在低声子能量玻璃介质中永久写入衍射光栅的系统和方法技术方案

本发明专利技术显示了一种用于在低声子能量玻璃波导中永久写入衍射光栅的系统和方法。产生超短光脉冲，并且使其在波导中形成同步叠加的两束光束，从而形成对应于所需光栅的干涉图案。将光脉冲聚焦，使得波导内的光强度超过成丝阈值。在时间上和空间上控制波导对这些光脉冲的曝光，以限制由高强度脉冲在波导的玻璃介质中所引起的有害热效应。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及通过利用干涉超短且强的激光脉冲，在包含低声子能量材 料的光学器件中形成永久性折射率的图案或衍射光栅的方法。
技术介绍
在硅酸锗波导中写入布拉格光栅的常规方法依赖于uv激光器和干涉术技术的应用，在波导中引入周期性折射率变化。利用Glenn等在美国专 利4,807,950中所公开的双束干涉技术产生沿波导的折射率变化的空间调 制。用于在硅酸锗波导中写入布拉格光栅的一种更方便的方法依赖于相位 掩模(phasemask)技术，如Hill等在美国专利5,367,588中所公开的。在这 种情况下，使用单一的UV光束，通过称为相位掩模的衍射元件产生干涉 图案。不幸的是，如Williams等在J. Lightwave Technol. 15， 1357(1997) 中所报道的，据报道这种方法在氟化物玻璃基波导中引起弱的折射率变 化。Taiinay等在Opt. Lett. 19， 1269(1994)中首先报道了通过245 nm的UV 曝光的在(^3+-掺杂的氟化物基玻璃中弱的永久性折射率变化。然而，还 没有报道使用相同方法在未掺杂的氟化物玻璃中引起显著的折射率变化。 如Moon等在美国专利6,195,483中所公开的，公开了使用双光束干涉方 法在硫属元素化物和硫卤化物(chalcohalide)基红外线传输光纤中写入布拉 格光栅。在这种现有技术中，约3分钟的曝光时间是必须的，以使硫属元 素化物基光纤的折射率变化饱和。如Askins等在美国专利5,400,422中所公开的，在波导中写入永久布 拉格光栅的另一种方法基于干涉高强度UV束的使用，以局部破坏玻璃从 而建立折射率变化图案。此方法的缺点是折射率变化起因于在光纤的芯-包覆界面处引起的周期性局部破坏。因而此方法紧密依赖于芯和包覆玻璃 的组成。由于折射率变化仅影响要被反射的传播模式的一部分，所以得到的光栅还表现不良的光谱质量。在未掺杂的氟化物玻璃中产生折射率变化的第一种尝试中还使用了 193 nm辐射。Sramek等(J. Non-Cryst. Solids 277, 39 P000))观察到，氟锆酸盐玻璃的感光性是在这种193 nm的曝光下玻璃 膨胀的结果。继续此工作，Zeller等(J. Lightwave Technol. 23, 624 (2005)) 报道了氟锆-铝酸盐(fluorozirco-aluminate)(FZA)中约2xl0'4的折射率变化， 而在氟铝酸盐(FA)和氟锆酸盐(FZ)中约2"0'6的折射率变化。然而，折射 率变化强烈依赖于玻璃组成，并且没有显示出可以应用于能够被拉伸成光 学光纤的玻璃组成。实际上，由于其涉及如在硅石玻璃情况下的玻璃膨胀 而不是涉及玻璃收縮，因而氟化物玻璃中折射率变化的机理似乎依赖于不 同的玻璃重排。如Hisakuni等在Opt.Lett. 20, 958，(1995)中所报道的，在 次能带隙(subbandgap)照明下的硫属元素化物玻璃中也观察到了相同的玻 璃膨胀，并且将其用于制备凸面微透镜。Davis等在Opt. Lett. 21， 1729， (1996)中报道了感光性的相对新的方 法，其基于飞秒脉冲持续机理(durationregime)中的高强度红外线辐射的非 线性吸收，以在玻璃中引发波导结构。尽管造成飞秒脉冲引发的折射率变 化的精确物理过程还没有被完全理解并且似乎依赖于玻璃本身，但是其显 然依赖于玻璃内局部等离子体的产生。为了达到合适的等离子体密度，写 入束必须达到取决于各种因素的某些临界密度值，包括脉冲持续时间和能 量以及聚焦条件。Miura等在美国专利5，978，538中公开了这种对于玻璃感 光性的有前途的方法，并且发现其可用于在本体硅石玻璃和氟化物玻璃中 写入波导。在此专利中作为实例使用的氟化物玻璃组成是氟锆酸盐玻璃 (ZrF4-BaF2-LaFr AlF3-NaF)，这是在光纤制备中使用的普通玻璃组成。 Maznev等在美国专利6,204,926中还将此方法用在关于使用两个空间相关 束获得的干涉飞秒条纹图案的形成中。Miller等在美国专利6,297,894中进 一步扩展和公开了此方法，在此基于使用衍射元件获得了周期性折射率变 化。Mihailov等在美国专利6,993,221中还公开了 Miller的技术的备选方 案，其中提出了高阶模式(high-ordermode)的布拉格光栅结构。如Mihailov 等在美国专利7,031,571中所公开的，此方法得到进一步扩展，允许抑制 包覆模式损失。这些现有技术方法提供有用的功能，但是全部受困于实际 限制。当然，尽管在这些专利中提到，所述方法可以成功地应用于任何至少部分透射或吸收的材料，但是相应的结果和实例仅限于硅石玻璃。由于 低声子能量玻璃与硅石基玻璃相比具有明显不同的物理性质，特别是热性 质，所以据证明，为了获得强而永久的折射率变化，不能在没有明显改善 的情况下将前述飞秒方法同样地用于低声子能量玻璃，如氟化物、硫属元 素化物和硫卤化物基玻璃。因此存在对于在氟化物玻璃中写入永久性的布拉格光栅等的方法和 系统的需要，所述方法和系统可以提供强的折射率变化并且可以用于各种 氟化物玻璃组成。
技术实现思路
根据本专利技术的第一方面，提供一种用于在由低声子能量玻璃介质制成 的波导中永久写入衍射光栅的系统。此系统包括光产生装置和光学组件，所述光产生装置用于产生超短光 脉冲，所述光学组件用于在波导中同步地叠加这些光脉冲中的两束光束并 且在其中形成对应于衍射光栅的干涉图案。光学组件还聚焦光脉冲，使得波导内的光强度超过成丝阈值(filamentation threshold)。所述系统还包括控制装置，该控制装置用于在空间上和时间上控制波 导对光脉冲的曝光，以限制由光脉冲在玻璃介质中引起的光栅擦除热效应 (grating erasing thermal effect)。根据本专利技术的另一方面，还提供一种用于在由低声子能量玻璃介质制成的波导中永久写入衍射光栅的系统，所述系统包括-用于产生超短光脉冲的原光束(primarybeam)的光源； -光学组件，其包括■相位掩模，其被定位在接近波导的原光束的路径中，用于在波导中同步地叠加所述光脉冲中的两束光束，并且在其中形成对应于衍射光栅的干涉图案；以及■聚焦元件，其设置在光源和相位掩模之间，所述聚焦元件将光 脉冲聚焦在波导上，使得所述波导中的光强度超过一个值，从 而达到用于实现所述玻璃介质的永久改变的临界等离子体密度，对于ZBLAN此值为约10TW/cm2;以及-控制装置，其用于在空间上和时间上控制波导对光脉冲的曝光，以 限制由这些光脉冲在玻璃介质中引起的光栅擦除热效应，所述控制 装置包括■扫描组件，其用于相对于聚焦元件和波导中的一个并且与光脉冲路径横向地扫描聚焦元件和波导中的另一个； ■调制元件，其设置在光脉冲的路径中，所述调制元件在时间上调制光脉冲，以形成光脉冲的至少一个脉冲串(burst); ■中断机构，其用于中断波导对光脉冲的曝光；以及■监控组件，其用于监控波导的光学性质，所述监控组件与中断 机构通信，以根据光学性质启动所述中断机构。 根据本专利技术的又一方面，还提供一种用于在由低声子能量玻璃介质制成的波导中永久写入本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于在由低声子能量玻璃介质制成的波导中永久写入衍射光栅的系统，所述系统包括：　－光产生装置，用于产生超短光脉冲；　－光学组件，用于在所述波导中同步地叠加所述光脉冲中的两束光束，并且在所述波导中形成对应于所述衍射光栅的干涉图案 ，所述光学组件聚焦所述光脉冲，使得所述波导内的光强度超过成丝阈值；和　－控制装置，用于在空间上和时间上控制所述光脉冲对所述波导的曝光，以限制由所述光脉冲在所述玻璃介质中引起的光栅擦除热效应。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷亚尔瓦利，马丁贝尼耶，多米尼克福谢，
申请(专利权)人：拉瓦勒大学，
类型：发明
国别省市：CA[加拿大]