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文献分享-飞秒贝塞尔光束直写助力光子晶体快速制备

来源：上海如海光电科技有限公司分类：前瞻 2024-01-17 12:00:06 39阅读次数

研究背景

Science Technology

光子晶体是一种在光学尺度上具有周期性介电结构的材料，可以产生被称为光子带隙的“禁止”频率。通过对材料内部结构进行设计和制备，可以实现不同的禁止频率，使人们操纵和控制光子成为可能。基于这种特性，光子晶体被广泛应用于新型光电器件集成、光通信及传感检测等领域。

飞秒激光由于超短的脉冲宽度和超高的峰值功率，理论上可以对任意材料进行加工，精度高、热影响小，使其成为一种极具潜力的微结构制备手段。目前，已有许多研究团队成功利用飞秒激光在铌酸锂晶体的表面及内部进行沟槽、波导等微结构的制备，但是受限于传统飞秒高斯光束极短的瑞利长度，以飞秒激光直写获得铌酸锂晶体高深径比微孔结构仍是一个挑战。

使用如海光光电的光纤光谱仪对微孔阵列的透射光谱进行测量，分析机制原理并提高了加工工艺，成功实现了大面积、高深径比微孔阵列的一步制备,对未来铌酸锂光子晶体器件的制备具有重要的指导意义过性。

一、实验过程

图1是飞秒贝塞尔光束光子晶体结构直写装置架构。激光器输出的原始高斯光束通过扩束镜后平行入射至底角为2°的锥透镜产生第一区贝塞尔光束。通过聚焦镜对光束进行空间尺度压缩，整形后最终输出的贝塞尔光束直径约为2 μm。

图1飞秒贝塞尔光束直写装置架构图(LN :铌酸锂)

如图2所示，通过控制激光重复频率及平台移动速度，在无间歇动态扫描过程中实现飞秒激光单脉冲连续加工,一步完成微孔阵列的制备。

图2微孔阵列制备示意图

三、研究内容

随着激光平均功率的增加，微孔的入口径向尺寸、平均直径及深度均增大，这说明了激光工艺参数对微孔形貌的可控性。如图3所示，通过调节飞秒贝塞尔光束与样品的相对位置（从0μm至200μm）可以有效延长微孔深度，并有选择地调控微孔形成区域。值得注意的是，光束和样品相对位置的改变并不会对微孔孔径造成影响，展现出贝塞尔光束对微孔孔径与孔深具有强大的解耦能力，有利于实现材料内部各种形貌、尺寸微孔结构的制备。

图3贝塞尔光束焦点区域和材料的相对位置对微孔形貌的影响

图4 (a)、(b)是在铌酸锂晶体内部制备了间隔为4 μm，孔径为715 nm，深径比约为700∶1的微通孔阵列。如图4 (c)所示，采用波长范围为400~1100 nm的线偏振光分别从原始铌酸锂晶体端面和已制备微孔阵列的光子晶体端面沿垂直于微孔阵列的方向入射，使用光学显微镜从不同样品的另一端面观察出光情况。图4(d)所示为显微镜观察到的出光现象。图4(e)为测量得到的晶体样品的透射光谱，可见，制备有光子晶体微孔阵列的样品呈现出明亮的蓝绿色(光谱测量显示该波段范围为450~510 nm )，而没有制备微孔结构的原始样品则呈现出与入射光相近但较暗的颜色。光子晶体样品所呈现的蓝绿色则说明微孔阵列对450~510 nm波段范围内的光具有选择透过性,证实了所制备光子晶体的良好滤波特性。