基于柱透镜和飞秒激光制备体布拉格光栅的装置及方法

本发明涉及光学器件制造领域，涉及但不限定于一种基于柱透镜和飞秒激光制备体布拉格光栅的装置及方法。

背景技术：

1、在新型集成光学元件的制备方面，近年来利用飞秒激光加工体布拉格光栅技术受到广泛的关注。传统加工中，体布拉格光栅是通过紫外光的曝光作用，引起包含一些特殊成分的光敏玻璃的折射率的永久性改变，从而在玻璃浅表层区域形成具有周期特征的折射率分布。但这种方法只限在光敏玻璃中制备体布拉格光栅，若想制造具有周期性变化的啁啾布拉格光栅很大，并且需要后继热处理，因此加工步骤繁琐、受限较多，所以目前越来越多的研究聚焦在使用飞秒激光进行空间选择性地体布拉格光栅加工，可以通过位移平台自由选择体布拉格光栅的加工周期。但对于大面积结构的制备仍然存在加工效率不够高等弊端，在传统的直写曝光方式中，通过调控单束高斯型飞秒脉冲的激光参数对加工效率的提高十分有限。而对于体布拉格光栅这种对于空间一致性具有极高要求的光学器件，使用传统单脉冲高斯飞秒激光在空间上进行三维加工，其所加工出来结构的空间一致性高度依赖于位移平台的重复定位精度，现在市场上常见的位移平台还难以实现在三维空间上纳米级别的重复定位性能，所以飞秒激光加工体布拉格光栅目前还存在很大的技术缺点。并且在飞秒激光加工光路中，所需要使用的加工物镜的加工高昂，并且容易损坏，在飞秒激光加工体布拉格光栅产业化上也是一个重要的阻碍。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明实施例提供一种基于柱透镜和飞秒激光制备体布拉格光栅的装置及方法。

2、本发明实施例的技术方案是这样实现的：

3、第一方面，本发明实施例提供一种基于柱透镜和飞秒激光制备体布拉格光栅的装置，包括：

4、飞秒激光器，延激光的发射光路依次设置的两个平凸透镜、可变中性密度滤光片、电控快门、两个反射镜、ccd相机、二向色镜、在聚焦面内能单方向聚焦的平凸柱面透镜、三维位移平台、汞灯；其中，所述两个平凸透镜组合用于将高斯单脉冲光斑整形为适合加工的光斑尺寸；所述可变中性密度滤光片用于控制飞秒激光加工过程中所需要的脉冲能量；所述三维位移平台上设有样品并与控制单元通信连接，用于控制所述样品的移动；所述ccd相机与所述三维位移平台结合用于将所述平凸柱面透镜聚焦飞秒激光的线形焦斑聚焦在所述样品的底面，获得二维折射率改变面；通过所述三维位移平台周期性排列所述二维折射率改变面，制造出具有特定周期的体布拉格光栅。

5、在一些可能的实施例中，所述汞灯设于所述三维位移平台的下方，用于提供照明光并控制所述电控快门来控制激光辐照时间，以此控制飞秒激光脉冲数。

6、在一些可能的实施例中，所述体布拉格光栅的尺寸有x、y、z三个方向维度，x方向的尺寸表征所述体布拉格光栅的周期；y方向的尺寸表征所述二维折射率改变面的大小；z方向的尺寸表征所述体布拉格光栅的厚度。

7、在一些可能的实施例中，通过控制所述三维位移平台所周期性排列的二维折射率改变面的个数，控制所述体布拉格光栅的周期。

8、在一些可能的实施例中，通过改变所述两个平凸透镜整形的光斑尺寸以及所述平凸柱面透镜的尺寸，控制所述二维折射率改变面的大小；其中，所述平凸柱面透镜的尺寸与所述两个平凸透镜整形的光斑尺寸成比例关系。

9、在一些可能的实施例中，通过控制飞秒激光脉冲数和脉冲能量，来控制所述体布拉格光栅的厚度。

10、第二方面，本发明实施例提供一种基于柱透镜和飞秒激光制备体布拉格光栅的方法，包括：

11、使用飞秒激光器产生1030nm、300fs水平偏振的高斯飞秒激光单脉冲，经由两个平凸透镜将高斯单脉冲光斑整形为适合加工的光斑尺寸；将整形后的高斯飞秒激光通过可变中性密度滤光片，通过转动所述可变中性密度滤光片控制飞秒激光加工过程中所需要的脉冲能量；将调整好脉冲能量的飞秒激光，通过电控快门、两个反射镜、二向色镜、平凸柱面透镜聚焦在处于三维位移平台上的样品上；通过所述三维位移平台和ccd相机将所述平凸柱面透镜聚焦飞秒激光的线形焦斑聚焦在所述样品的底面，获得二维折射率改变面；通过所述三维位移平台周期性排列所述二维折射率改变面，制造出特定周期的体布拉格光栅。

12、本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

13、在本发明实施例中，使用平凸柱面透镜对飞秒激光进行聚焦，可以形成一个线型聚焦光斑，当这种线型光斑与激光成丝效应结合时，可以在材料内部产生一个面状聚焦光斑。通过面状聚焦光斑可以在不移动加工平台的情况下，加工出具有二维折射率变化的面。通过高精度三维位移平台，可以周期性地排列这些二维折射率改变面，从而形成具有周期性的体布拉格光栅结构。本发明具有更灵活的加工步骤，大大提高了超快激光加工体布拉格光栅的加工效率，不需要进行扫描与堆叠加工，减小体布拉格光栅的周期一致性对于位移平台精度的依赖，可以任意调控体布拉格光栅的周期，所制造的体布拉格光栅的性能也更高。

技术特征：

1.一种基于柱透镜和飞秒激光制备体布拉格光栅的装置，其特征在于，包括：飞秒激光器，延激光的发射光路依次设置的两个平凸透镜、可变中性密度滤光片、电控快门、两个反射镜、ccd相机、二向色镜、在聚焦面内能单方向聚焦的平凸柱面透镜、三维位移平台、汞灯；

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述汞灯设于所述三维位移平台的下方，用于提供照明光并控制所述电控快门来控制激光辐照时间，以此控制飞秒激光脉冲数。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述体布拉格光栅的尺寸有x、y、z三个方向维度，x方向的尺寸表征所述体布拉格光栅的周期；y方向的尺寸表征所述二维折射率改变面的大小；z方向的尺寸表征所述体布拉格光栅的厚度。

4.根据权利要求1至3任一项所述的装置，其特征在于，通过控制所述三维位移平台所周期性排列的二维折射率改变面的个数，控制所述体布拉格光栅的周期。

5.根据权利要求1至3任一项所述的装置，其特征在于，通过改变所述两个平凸透镜整形的光斑尺寸以及所述平凸柱面透镜的尺寸，控制所述二维折射率改变面的大小；其中，所述平凸柱面透镜的尺寸与所述两个平凸透镜整形的光斑尺寸成比例关系。

6.根据权利要求1至3任一项所述的装置，其特征在于，通过控制飞秒激光脉冲数和脉冲能量，控制所述体布拉格光栅的厚度。

7.一种基于柱透镜和飞秒激光制备体布拉格光栅的方法，其特征在于，包括：

技术总结本发明公开了一种基于柱透镜和飞秒激光制备体布拉格光栅的装置及方法，包括飞秒激光器，沿激光的发射光路依次设置的两个平凸透镜、可变中性密度滤光片、电控快门、两个反射镜、CCD相机、二向色镜、在聚焦面内能单方向聚焦的平凸柱面透镜、三维位移平台、汞灯；两个平凸透镜组合用于将高斯单脉冲光斑整形为适合加工的光斑尺寸；可变中性密度滤光片用于控制飞秒激光加工过程中所需要的脉冲能量；三维位移平台上设有样品并与控制单元通信连接，用于控制样品的移动；CCD相机与三维位移平台结合用于将平凸柱面透镜聚焦飞秒激光的线形焦斑聚焦在样品底面获得二维折射率改变面；通过三维位移平台周期性排列二维折射率改变面，制造出体布拉格光栅。技术研发人员：戴晔,苏子怀受保护的技术使用者：上海大学技术研发日：技术公布日：2024/9/12