本發(fā)明屬于集成光子學(xué)器件制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種摻鈦藍(lán)寶石晶體波導(dǎo)型分束器件的制備方法。

背景技術(shù)：

鈦寶石晶體(摻鈦藍(lán)寶石晶體)屬六角晶系，具有很好的穩(wěn)定性，較高的熱導(dǎo)率以及很高的硬度，其熒光光譜覆蓋600納米至1100納米的紅光到近紅外波段，是迄今為止調(diào)諧范圍最寬的固體激光介質(zhì)材料。鈦寶石晶體良好的物理與光學(xué)性質(zhì)使其成為優(yōu)良的寬頻帶熒光光源和最常用的可調(diào)諧激光晶體，是用于高功率、可調(diào)諧激光器最重要的增益介質(zhì)材料之一，在光通信、醫(yī)療、軍事以及科研等領(lǐng)域具有非常廣泛應(yīng)用。

光波導(dǎo)是由低折射率的介質(zhì)包圍起來的高折射率介質(zhì)區(qū)域。由于全反射原理，光波導(dǎo)能夠?qū)⒐獠ㄏ拗圃谖⒚?、乃至納米量級(jí)的尺寸內(nèi)，進(jìn)而對(duì)其傳輸方向進(jìn)行調(diào)控。光波導(dǎo)具有集成度高、穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)，是集成光路的基本元件，能夠?qū)崿F(xiàn)同一襯底材料上不同波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的集成，或波導(dǎo)與其他光學(xué)元件、光學(xué)結(jié)構(gòu)的集成，獲得功能強(qiáng)大的集成光子芯片、集成光流變芯片等。同時(shí)，基于不同功能光學(xué)材料的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)微型化的、多功能的有源光波導(dǎo)器件，如激光晶體中的光波導(dǎo)可用作波導(dǎo)激光器，非線性光學(xué)晶體中的光波導(dǎo)可用作波導(dǎo)頻率轉(zhuǎn)換器等。由于波導(dǎo)內(nèi)具有較高的光密度，與體材料相比，相應(yīng)波導(dǎo)器件某些功能能夠得到一定程度的加強(qiáng)，如激光泵浦閾值降低，非線性效應(yīng)增強(qiáng)等。

迄今為止，人們已經(jīng)嘗試用多種方法在鈦寶石晶體中制備光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)：包括離子注入、熱擴(kuò)散以及脈沖激光沉積等傳統(tǒng)光波導(dǎo)制備法。例如：P.D.Townsend等人以及L.D.Morpeth等人分別利用離子束注入方法制備了平面光波導(dǎo)[Electron.Lett.26,1193(1990)][Appl.Phys.Lett.76,424(2000)]；A.A.Anderson等人、R.P.Willmott等人以及P.E.Dyer等人利用脈沖激光沉積方法制備了平面光波導(dǎo)[Thin Solid Films300,68(1997)][Opt.Lett.24,1581(1999)][Appl.Surf.Sci.96-98,849(1996)]；L.M.B.Hickey等人利用Ti³⁺沉積等方法制備了平面光波導(dǎo)。上述傳統(tǒng)方法只能直接制備平面光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)僅在垂直方向上限制光的傳輸，在水平方向上仍存在散射。如果要利用這些方法制備條形光波導(dǎo)(垂直、水平兩個(gè)方向限制光傳輸)，則需要結(jié)合其他的微加工技術(shù)(光刻技術(shù)、離子束刻蝕技術(shù)、濕法刻蝕技術(shù)等)，如A.Crunteanu等人以及T.Bhutta等人分別利用離子束刻蝕的方法將平面光波導(dǎo)刻蝕為脊形光波導(dǎo)[Appl.Phys.B 75,15–17(2002)][IEEE J.Quantum Electron.QE-37,1469(2001)]；D.Xie等人利用化學(xué)腐蝕的方法將平面光波導(dǎo)腐蝕成脊形結(jié)構(gòu)[J.Phys.D:Appl.Phys.31,1647(1998)]。這些條形波導(dǎo)制備過程復(fù)雜、波導(dǎo)形貌難以精確控制，還需輔以超凈環(huán)境。超快激光微加工技術(shù)可以有效地克服傳統(tǒng)方法的諸多缺點(diǎn)。

盡管超快激光微加工技術(shù)是一項(xiàng)較為成熟的材料微加工技術(shù)，迄今為止僅有少量關(guān)于超快激光寫入鈦寶石晶體光波導(dǎo)的研究：V.Apostolopoulos等人利用飛秒激光寫入技術(shù)在鈦寶石晶體中寫入了單線型的二類光波導(dǎo)[Appl.Phys.Lett.85(7),1122-1124(2004)]；C.Grivas等人則在鈦寶石晶體中寫入了雙線型的二類光波導(dǎo)[Opt.Lett.37(22),4630-4632(2012)]。然而，上述光波導(dǎo)只能限制單一偏振的光傳輸，極大限制了其應(yīng)用。利用超快激光微加工技術(shù)制備包層結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)是解決上述問題的有效途徑之一。

目前尚未有關(guān)于利用超快激光在鈦寶石晶體中制備波導(dǎo)型分束器件的報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述不足，本發(fā)明提供一種鈦寶石晶體波導(dǎo)型分束器件的制備方法。與傳統(tǒng)的波導(dǎo)制備方法相比，超快激光微加工技術(shù)制備光波導(dǎo)過程簡單、快速且無需超凈環(huán)境；波導(dǎo)穩(wěn)定性高，光學(xué)性能好；寫入?yún)^(qū)的折射率改變及波導(dǎo)模式可通過調(diào)控寫入?yún)?shù)來進(jìn)行控制；波導(dǎo)端面的尺寸、分束角度也可以通過調(diào)控寫入位置以及偏折角度來精確控制，具有極高的可控性與可操作性。

現(xiàn)有的飛秒激光寫入制備激光分束器的方法通常用于具有無定形結(jié)構(gòu)的玻璃材料中，在制備過程中寫入蹤跡處折射率升高形成波導(dǎo)區(qū)。然而，在晶體材料中制備這種結(jié)構(gòu)較為困難，這是由于晶體本身具有完善的晶格結(jié)構(gòu)，在激光寫入時(shí)不可避免地會(huì)引起晶格破壞，導(dǎo)致折射率降低。為了克服上述問題，本發(fā)明通過在鈦寶石晶體某一晶面的不同位置重復(fù)寫入蹤跡組成分支型包層結(jié)構(gòu)，使鈦寶石晶體纖芯獲得較包層更高的折射率，實(shí)現(xiàn)了Y型分支光通道的構(gòu)建，研究結(jié)果表明：采用本發(fā)明制備的鈦寶石晶體波導(dǎo)型分束器件具有極高的可控性與可操作性。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種鈦寶石晶體波導(dǎo)型分束器件的制備方法，包括：

選取鈦寶石晶體作為基底材料；

在所述鈦寶石晶體某一晶面的不同位置重復(fù)寫入蹤跡組成分支型包層結(jié)構(gòu)，即得波導(dǎo)分束器。

優(yōu)選的，所述鈦寶石晶體中Ti₂O₃的濃度為0.15wt.％，晶體切割尺寸為10(a)×2(b)×5(c)立方毫米。

優(yōu)選的，所述寫入方法為飛秒激光寫入法。

優(yōu)選的，所述寫入的具體步驟為：將飛秒激光透過晶體任一10×5平方毫米表面聚焦于晶體內(nèi)部，在晶體表面以下沿a軸進(jìn)行燒灼(即激光寫入)，特定長度后將寫入蹤跡進(jìn)行一定角度的偏折，在不同位置重復(fù)寫入，寫入蹤跡組成分支型包層結(jié)構(gòu)，形成波導(dǎo)分束器。

優(yōu)選的，所述飛秒激光的波長為795納米、脈沖重復(fù)頻率為1千赫茲、脈沖寬度為120飛秒、寫入速度為400～600微米/秒，樣品表面處的激光脈沖能量為1.2微焦。

優(yōu)選的，所述波導(dǎo)分束器上相鄰兩條寫入蹤跡間的距離為2～5微米，分束器中心位于晶體表面下200～500微米處。

本發(fā)明還提供了任一上述的方法制備的波導(dǎo)分束器。

本發(fā)明還提供了一種分束型波導(dǎo)熒光器件，包括：任一上述的波導(dǎo)分束器，所述波導(dǎo)分束器的入射端設(shè)置有激光諧振腔。

本發(fā)明還提供了一種分束型波導(dǎo)激光器件，包括：任一上述的波導(dǎo)分束器，所述波導(dǎo)分束器的兩個(gè)端面分別設(shè)置有激光諧振腔。

本發(fā)明還提供了上述的波導(dǎo)分束器、分束型波導(dǎo)熒光器件、分束型波導(dǎo)激光器件在光通信、醫(yī)療、軍事領(lǐng)域的應(yīng)用。

本發(fā)明的有益效果

(1)與傳統(tǒng)的波導(dǎo)制備方法相比，超快激光微加工技術(shù)制備光波導(dǎo)過程簡單、快速且無需超凈環(huán)境；波導(dǎo)穩(wěn)定性高，光學(xué)性能好；寫入?yún)^(qū)的折射率改變及波導(dǎo)模式可通過調(diào)控寫入?yún)?shù)來進(jìn)行控制；波導(dǎo)端面的尺寸、分束角度也可以通過調(diào)控寫入位置以及偏折角度來精確控制，具有極高的可控性與可操作性。

(2)本發(fā)明制備方法簡單、實(shí)用性強(qiáng)，易于推廣。

附圖說明

圖1為本發(fā)明制備鈦寶石晶體波導(dǎo)型分束器件的工藝流程圖；

圖2為超快激光寫入鈦寶石晶體波導(dǎo)型分束器件的制作工藝示意(晶體bc面，入射端)；

圖3為超快激光寫入鈦寶石晶體波導(dǎo)型分束器件的制作工藝示意(晶體bc面，出射端)；

圖4為超快激光寫入鈦寶石晶體波導(dǎo)型分束器件的制作工藝示意(晶體ac面)；

圖5為鈦寶石晶體波導(dǎo)型分束器件的分束功能實(shí)現(xiàn)過程示意圖(晶體ac面)；

圖6為鈦寶石晶體波導(dǎo)型分束器件的熒光產(chǎn)生過程示意圖(晶體ac面)；

圖7為鈦寶石晶體波導(dǎo)型分束器件的激光產(chǎn)生過程示意圖(晶體ac面)。

其中：1.聚焦物鏡，2.飛秒激光，3.鈦寶石晶體,4.分束器，5.激光寫入蹤跡，6.入射端凸透鏡，7.出射端凸透鏡，8.入射光，9.出射光，10.泵浦光，11.出射熒光，12.入射端激光諧振腔鏡，13.出射端激光諧振腔鏡，14.出射波導(dǎo)激光。

具體實(shí)施方式

以下通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明特征及其它相關(guān)特征作進(jìn)一步詳細(xì)說明，以便于同行業(yè)技術(shù)人員的理解：

實(shí)施例1：

在鈦寶石晶體內(nèi)制備波導(dǎo)型分束器的方法，制備方法如下：

1)對(duì)鈦寶石晶體(3)進(jìn)行切割，尺寸為10(a)×2(b)×5(c)立方毫米，然后對(duì)晶體6個(gè)面進(jìn)行光學(xué)拋光，并清洗拋光后的樣品表面；

2)利用物鏡(1)將飛秒激光(2)透過任一10(a)毫米×2(b)毫米的拋光面聚焦于晶體中，沿晶體的a軸方向進(jìn)行灼燒(寫入)，寫入蹤跡(5)長度為3mm時(shí)進(jìn)行一定角度的偏折，繼續(xù)寫入至樣品末端。重復(fù)寫入多條蹤跡組成Y型分支形包層結(jié)構(gòu)。每個(gè)分支截面積為原截面積的1/2。采用的飛秒激光的波長為795納米、脈沖重復(fù)頻率為1千赫茲、脈沖寬度為120飛秒、寫入速度為500微米/秒、樣品表面處的激光脈沖能量為1.2微焦，相鄰兩條寫入蹤跡間的距離為3微米。分束器中心位于晶體表面下500微米處，入射端為100微米×50微米的長方形，兩出射端均為50微米×50微米的正方形，兩分支之間的角度(分束角)為1度；

3)將晶體垂直于分束器的兩個(gè)端面(2(b)毫米×5(c)毫米)再次拋光清洗；

4)將可見光至近紅外波段的任意波長的激光(8)耦合入射端進(jìn)入分束器，可在出射端獲得兩束激光(9)同時(shí)輸出(波長不發(fā)生改變)，實(shí)現(xiàn)激光分束；

5)在分束器入射端面上加激光諧振腔鏡(12)，使波長為532納米的激光透過率為99.9％，波段為600納米至1100納米的光透過率低于0.01％，利用波長為532納米的激光(10)對(duì)鈦寶石晶體波導(dǎo)型分束器進(jìn)行泵浦，可輸出600納米至1100納米的寬波段熒光(11)。

6)在分束器入射端面上加激光諧振腔鏡(12)，使波長為532納米的激光透過率為99.9％，波段為600納米至1100納米的光透過率低于0.01％；在分束器出射端面上加激光諧振腔鏡(13)，使波長為532納米的激光透過率低于0.01％，波段為600納米至1100納米的光部分反射。利用波長為532納米的激光(10)對(duì)鈦寶石晶體波導(dǎo)分束器進(jìn)行泵浦，可輸出波段600納米至1100納米的可調(diào)諧激光(14)。

實(shí)施例2：

在鈦寶石晶體內(nèi)制備波導(dǎo)型分束器的方法，制備方法如下：

1)對(duì)鈦寶石晶體(3)進(jìn)行切割，尺寸為10(a)×2(b)×5(c)立方毫米，然后對(duì)晶體6個(gè)面進(jìn)行光學(xué)拋光，并清洗拋光后的樣品表面；

2)利用物鏡(1)將飛秒激光(2)透過任一10(a)毫米×2(b)毫米的拋光面聚焦于晶體中，沿晶體的a軸方向進(jìn)行灼燒(寫入)，寫入蹤跡(5)長度為3mm時(shí)進(jìn)行一定角度的偏折，繼續(xù)寫入至樣品末端。重復(fù)寫入多條蹤跡組成Y型分支形包層結(jié)構(gòu)。每個(gè)分支截面積為原截面積的1/2。采用的飛秒激光的波長為795納米、脈沖重復(fù)頻率為1千赫茲、脈沖寬度為120飛秒、寫入速度為500微米/秒、樣品表面處的激光脈沖能量為1.2微焦，相鄰兩條寫入蹤跡間的距離為3微米。分束器中心位于晶體表面下500微米處，入射端為60微米×30微米的長方形，兩出射端均為30微米×30微米的正方形，兩分支之間的角度(分束角)為0.5度；

3)將晶體垂直于分束器的兩個(gè)端面(2(b)毫米×5(c)毫米)再次拋光清洗；

4)將可見光至近紅外波段的任意波長的激光(8)耦合入射端進(jìn)入分束器，可在出射端獲得兩束激光(9)同時(shí)輸出(波長不發(fā)生改變)，實(shí)現(xiàn)激光分束；

5)在分束器入射端面上加激光諧振腔鏡(12)，使波長為532納米的激光透過率為99.9％，波段為600納米至1100納米的光透過率低于0.01％，利用波長為532納米的激光(10)對(duì)鈦寶石晶體波導(dǎo)型分束器進(jìn)行泵浦，可輸出600納米至1100納米的寬波段熒光(11)。

6)在分束器入射端面上加激光諧振腔鏡(12)，使波長為532納米的激光透過率為99.9％，波段為600納米至1100納米的光透過率低于0.01％；在分束器出射端面上加激光諧振腔鏡(13)，使波長為532納米的激光透過率低于0.01％，波段為600納米至1100納米的光部分反射。利用波長為532納米的激光(10)對(duì)鈦寶石晶體波導(dǎo)分束器進(jìn)行泵浦，可輸出波段600納米至1100納米的可調(diào)諧激光(14)。

最后應(yīng)該說明的是，以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，其依然可以對(duì)前述實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分進(jìn)行等同替換。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。