用飞秒激光在石英玻璃体内写入光波导和光栅的研究

用飞秒激光在石英玻璃体内写入光波导和光栅的研究 高仁喜1,郑 杰2,曲士良1, 韩艳华1 1. 哈尔滨工业大学(威海)光电科学系,威海 264209; 2. 吉林大学电子科学与学院,集成光电子国家重点实验室,长春 130012 提要:用飞秒激光在石英玻璃写入了光波导和光栅等结构。飞秒激光辐射照形成波导效应时的折射率改变量为 0. 001至 0. 008。折射率 的改变量依赖于飞秒激光脉冲辐照的剂量和功率密度。通过 Raman光谱和 AFM 图像,研究了波导区的物质结构变化,并对飞秒激光写入过程 的物理机制进行了探讨。 关键词:导波光学;飞秒激光;光波导;光栅 中图分类号: TN252 文献标识码: A 文章编号:0253- 2743( 2008)04- 0012- 02 Photowritten waveguides and gratings inside the fused silica glasses by femtosecond laser pulses GAO Ren- xi1, ZHENG Jie2, QU Shi- l iang1, HAN Yan- hua1 1. Department of Opt ics and Electron Science, Harbin Institute of Technology at Weihai,Weihai, Shangdong 264209, China; 2. State Key Laboratory of Integrated Optoelectronics, College of Electronics Science and Engineering, Jilin University, Changchun 130012, China Abstract:Optical channel waveguides and gratingsw ere successfully written inside the fused silica glass by focusing femtosecond ( fs) pulse laser, respect ive- ly. The change of refractive index was determined to be 0. 001 to 0. 008 in the fused silica glass in waveguide regions. The refract ive index change is dependent on both the dose of irradiation and the power density of the f s laser pulses. According to the Raman spectra and AFM image of the irradiated region, the physical mechanism of the writ ing process was discussed. Key words: guided wave optics; femtosecond laser; optical waveguides; grat ings 收稿日期: 2008- 04- 05基金项目:国家自然科学基金( 批准号: 60577008, 60777038) ,哈尔滨 工业大学科技优秀团队支持项目。作者简介:高仁喜( 1976- ) ,男,讲师,博士。研究方向: 飞秒激光微 加工,集成光学,光波导器件研发。 众所周知, 锗掺杂二氧化硅玻璃在紫外( 240nm 波段附 近)具有较高的光致折变效应(折射率增量 $n U 10- 3112, 因 此用紫外激光可以在锗掺杂光纤和二氧化硅玻璃上直接写 入光纤光栅和光波导12,32。但是, 这种技术只能在特定波段 ( 5eV吸收带)的锗掺杂光纤或玻璃上才能有效实现, 所以具 有很大的局限性。1996年, 日本一个研究小组利用飞秒激光 脉冲与多种玻璃材料相互作用,均得到大于 10- 2的折射率增 量142,而作用后的辐照轨迹已被证明是与光纤的功能相似的 光波导152。显然,这种技术是利用高能量密度的超短激光脉 冲在玻璃中产生的非线性多光子吸收而引起的光致折变效 应,因而可以在各种玻璃或晶体中写入波导或其他光子器 件16, 72, 因此,具有广泛的应用前景。 显然,飞秒激光脉冲与物质相互作用使材料的性质发生 变化, 产生皮秒、飞秒激光脉冲所不能实现的效果。飞秒激 光脉冲与玻璃等无定形非晶态物质的作用已有许多报 道18, 92。飞秒激光脉冲的脉宽为 10- 15秒量级,热传导所用时 间在纳秒量级,所以热作用主要在焦点区域, 焦点区域外的 材料不会有影响,从而导致作用区与非作用区结构不同, 光 学上现为折射率 n 的不同1102, 飞秒激光与玻璃材料的相 互作用,导致折射率变化, 其作用机制111, 122,目前还处于探讨 之中, 初步认为有多光子吸收、自相位调整、自聚焦等效应 等。 在本文中, 研究了飞秒激光脉冲与石英玻璃的相互作 用,在不同的功率密度条件下, 在石英玻璃中分别制备出了 光波导和光栅等结构,并对其物理机制进行了讨论。 1 实验 实验所用的飞秒激光系统为美国光谱物理公司 3500 型 系列的飞秒激光器, 波长为 800nm, 脉宽 120fs, 重复频率 1KHz, 输出平均功率为 400mW。激光强度的改变可通过减光 板来实现,聚焦飞秒激光脉冲采用显微镜物镜( 10@ , NA: 0. 1 至0. 5)。各面抛光好的玻璃样品置于 XY 电动平台上, 样品 可以沿平行光轴方向运动或垂直光轴方向运动, 如图 1 所 示。激光焦点聚焦于样品中, 样品运动 (只有焦点处材料性 质才能发生变化) , 这样就做出一条由焦点扫描而形成的辐 照线来, 在作用过程中, 焦点处有等离子体形成,从而发出白 光。我们用He- Ne激光(波长为 632. 8nm)进行光耦合,显微 镜物镜聚光于作用线前端面处,观察到石英玻璃样品的飞秒 激光辐照线对光有束缚作用,即具有光波导效应。当激光功 率高于损伤阈值时, 制备了光栅结构, 测量了光栅的衍射效 率。为了研究作用微区域的结构和性质的变化,我们对辐照 线的端面进行 Raman 光谱和原子力显微镜( AFM )图像的测 量。 图 1 飞秒激光写入示意图 2 结果与讨论 在实验中 ,我们发现了飞秒激光与不同的玻璃作用时, 每一种玻璃均有自己的阈值, 低于阈值, 则材料性质不会引 起变化。在高于阈值(在焦点处) 时,随着脉冲功率的增大, 会导致不同的现象。如光致暗化,出现色心, 重熔现象, 光损 伤炸裂及出现空洞等现象111, 122。在石英玻璃中随着焦点附 近飞秒脉冲功率密度变大, 产生不同的作用效果, 即随功率 变大, 辐照区直径变大, 且形状由圆形变为不型, 功率在 10mW以下时横截面近似为圆形,而其直径大小与样品的移 动速率没有关系。此种情况为样品平行于光轴运动, 对于在 石英玻璃中所做的辐照线,由He- Ne激光器产生的632. 8nm 激光束,经过显微镜物镜耦合到辐照线的端面上, 我们观察 到了辐照线具有光波导效应的现象。图 2a为光在辐照线中 的侧面图(我们称为波导线) , 图 2b 为出射光线的远场分布 图。由于波导线的直径在10Lm 左右,传播模式为基模, 当直 径达到 30Lm 以上时, 可传播多模; 如 K. Mium 的报道152。由 数值孔径 NA= ( 2n* $n) 1/ 2, 我们计算了在石英玻璃中 折射率的增量 $n 为 0. 001 至 0. 008。飞秒激光的平均功率 大小、样品移动速率大小均与 $n 的数值有关。对石英玻璃, 发现 6mW为最佳值,当高于 15mW时则产生光损伤。在一定平 均功率的条件下,发现样品的移动速率在 30Lm/ s 至 40Lm/ s 左 右时效果最好。我们认为这取决于聚焦点处的光功率密度 分布情况和物质所受辐照剂量的多少有关, 在功率不变条件 12 高仁喜等: 用飞秒激光在石英玻璃体内写入光波导和光栅的研究 5激光杂志6 2008 年第 29卷第 4 期 LASER JOURNAL( Vol. 29. No. 4. 2008) 下,速率太慢时, 所受辐照剂量大则易产生光损伤, 速率太快 时,所受辐照剂量小, 物质性质的变化则小, $n 就小。 图 2 ( a)波导结构的侧面图, ( b ) 632. 8nm 的He- Ne 激光耦合到石 英玻璃辐照线的端面上所观察的远场分布 当飞秒激光功率再高时, 发现辐照区产生了光损伤, 没 有观察到光波导效应,此时, 辐照区折射率变小, 可以在此情 况下制备光栅结构。图3( a)为,在辐照功率为 20mW,移动速 率在 50Lm/ s, 样品垂直于飞秒激光光轴运动时, 形成的光栅 结构,光栅周期为 30Lm; 图 3( b)为光栅的衍射图样: 其中中 间最亮斑为零级衍射。根据光栅的衍射效率可计算出, 折射 率变化量 $n 约为- 0. 0001。此时, 折射率变化量绝对值要 比形成光波导时小, 对这一现象, 我们初步认为玻璃材料在 飞秒激光功率大于损伤阈值情况下作用时, 材料形成等离子 体后向周围区域挤压扩散, 飞秒激光作用完后, 等离子体冷 却重新形成玻璃态, 但材料密度变小, 导致辐照中心区材料 折射率变小,变化量与激光功率密度, 周围材料的密度有密 切关系,但向周围区域挤压扩散量有限,因此导致折射率变 化量较形成光波导时的折射率变化量要小: 对这一现象的具 体原因,我们将继续进行研究。 图 3 ( a)在石英玻璃中形成的光栅结构( b )光栅结构对 632. 8nm 的 He- Ne激光衍射图 对石英玻璃中波导线的横截面, 我们做了 Raman 光谱, 如图 4 所示, 辐照区( a曲线)与未辐照区 ( b 曲线)相比有变 化,但是变化不大。表现为辐照区的拉曼光谱在 605cm- 1处 无明显增强 ,这与 J. W Chen 等人1102)的报道有一定的差别, 数据结果显示飞秒脉冲辐照区和未辐照区的光谱图差别不 大,可能和所用玻璃材料以及实验条件不同有关, 对此现象 我们将进一步研究。 图 4 石英玻璃中波导线横截面的Raman光谱( a)未辐照区域, ( b)辐照区域 AFM显微镜观察了波导线的横截面,如图 5 所示。从中 可看到辐照区有明显的突起部分, 玻璃为作用后重新抛光, 突起部分为硬度大的部分,其密度比周围变大。在飞秒激光 与玻璃的作用过程中, 产生了等离子体,等离子体猝冷后又 成玻璃态,此过程相当于玻璃重熔过程。由于热效应只在焦 点的辐照区内,因而对周围未辐照区不会产生影响, 在一定 功率条件下,导致辐照区密度变大, 因而折射率变大, 此时具 有光波导效应。当功率密度较大时,则产生类似于微区爆炸 效果,辐照区物质被挤压到周围区域中心区域密度变小, 甚 至产生空洞192,导致材料的折射率减小。 图 5 石英玻璃中波导线横截面的AFM照片 4 结论 我们成功地用飞秒激光在石英玻璃中写入了光波导,通 过在一定的功率密度和样品移动速率下,发现在(物镜, NA= 0. 310@ )飞秒激光功率 5mW至 10mW,焦点移动速率 30Lm/ s 至 40Lm/ s 条件下,在石英中制备的光波导效果最好,其折射率增量 $n 约为0. 008;在( NA= 0. 12物镜 10@ )飞秒激光功率20mW, 焦 点移动速率50Lm/ s的条件下做出光栅结构, 通过光栅的衍射效 率可得材料的折射率变化量 $n 为- 0. 0001。通过 Raman 光谱 和 AFM图像研究了波导区的物质结构变化, 由 Raman 光谱 虽然并未发现明显的产生缺陷和色心的证据, 但是 AFM 图 像显示被辐照区材料密度的变化,肯定是导致折射率变化的 重要原因之一。由本文工作可以看出, 飞秒激光对玻璃等介 质材料的微加工技术的出现, 必将为新型光子器件, 尤其为 三维集成光路的制备提供崭新的技术手段。 参 考 文献 112 K. O.Hill, Y. Fujii , D. C. Johnson, et al. Photosensitivity in opt ical fiber waveguides: Applicat ion to ref lection filter fabricat ion1J2. Appl. Phys. Lett . , 1978, 32( 6) : 647- 649. 122 M. Svalgaard, C. V. Poulsen, A. Bjarklv, O. Poulsen. Direct UV writ ing of buried single mode channel waveguides in Ge- doped silica f ilms1J2. Electron. Lett . , 1994, 30 ( 17) : 1401- 1403 . 132 G. D. Maxwell, and B. J. Ainslie. Demonstration of a directly written directional coupler using UV- induce photosensitivity in planar silica waveguide1J2. Electron. Lett. , 1995, 31 ( 2) : 95- 96. 142 K.M.Davis,K.M iura, N. Sugimoto, and K. Hirao. Writ ing waveguides in glass with a femtosecond laser1J2. Opt. Lett . , 1996, 21(21) : 1729 - 1731. 152 K. Miura, Jianrong. Qiu, H. Inouye, T. Mitsuyu, K. Hirao. Pho- towritt en optical waveguides in various glasses with ult rashort pulse laser1J2. Appl . Phys. Let t. , 1997, 71( 23) : 3329- 3331. 162 Gao Renxi, Zhang Jiahua et al. Femtosecond Laser Induced Opt ical Waveguides and Micro- mirrors Inside Glasses1J2. Chinese Physics Letters, 2002, 19( 10) : 1424- 1426. 172 W. Watanabe, N. Yumiko, I. Kazuyoshi. Frabricat ion of mult imode interference waveguides in glass by use ora femtosecond laser1J2. Opt-i cal. Lett . , 2005, 30( 21) : 2888- 2890. 182 梁田,齐文宗.高功率飞秒激光与透明介质的相互作用及其应 用1J2.激光杂志. 2007, 28(5) : 1- 3. 192 E. N. Glezer and E. Mazur. Ultrafast- laser driven micro- explosions in transparent materials1J2. Appl. Phy. Lett . , 1997, 71( 7) : 882- 884. 1102 J. W. Chen, T. Huser, S. Risbud and D.M .Krol . Structural changes in fused silica after exposure to focuses femtosecond laser pulses1J2. Opt. Lett . , 2001, 26 ( 21) : 1726- 1728. 1112 周秦岭,刘丽英,徐雷等.飞秒激光辐照K9玻璃引起的暗化和 折射率变化1J2.中国激光, 2005, 32( 1) : 119~ 122. 1122 N. Fukata, Y. Yamamoto, K. Murakami, et al . In situ spectroscopic measurement of transmitted light related to defect formation in SiO2 during femtosecond laser irradiat ion1 J2. Appl. Phy. Lett . , 2003, 83 ( 17) : 3495- 3497. 13 高仁喜等: 用飞秒激光在石英玻璃体内写入光波导和光栅的研究 5激光杂志6 2008 年第 29卷第 4 期 LASER JOURNAL( Vol. 29. No. 4. 2008)