полного внутреннего отражения на границе сердцевины и оболочки, оболочка содержит множество протяженных областей с измененным показателем преломления, расположенных симметрично относительно оси волноводной структуры, отличающаяся тем, что каждая область с измененным показателем преломления состоит из центральной зоны с повышенным показателем преломления по отношению к необработанному материалу и окружающей центральную зоны с пониженным показателем преломления, расположенной между зоной с повышенным показателем преломления и необработанной областью сердцевины.
