飞秒激光刻写铌酸锂光波导的实验研究
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［３］ ｓｃＨＭｌＤＴ Ｒ Ｖ，ＫＡＭｌＮ（）ｗ Ｉ Ｐ． Ｉ．ｉＮｂ（）３
ｗａｖｅｇFra Baidu bibliotek；ｄｅ
ｆａｂｒｉｃａ ｃｅｄ ｂｙ Ｔｉ ｉｎｄｉｆｆｕｓｉｏｎ［Ｊ］．Ａｐ户ｆ Ｐ＾ｊ，ｓ ＬＰ“，１９７４，２５（８）：
４５８—４６０．
［４］ ＪＡｃＫＥＬ Ｊ Ｌ。ＲｌｃＥ ｃ Ｅ，ｖＥｓＥＬＫＡ Ｊ Ｊ．Ｐｒｏｔｏｎ ｅｘｃｈａｎｇｅ ｆｏｒ ｈｉｇｈ—ｉｎｄｅｘ ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ ｉｎ Ｉ．ｉＮｂ０３［Ｊ］．Ａ户户ｚ Ｐ＾ｙｓ ＬＰ“。１９８２，
中图分类号：ＴＮ２４９；ＴＮ２５２
文献标识码：Ａ
文章编号：１００，ｉ一４２１３（２００９）０１一００２６—４
０ 引言
自从第一台飞秒激光器问世以来…，飞秒激光 就一直受到人们的广泛关注．近年米，它在光通信、 光存储、生物医学、精密ＪＪＨ工等诸多领域显示出了巨 大的应用潜力．利用飞秒激光进行材料加工，具有其 它加丁方法无可比拟的优势口］：１）飞秒激光脉冲有 极高的峰值功率，其光功率密度可高达１０２１ Ｗ／ｃｍ２ 量级；２）加工尺寸可达亚微米，飞秒激光极高的功率 密度在作用区发生多光子吸收，町以突破衍射极限 的限制，实现尺寸小于波长的亚微米甚至纳米级的 操作；３）热影响区小，加热准确度高，飞秒加工加热 和冷却的速率高达１０１８ Ｋ／ｓ，热效应可以忽略，足 一种“冷加工”方式；４）较低的损伤阈值，较传统激光 加工消耗的能量低，脉冲能量一般为ｍＪ或脚．飞秒 激光凭借这些特性，使得它成为下一代下业加工１＝ 具的有力竞争者．
笫３８卷第１期 ２００９年１月
光 子学 报
ＡＣＴＡ ＰＩ－Ｉ（）Ｔ（）ＮＩＣＡ ＳＩＮＩＣＡ
Ｖ０１．３８ Ｎｏ．１ Ｊａｎｕａｒｙ ２００９
飞秒激光刻写铌酸锂光波导的实验研究＊
张双根，姚江宏，李勇男，魏岱，郭文刚，涂成厚，朱辉，雷霆，吕福云＋
（南开大学物理科学学院，天津３０（）０７１）
摘 要：研究了飞秒激光加工参量对刻写质量的影响，分析了激光能量吸收的多光子效应，测试了
２．２传输特性 光束在波导内传输，由于波导介质材料的本征
吸收，以及波导端面的散射等冈素的影响，光束能量 会有一定的损耗，实验中，为ｒ减小样品的端面散射 损耗，通光端面均进行了抛光处理．样品放置在精密 五维调节架上，使得出射激光耦合剑样品的通道区 域或者铌酸锂晶体上，比较两种情况下的传输损耗， 可以判断激光刻写的通道是否具有波导特性．
本文用飞秒激光进行了铌酸锂光波导刻写的实
。国家自然科学基金（６０６７７０１３）和高等学校博士学科点专 项科研基金（２０（）６（）０５５０２１）资助
＋７ｒｅｌ：（）２２—２３５０９８５６ Ｅｍａｉｌ：ｌｕｆｙ＠ｎａｎｋａｉ．ｅｄｕ．ｃｎ 收稿日期：２００７一０９一１３
万方数据
验研究，对加工的激光脉冲能量和激光扫描速度等 工艺参量进行了探索，并对刻写的光波导的传输特 性进行了测量，探讨了飞秒激光进行透明晶体材料 微结构加工过程的机理．
１ 实验装置
１．１飞秒激光微加工系统 实验装置如图１．飞秒激光光源为掺钛蓝宝石
激光器，输出激光的中心波长８００ ｎｍ，脉冲宽度为 ５０ ｆｓ；重复频率为ｌ ｋＨｚ，最大输出功率为８００ ｍＷ． 飞秒激光经过透镜组聚焦固定在微移动平台的样品 上，微移动平台的移动准确度为１“ｍ，移动速度在 １００弘ｍ／ｓ～４００肛ｍ／ｓ之问连续可调．渊节微移动平 台，激光沿ｙ轴方向进行扫描，在样品的内部形成 通道结构．用砂微镜和ＣＣＤ组成的放大系统对样品 刻写过稗进行实时监测．在光路中加上适当的衰减 片减小聚焦到样品上的能量．
２测量及分析
２．１传输特性测量 由于光纤与光波导具有比较高的耦合效率，实
验中采用ｌ ５５０ ｎｍ波段环形腔光纤光源作为种子 光源进行传输损耗的测量．实验光路如图４．光纤光 源采Ｈｊ ６个ＬＤ通过梳状泉浦耦合器抽运Ｅｒ／Ｙｂ 共掺光纤，光路中加入光隔离器，使光单向传输，用
万方数据
图４ 传输特性测试装置 Ｆｉｇ．４ Ｓｅｔ ｕｐ ｏｆ ｐｒｏｐａｇａｔ ｉｏｎ ｌｏｓｓ ｍｅａｓｕｒｅｍｃｎｔ
沙７
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图ｌ 飞秒激光微加工系统 Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｃｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｆｅｍｔ（）ｓｅｃｏｎｄ ｌａｓｅｒ
ｍｉｃｒｏ—ｍａｃｈｉｎｅ
１．２微结构观察 实验中采用垂直扫描方式刻写波导，在显微电
镜下观察的典型结果如陶２．激光刻写通道的宽度 受激光的脉冲能量和扫描速度的影响．扫描速度固 定为４００址ｍ／ｓ时，通道的宽度随刻写激光能量的 增加衙增大，如图３（ａ）．激光能量较大时引起较大 面积的能肇吸收；激光脉冲能量固定为１３ ｍＷ，通 道宽度随扫描速度的增加而减小，如网３（ｂ）．扫描 速度比较小时，单位时间内辐照到材料单位面积上
飞秒激光刻写光波导，首先要确定材料的损伤 阈值，当激光的脉冲能量超过介质的损伤阈值时，刻 写的通道没有波导特性，同时材料会受到不同程度 的损伤．实验中所用的激光脉冲能量２０Ⅳ～２００刖， 激光扫描速度１００弘ｍ／Ｓ～４００弘ｍ／ｓ．综合调节激光 脉冲能量、扫描速度和激光聚焦光斑的大小，激光强 度在８ ｋｗ／ｃｍ２～８００ ｋＷ／ｃｍ２之间变化．实验发 现，激光脉冲能量在２０肚Ｊ左右，扫捕速度在 ３００肛ｍ／ｓ～４００肛ｍ／ｓ之间刻写的通道具有较好的 波导特性，在较高的脉冲能量下所刻写的通道不具 有波导性质，材料受到不同程度的烧蚀损伤．
１期
张双根，等：飞秒激光刻写铌酸锂光波导的实验研究
２７
的脉冲个数多，在激光聚焦区域沉积的能量越多，引 起样品聚焦区域较大面积的烧蚀；扫描速度比较大 时，单位时间内照射到材料单位面积上的脉冲个数 少，聚焦区域沉积的激光能量较少，烧蚀面积相对较 小，说明激光刻写时的能量具有一定的累积效应．扫 描速度的不同，决定了烧蚀后材料折射率的改变 量ｕ１｜．只有在激光脉冲能量和激光扫描速度适巾 时，才会得到比较好的“波导”结构．
万方数据
响，还需进一步研究．
４ 结论
在掺钛蓝宝石激光装置上进行了飞秒脉冲激光 刻写铌酸锂光波导的实验研究，发现影响激光刻写
质鼍的因素主要是激光的扫描速度和脉冲能量．用 ｌ ５５０ ｎｍ波段的环形腔光纤光源作为种子光源，对
激光刻写的通道微结构进行了传输特性的测试．结
果表明，激光脉冲能量在２０肚Ｊ左右，扫描速度在 ３００ ｐｍ／ｓ～４００弘ｍ／ｓ之间刻写的通道具有较好的 波导特性，波导传输损耗小于ｌ ｄＢ／ｃｍ．其可能物理 机制是激光诱导锂离子的扩散引起了晶体内部局部 折射率的增加．
实验巾，对飞秒激光刻写铌酸锂通道的传输损 耗进行了测试，并且与铌酸锂品体的传输损耗进行 了对比，结果如图５．图５（ａ）中铌酸锂通道宽度为
加
＿
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一－一ＷＧ，
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７０
８０
Ｉｎｐｕｔ ｐＯｗｅｒ／ｍＷ （ａ）Ｃｈａｎｎｅｌ ｗｉｄｔｈ ８ｕｍ
飞秒激光与材料作用的机理各不相同而且目前 仍不十分清楚，还处于探索阶段．根据已有的实验现 象和结果，人们提出了不同的模型进行解释Ｌｌ｝¨Ｊ．本 文作者认为飞秒激光诱导铊酸锂晶体折射率改变的 可能原冈是激光诱导了离子的扩散，从而引起了局 部折射率的改变．在高温下铌酸锂晶体的锂离子会 发生外扩散，引起异常光折射率的增加Ｌｌ ４｜．在飞秒 激光与材料相互作用区域，由于多光子效应，材料非 线性吸收激光能量，引起材料局部温度的急剧上升， 诱导锂离子的外扩散，从而引起异常光折射率的增 加．研究表明［１ ５ ３如果锂离子浓度减小ｏ．１％，产生的 折射率增量的量级～６×１０～．另外，实验所用的激 光强度在８ ｋＷ／ｃｍ２～８００ ｋＷ／ｃｍ２之间变化，对于 同成分铌酸锂晶体，其抗光折变阈值～１０５ ｗ／ｃｍ２， 光折变效应对飞秒激光刻写通道折射率变化的影
２０：８０的耦合器输出．透镜Ｉ。，对输出激光扩束，较 长焦距的透镜Ｌｚ将激光聚焦到样品上．样晶放置在 精密五维调节架上，可以使入射激光耦合进入飞秒 激光刻写的铌酸锂通道或者通过铌酸锂晶体．透镜 Ｉ。。将从样品输出的光束准直，ＪＨ功率计分别探测输 入和输出样品的激光功率，计算得到飞秒激光刻写 通道和铌酸锶晶体体材料的传输损耗．
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２５
２７
Ｃｈａｎｎｅｌ ｗｉｄｔｈ／ｕｍ
（ｂ）Ｓｃａｌｌｎｉｎｇ ｓｐｃｃｄ ｖｓ ｃｈａｎｎｅｌ ｗｉｄｔｈ
图３ 加工参量对微结构的影响 Ｆｉｇ．３ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｎ ｍｉｃｍｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ
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Ｉｎｐｕｔ ｐｏｗｅｒ，ｍＷ （ｂ）Ｃｈａｌｌｎｃｌ ｗｉｄｔｈ ｌ Ｏ“ｍ
图５ 输入输出功率的关系 Ｆｉｇ．５ Ｃｈａｒａｃｔｅｒ ｏｆ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ １０ｓｓ ｉｎ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ
ａｎｄ ｃｒｙｓｔａｌ
２８
光子学报
８肛ｍ，图５（ｂ）中铌酸锂通道宽度为ｌＯ肛ｍ．从图中 可以看出，光束通过铌酸锂晶体的传输损耗比经过 激光刻写通道的传输损耗大，飞秒激光刻写的通道 具有了光波导特性．光波导的长度均为９ ｍｍ，计算 得到传输损耗小于１ ｄＢ／ｃｍ．
３ 结果分析
｝Ｉ
飞秒激光脉冲诱导透明介质折射率变化存在阈 值效应．这些介质在较低功率的激光辐照时，表现出 很小的吸收和“透明”的性质．但是，当激光的强度足 够高，达到透明介质的损伤闽值时，表现出对人射激 光较强的非线性吸收，这主要归功于多光子吸收．对 于铌酸锂晶体（ＬｉＮｂＯ。），电离能约为３．５ ｅＶ．实验 中所使用的波长为８００ ｎｍ的近红外激光，根据公 式Ｅ一＾ｖ，单个光子的能量为１．６ ｅＶ，所以单个光子 不可能使ＬｉＮｂ（）。分子发生电离．如果有３个光子 同时被一个束缚态电子吸收，就可能使陔电子脱离 分子的束缚，成为自由电子．这样对于高带隙材料， 虽然对激光的吸收很弱，但在聚焦激光束腰处的高 激光强度能有效激励非线性多光子吸收过程．
铌酸锂晶体是综合性能最全面的晶体，它的非 线性系数大、通光范围广，成本低，在光电子领域得 到了广泛的应用．铌酸锂光波导是光学频率变换和 集成光学的基本光学元件之一．用离子交换方法可 以制备铌酸锂光波导睁“，但其ｒ艺过程比较复杂． 相比而言，利用１５‘秒激光的独特优点刻写光波导是 一种简便、快捷的方法．人们利用飞秒激光在玻 璃旧７｜、聚合物等透明介质中已经刻写了很好的光波 导结构∽９｜．国外报道了在铌酸锂晶体上用飞秒激光 刻写光波导的实验¨…，国内还没见到这方面的相关 研究．
［２］
［Ｊ］．Ａ户户ｚ Ｐ＾ｙｓ ＬＰｆ￡．１９８ｌ，３８：６７ｌ一６７３． ＬＩｕ ｘ，Ｄｕ Ｄ，Ｍ（）ｕＲ（）ｕ Ｇ．Ｉ。ａｓｅｒ ａｂｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｇ
ｗｉｔｈ ｕｌｔｒａｓｈｏｒｔ Ｉａｓｅｒ ｐｕｌｓｅｓ［Ｊ］，ＪＥＥＥ』ｏ“ｒ”ｎｆ ｏ／Ｑ“ｎ＂ｆ“ｍ
ＥＺＰ以ｒｏ”ｉｆ５，１９９７，３３（１０）：１７０６一１７１６．
致谢 衷心感谢南开大学光学研究所刘伟伟老
师和国家纳米技术与工程研究院李恩邦、魏又顺、董
海英等老师的帮助和指导．
参考文献
［１］
Ｆ（）ＲＫ Ｒ Ｉ，，ＧＲＦＥＮＥ Ｂ Ｉ。ｓＨＡＮＫ ｃ Ｖ．Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｕｌｓｅｓ ｓｈｏｒｔｅｒ ｔｈａｎ Ｏ．１ ｐｓｅｃ ｂｙ ｃ０１１ｉｄｉｎｇ ｐｕｌｓｅ ｍｏｄｅ １０ｃｋｉｎｇ
ｗＤＭ章ＬＤ×３
图２ 微结构实物图
Ｆｉｇ．２ Ｉｍａｇｅｓ ｏｆ ｍｉｃｍｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｃｒｅｎｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ
１５
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（ａ）Ｌａｓｅｒ ｅｎｅｒｇｙ ｖｓ ｃｈａｎｎｅｌ ｗｉｄｔｈ
刻写通道的传输特性．实验结果表明，激光刻写的通道具有良好的波导特性：当激光脉冲能量在
２０怛Ｊ左右，扫描速度在３００弘ｍ／ｓ～４００牲ｍ／ｓ之间时，刻写通道的传输损耗小于１ ｄＢ／ｃｍ，低于晶
体的传输损耗，其原因是激光诱导锂离子的扩散引起了晶体内部局部折射率的增加．
关键词：飞秒激光；光波导；铌酸锂；传输损耗
ｗａｖｅｇFra Baidu bibliotek；ｄｅ
ｆａｂｒｉｃａ ｃｅｄ ｂｙ Ｔｉ ｉｎｄｉｆｆｕｓｉｏｎ［Ｊ］．Ａｐ户ｆ Ｐ＾ｊ，ｓ ＬＰ“，１９７４，２５（８）：
４５８—４６０．
［４］ ＪＡｃＫＥＬ Ｊ Ｌ。ＲｌｃＥ ｃ Ｅ，ｖＥｓＥＬＫＡ Ｊ Ｊ．Ｐｒｏｔｏｎ ｅｘｃｈａｎｇｅ ｆｏｒ ｈｉｇｈ—ｉｎｄｅｘ ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ ｉｎ Ｉ．ｉＮｂ０３［Ｊ］．Ａ户户ｚ Ｐ＾ｙｓ ＬＰ“。１９８２，
中图分类号：ＴＮ２４９；ＴＮ２５２
文献标识码：Ａ
文章编号：１００，ｉ一４２１３（２００９）０１一００２６—４
０ 引言
自从第一台飞秒激光器问世以来…，飞秒激光 就一直受到人们的广泛关注．近年米，它在光通信、 光存储、生物医学、精密ＪＪＨ工等诸多领域显示出了巨 大的应用潜力．利用飞秒激光进行材料加工，具有其 它加丁方法无可比拟的优势口］：１）飞秒激光脉冲有 极高的峰值功率，其光功率密度可高达１０２１ Ｗ／ｃｍ２ 量级；２）加工尺寸可达亚微米，飞秒激光极高的功率 密度在作用区发生多光子吸收，町以突破衍射极限 的限制，实现尺寸小于波长的亚微米甚至纳米级的 操作；３）热影响区小，加热准确度高，飞秒加工加热 和冷却的速率高达１０１８ Ｋ／ｓ，热效应可以忽略，足 一种“冷加工”方式；４）较低的损伤阈值，较传统激光 加工消耗的能量低，脉冲能量一般为ｍＪ或脚．飞秒 激光凭借这些特性，使得它成为下一代下业加工１＝ 具的有力竞争者．
笫３８卷第１期 ２００９年１月
光 子学 报
ＡＣＴＡ ＰＩ－Ｉ（）Ｔ（）ＮＩＣＡ ＳＩＮＩＣＡ
Ｖ０１．３８ Ｎｏ．１ Ｊａｎｕａｒｙ ２００９
飞秒激光刻写铌酸锂光波导的实验研究＊
张双根，姚江宏，李勇男，魏岱，郭文刚，涂成厚，朱辉，雷霆，吕福云＋
（南开大学物理科学学院，天津３０（）０７１）
摘 要：研究了飞秒激光加工参量对刻写质量的影响，分析了激光能量吸收的多光子效应，测试了
２．２传输特性 光束在波导内传输，由于波导介质材料的本征
吸收，以及波导端面的散射等冈素的影响，光束能量 会有一定的损耗，实验中，为ｒ减小样品的端面散射 损耗，通光端面均进行了抛光处理．样品放置在精密 五维调节架上，使得出射激光耦合剑样品的通道区 域或者铌酸锂晶体上，比较两种情况下的传输损耗， 可以判断激光刻写的通道是否具有波导特性．
本文用飞秒激光进行了铌酸锂光波导刻写的实
。国家自然科学基金（６０６７７０１３）和高等学校博士学科点专 项科研基金（２０（）６（）０５５０２１）资助
＋７ｒｅｌ：（）２２—２３５０９８５６ Ｅｍａｉｌ：ｌｕｆｙ＠ｎａｎｋａｉ．ｅｄｕ．ｃｎ 收稿日期：２００７一０９一１３
万方数据
验研究，对加工的激光脉冲能量和激光扫描速度等 工艺参量进行了探索，并对刻写的光波导的传输特 性进行了测量，探讨了飞秒激光进行透明晶体材料 微结构加工过程的机理．
１ 实验装置
１．１飞秒激光微加工系统 实验装置如图１．飞秒激光光源为掺钛蓝宝石
激光器，输出激光的中心波长８００ ｎｍ，脉冲宽度为 ５０ ｆｓ；重复频率为ｌ ｋＨｚ，最大输出功率为８００ ｍＷ． 飞秒激光经过透镜组聚焦固定在微移动平台的样品 上，微移动平台的移动准确度为１“ｍ，移动速度在 １００弘ｍ／ｓ～４００肛ｍ／ｓ之问连续可调．渊节微移动平 台，激光沿ｙ轴方向进行扫描，在样品的内部形成 通道结构．用砂微镜和ＣＣＤ组成的放大系统对样品 刻写过稗进行实时监测．在光路中加上适当的衰减 片减小聚焦到样品上的能量．
２测量及分析
２．１传输特性测量 由于光纤与光波导具有比较高的耦合效率，实
验中采用ｌ ５５０ ｎｍ波段环形腔光纤光源作为种子 光源进行传输损耗的测量．实验光路如图４．光纤光 源采Ｈｊ ６个ＬＤ通过梳状泉浦耦合器抽运Ｅｒ／Ｙｂ 共掺光纤，光路中加入光隔离器，使光单向传输，用
万方数据
图４ 传输特性测试装置 Ｆｉｇ．４ Ｓｅｔ ｕｐ ｏｆ ｐｒｏｐａｇａｔ ｉｏｎ ｌｏｓｓ ｍｅａｓｕｒｅｍｃｎｔ
沙７
Ｓｔａ｛；ｅ
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［Ｃｍ
ｌ
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柙广］出窆 Ｖ
图ｌ 飞秒激光微加工系统 Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｃｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｆｅｍｔ（）ｓｅｃｏｎｄ ｌａｓｅｒ
ｍｉｃｒｏ—ｍａｃｈｉｎｅ
１．２微结构观察 实验中采用垂直扫描方式刻写波导，在显微电
镜下观察的典型结果如陶２．激光刻写通道的宽度 受激光的脉冲能量和扫描速度的影响．扫描速度固 定为４００址ｍ／ｓ时，通道的宽度随刻写激光能量的 增加衙增大，如图３（ａ）．激光能量较大时引起较大 面积的能肇吸收；激光脉冲能量固定为１３ ｍＷ，通 道宽度随扫描速度的增加而减小，如网３（ｂ）．扫描 速度比较小时，单位时间内辐照到材料单位面积上
飞秒激光刻写光波导，首先要确定材料的损伤 阈值，当激光的脉冲能量超过介质的损伤阈值时，刻 写的通道没有波导特性，同时材料会受到不同程度 的损伤．实验中所用的激光脉冲能量２０Ⅳ～２００刖， 激光扫描速度１００弘ｍ／Ｓ～４００弘ｍ／ｓ．综合调节激光 脉冲能量、扫描速度和激光聚焦光斑的大小，激光强 度在８ ｋｗ／ｃｍ２～８００ ｋＷ／ｃｍ２之间变化．实验发 现，激光脉冲能量在２０肚Ｊ左右，扫捕速度在 ３００肛ｍ／ｓ～４００肛ｍ／ｓ之间刻写的通道具有较好的 波导特性，在较高的脉冲能量下所刻写的通道不具 有波导性质，材料受到不同程度的烧蚀损伤．
１期
张双根，等：飞秒激光刻写铌酸锂光波导的实验研究
２７
的脉冲个数多，在激光聚焦区域沉积的能量越多，引 起样品聚焦区域较大面积的烧蚀；扫描速度比较大 时，单位时间内照射到材料单位面积上的脉冲个数 少，聚焦区域沉积的激光能量较少，烧蚀面积相对较 小，说明激光刻写时的能量具有一定的累积效应．扫 描速度的不同，决定了烧蚀后材料折射率的改变 量ｕ１｜．只有在激光脉冲能量和激光扫描速度适巾 时，才会得到比较好的“波导”结构．
万方数据
响，还需进一步研究．
４ 结论
在掺钛蓝宝石激光装置上进行了飞秒脉冲激光 刻写铌酸锂光波导的实验研究，发现影响激光刻写
质鼍的因素主要是激光的扫描速度和脉冲能量．用 ｌ ５５０ ｎｍ波段的环形腔光纤光源作为种子光源，对
激光刻写的通道微结构进行了传输特性的测试．结
果表明，激光脉冲能量在２０肚Ｊ左右，扫描速度在 ３００ ｐｍ／ｓ～４００弘ｍ／ｓ之间刻写的通道具有较好的 波导特性，波导传输损耗小于ｌ ｄＢ／ｃｍ．其可能物理 机制是激光诱导锂离子的扩散引起了晶体内部局部 折射率的增加．
实验巾，对飞秒激光刻写铌酸锂通道的传输损 耗进行了测试，并且与铌酸锂品体的传输损耗进行 了对比，结果如图５．图５（ａ）中铌酸锂通道宽度为
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Ｉｎｐｕｔ ｐＯｗｅｒ／ｍＷ （ａ）Ｃｈａｎｎｅｌ ｗｉｄｔｈ ８ｕｍ
飞秒激光与材料作用的机理各不相同而且目前 仍不十分清楚，还处于探索阶段．根据已有的实验现 象和结果，人们提出了不同的模型进行解释Ｌｌ｝¨Ｊ．本 文作者认为飞秒激光诱导铊酸锂晶体折射率改变的 可能原冈是激光诱导了离子的扩散，从而引起了局 部折射率的改变．在高温下铌酸锂晶体的锂离子会 发生外扩散，引起异常光折射率的增加Ｌｌ ４｜．在飞秒 激光与材料相互作用区域，由于多光子效应，材料非 线性吸收激光能量，引起材料局部温度的急剧上升， 诱导锂离子的外扩散，从而引起异常光折射率的增 加．研究表明［１ ５ ３如果锂离子浓度减小ｏ．１％，产生的 折射率增量的量级～６×１０～．另外，实验所用的激 光强度在８ ｋＷ／ｃｍ２～８００ ｋＷ／ｃｍ２之间变化，对于 同成分铌酸锂晶体，其抗光折变阈值～１０５ ｗ／ｃｍ２， 光折变效应对飞秒激光刻写通道折射率变化的影
２０：８０的耦合器输出．透镜Ｉ。，对输出激光扩束，较 长焦距的透镜Ｌｚ将激光聚焦到样品上．样晶放置在 精密五维调节架上，可以使入射激光耦合进入飞秒 激光刻写的铌酸锂通道或者通过铌酸锂晶体．透镜 Ｉ。。将从样品输出的光束准直，ＪＨ功率计分别探测输 入和输出样品的激光功率，计算得到飞秒激光刻写 通道和铌酸锶晶体体材料的传输损耗．
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Ｃｈａｎｎｅｌ ｗｉｄｔｈ／ｕｍ
（ｂ）Ｓｃａｌｌｎｉｎｇ ｓｐｃｃｄ ｖｓ ｃｈａｎｎｅｌ ｗｉｄｔｈ
图３ 加工参量对微结构的影响 Ｆｉｇ．３ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｎ ｍｉｃｍｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ
加
∞
如 ≥Ｅ，ｊ∞事ｏＡ
∞ ｌｎｄｌｌｌｏ ∞
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图５ 输入输出功率的关系 Ｆｉｇ．５ Ｃｈａｒａｃｔｅｒ ｏｆ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ １０ｓｓ ｉｎ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ
ａｎｄ ｃｒｙｓｔａｌ
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光子学报
８肛ｍ，图５（ｂ）中铌酸锂通道宽度为ｌＯ肛ｍ．从图中 可以看出，光束通过铌酸锂晶体的传输损耗比经过 激光刻写通道的传输损耗大，飞秒激光刻写的通道 具有了光波导特性．光波导的长度均为９ ｍｍ，计算 得到传输损耗小于１ ｄＢ／ｃｍ．
３ 结果分析
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飞秒激光脉冲诱导透明介质折射率变化存在阈 值效应．这些介质在较低功率的激光辐照时，表现出 很小的吸收和“透明”的性质．但是，当激光的强度足 够高，达到透明介质的损伤闽值时，表现出对人射激 光较强的非线性吸收，这主要归功于多光子吸收．对 于铌酸锂晶体（ＬｉＮｂＯ。），电离能约为３．５ ｅＶ．实验 中所使用的波长为８００ ｎｍ的近红外激光，根据公 式Ｅ一＾ｖ，单个光子的能量为１．６ ｅＶ，所以单个光子 不可能使ＬｉＮｂ（）。分子发生电离．如果有３个光子 同时被一个束缚态电子吸收，就可能使陔电子脱离 分子的束缚，成为自由电子．这样对于高带隙材料， 虽然对激光的吸收很弱，但在聚焦激光束腰处的高 激光强度能有效激励非线性多光子吸收过程．
铌酸锂晶体是综合性能最全面的晶体，它的非 线性系数大、通光范围广，成本低，在光电子领域得 到了广泛的应用．铌酸锂光波导是光学频率变换和 集成光学的基本光学元件之一．用离子交换方法可 以制备铌酸锂光波导睁“，但其ｒ艺过程比较复杂． 相比而言，利用１５‘秒激光的独特优点刻写光波导是 一种简便、快捷的方法．人们利用飞秒激光在玻 璃旧７｜、聚合物等透明介质中已经刻写了很好的光波 导结构∽９｜．国外报道了在铌酸锂晶体上用飞秒激光 刻写光波导的实验¨…，国内还没见到这方面的相关 研究．
［２］
［Ｊ］．Ａ户户ｚ Ｐ＾ｙｓ ＬＰｆ￡．１９８ｌ，３８：６７ｌ一６７３． ＬＩｕ ｘ，Ｄｕ Ｄ，Ｍ（）ｕＲ（）ｕ Ｇ．Ｉ。ａｓｅｒ ａｂｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｇ
ｗｉｔｈ ｕｌｔｒａｓｈｏｒｔ Ｉａｓｅｒ ｐｕｌｓｅｓ［Ｊ］，ＪＥＥＥ』ｏ“ｒ”ｎｆ ｏ／Ｑ“ｎ＂ｆ“ｍ
ＥＺＰ以ｒｏ”ｉｆ５，１９９７，３３（１０）：１７０６一１７１６．
致谢 衷心感谢南开大学光学研究所刘伟伟老
师和国家纳米技术与工程研究院李恩邦、魏又顺、董
海英等老师的帮助和指导．
参考文献
［１］
Ｆ（）ＲＫ Ｒ Ｉ，，ＧＲＦＥＮＥ Ｂ Ｉ。ｓＨＡＮＫ ｃ Ｖ．Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｕｌｓｅｓ ｓｈｏｒｔｅｒ ｔｈａｎ Ｏ．１ ｐｓｅｃ ｂｙ ｃ０１１ｉｄｉｎｇ ｐｕｌｓｅ ｍｏｄｅ １０ｃｋｉｎｇ
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图２ 微结构实物图
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刻写通道的传输特性．实验结果表明，激光刻写的通道具有良好的波导特性：当激光脉冲能量在
２０怛Ｊ左右，扫描速度在３００弘ｍ／ｓ～４００牲ｍ／ｓ之间时，刻写通道的传输损耗小于１ ｄＢ／ｃｍ，低于晶
体的传输损耗，其原因是激光诱导锂离子的扩散引起了晶体内部局部折射率的增加．
关键词：飞秒激光；光波导；铌酸锂；传输损耗