УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ВОЛНОВОДНЫХ, ПРОСТРАНСТВЕННО-НЕОДНОРОДНЫХ И ДИФРАКЦИОННЫХ СТРУКТУР В ПРИПОВЕРХНОСТНЫХ ОБЛАСТЯХ ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИХ КРИСТАЛЛОВ Российский патент 2025 года по МПК G02B6/10 

Изобретение относится к области оптоэлектроники и может быть использовано при изготовлении интегрально-оптических элементов, устройств и приборов фотоники на основе волноводных, пространственно-неоднородных и дифракционных структур в электрооптических кристаллах.

Известны способы и устройства для формирования волноводных структур в кристаллических средах и других оптически прозрачных материалах, например, способ формирования оптического волновода в кристалле ниобата лития описан в патенте RU 2795387 C1, опубликованном 03.05.2023 г.; способ лазерной записи интегральных волноводов, описанный в патенте RU 2781465 C1, опубликованном 25.04.2017 г.; экспериментальная установка для формирования лазерным излучением канальных оптических волноводов в оптически прозрачных материалах, описанная в статье А.С. Шишкиной и др., "Прямая лазерная запись и исследование оптофлюидных элементов внутри нанопористой силикатной матрицы ", Опт. и спектр., Т. 130, вып. 5, с. 779-786 (2022); многоимпульсная система для записи волноводов, решеток и интегрально-оптических схем в патенте US 9904018 B2, опубликованном 27.02.2018 г.

Из уровня техники известно, что экспериментальная установка по формированию канального оптического волновода в кристалле ниобата лития содержит источник непрерывного лазерного излучения с длиной волны λ = 457 нм и нагревательный элемент без высокоточного позиционера (патент RU 2795387 C1). Отсутствие позиционера не позволяет точно контролировать положение экспериментального образца относительно воздействующего излучения и создавать топологии формируемых структур различной сложности.

Установка, используемая в патенте RU 2781465 C1, позволяет создавать волноводы круглого сечения в стеклокристаллическом диэлектрике. В данной установке используется источник импульсного лазерного излучения и моторизированный высокоточный столик на пневмоприводе. Фемтосекундный лазер генерирует импульсы на длине волны 1030 нм, длительностью 180÷600 фс, с частотой следования 1÷100 кГц, энергией 200÷4000 нДж при перемещении сфокусированного лазерного пучка объективом с числовой апертурой 0,45÷0,65 со скоростью 200÷1000 мкм/с, с шагом 3÷5 мкм между треками, формирующими цилиндрическую оболочку волновода. Описанная в данном способе установка не предусматривает использование анализатора лазерного излучения, который позволяет регистрировать информацию о профиле записывающего светового пучка.

Экспериментальная установка, описанная в статье А.С. Шишкиной и др., "Прямая лазерная запись и исследование оптофлюидных элементов внутри нанопористой силикатной матрицы ", Опт. и спектр., Т. 130, вып. 5, с. 779-786 (2022), состоит из: волоконного иттербиевого фемтосекундного лазера (Antaus-20W-20u/1M, Avesta Ltd.) с длиной волны λ = 1030 нм, длительностью импульсов τ = 220 фс и максимальной частотой следования импульсов ν = 200 кГц, перископа (Avesta PVH-DP); зеркала с диэлектрическим покрытием (R > 99%), объектива (ЛОМО, 60×, NA = 0,85), трехкоординатной системы (Thorlabs), обеспечивающей скорость перемещения образца в поле XYZ от 0,1 до 50,0 мм/с с минимальным шагом смещения 0,5 мкм, и ПК. Мощность излучения для формирования волноводов асимметричного сечения изменялась в пределах от 17 до 170 мВт. Данная установка не позволяет создавать волноводы симметричного сечения, а возможности формирования волноводных структур в оптических кристаллах не рассматриваются.

Наиболее близким к заявленному техническому решению (прототипом) является многоимпульсная система, описываемая в патенте US 9904018 B2, для записи волноводов, решеток и интегрально-оптических схем в кварцевом стекле. В качестве источника излучения в данной системе использовался волоконный лазер (IMRA America™, модель μJewel-400) с длиной волны λ = 1045 нм, длительностью импульса ~400 фс и возможностью изменения частоты следования импульсов от 100 кГц до 5 МГц. Акустооптический модулятор (АОМ), расположенный между двумя коллиматорами, использовался в данной системе для управления интенсивностью лазерного излучения. Для изменения длины волны записывающего излучения с λ = 1045 нм на λ = 522 нм, в конструкцию системы между линзами устанавливался кристалл трибората лития (LBO). С помощью аттенюатора, системы зеркал и фокусирующей линзы лазерное излучение проецировалось в необходимую область экспериментального образца, установленного на подвижном столике. Недостатком данного изобретения является сложность конструкции описываемой системы: использование в качестве источника излучения импульсного волоконного лазера, многоэтапное преобразование поперечных размеров лазерного пучка, использование акустооптического модулятора для управления интенсивностью излучения, использование требующего дополнительной точной юстировки кристалла трибората лития для удвоения частоты записывающего излучения для предотвращения возникновения поперечных мод высших порядков.

Во всех перечисленных выше аналогах не рассматривается возможность юстировки лазерного луча по угловым координатам, необходимой для точной настройки светового пучка перпендикулярно плоскости экспериментального образца.

Техническим результатом заявляемого изобретения является возможность линейного позиционирования и вращения кристалла относительно записывающего лазерного излучения по трем пространственным и двум угловым координатам; использование оптического затвора для управления интенсивностью лазерного излучения; использование анализатора лазерного излучения для контроля интенсивности и поперечных размеров светового пучка.

Технический результат достигается тем, что:

1. Кристалл LiNbO₃ устанавливается на трехкоординатном позиционере с поворотными платформами, позволяющими настроить плоскость поверхности кристаллической подложки ортогонально записывающему излучению и перемещать образец с шагом 1 мкм для создания необходимой топологии.

2. Непрерывное излучение YAG:Nd³⁺ лазера на удвоенной частоте
(λ = 532 нм) с гауссовым профилем интенсивности, проходя через линзовую систему, проецируется на легированный кристалл LiNbO₃ для изменения показателя преломления в локальной приповерхностной области на необходимую величину.

3. Оптический затвор, синхронно работающий с позиционером, контролирует длительность облучения локальной области кристалла в процессе формирования волноводных, пространственно-неоднородных и дифракционных структур.

4. Изображение светового поля, сформированного линзовой системой на поверхности кристалла LiNbO₃, передается сферической линзой на ПЗС-матрицу анализатора лазерного излучения, тем самым определяется необходимый диаметр экспонирующего пучка.

5. С помощью программного обеспечения, входящего в блок обработки данных, контролируется работа всей установки и отдельных элементов (источника лазерного излучения, трехкоординатного позиционера, оптического затвора и анализатора лазерного излучения).

Установка отличается от прототипа тем, что:

В качестве источника записывающего излучения используется непрерывный YAG:Nd³⁺ лазер, работающий на удвоенной частоте (λ = 532 нм), интенсивность которого управляется оптическим затвором (механическим, электрооптическим или акустооптическим), а линзовая система проецирует световое поле на кристаллическую подложку, установленную на трехкоординатный позиционер с поворотными платформами. Кристалл располагается ортогонально плоскости светового поля, изображение распределения интенсивности которого на входной грани кристаллической подложки передается сферической линзой на анализатор лазерного излучения и регистрируется блоком обработки данных. Блок обработки данных управляет работой лазера, оптического затвора, трехкоординатного позиционера с поворотными платформами и анализатором лазерного излучения.

В результате установка позволяет формировать различные топологии волноводных и пространственно-неоднородных структур, а также одномерные и двумерные дифракционные структуры с различной величиной измененного показателя преломления и геометрическими размерами в приповерхностных областях кристаллов ниобата лития и других электрооптических кристаллов.

Данная установка реализована на основе трехкоординатного позиционера с поворотными платформами, источником непрерывного лазерного излучения и оптическим затвором, схема которой показана на фиг.1, где: 1 - твердотельный YAG:Nd³⁺ лазер (λ = 532 нм); 2 - оптический затвор; 3 - линзовая система; 4 - трехкоординатный позиционер с поворотными платформами; 5 - электрооптический кристалл, 6 - сферическая линза; 7 - анализатор лазерного излучения; 8 - блок обработки.

Достижение технического результата подтверждается следующими примерами.

Пример 1. Электрооптический кристалл ниобата лития устанавливается на трехкоординатный позиционер Thorlabs NRT150/M с поворотными миниплатформами Standa. Поверхность кристалла совмещается с фокальной плоскостью микрообъектива с увеличением 40×. Электрооптическим затвором на основе высокоомного кристалла KTP с поперечными размерами 6×6 мм² модулируется излучение непрерывного малошумящего одночастотного лазера с диодной накачкой Cobolt Samba 0532-04-01. Изображение светового поля, сфокусированного микрообъективом на входной грани кристалла, передается сферической линзой на анализатор лазерного излучения Beamage-3.0. Анализатор подключен к блоку обработки данных для определения и контроля поперечных размеров перетяжки лазерного луча. Длительность облучения локальных приповерхностных областей кристаллической подложки варьируется для достижения необходимой величины изменений показателя преломления. Блок обработки данных, отправляя/принимая сигналы на/от элементов установки (источник излучения, оптический затвор, трехкоординатный позиционер с поворотными платформами, анализатор профиля лазерных пучков), обеспечивает их автоматизированную и синхронную работу, а также позволяет реализовать необходимую топологию создаваемых волноводных, пространственно-неоднородных и дифракционных структур.

Пример 2. Электрооптический кристалл ниобата лития устанавливается на трехкоординатный позиционер Thorlabs NRT150/M с поворотными миниплатформами Standa. На кристалл ортогонально его поверхности проецируется коллиматором излучение непрерывного малошумящего одночастотного лазера с диодной накачкой Cobolt Samba 0532-04-01. Изображение коллимированного светового поля передается сферической линзой на анализатор лазерного излучения Beamage-3.0. Анализатор подключен к блоку обработки данных для определения и контроля поперечных размеров перетяжки лазерного луча. Электрооптическим затвором высокоомного кристалла KTP с поперечными размерами 6×6 мм² контролируется длительность облучения локальных приповерхностных областей кристаллической подложки для изменения показателя преломления на необходимую величину. Перемещая кристалл относительно лазерного излучения при помощи трехкоординатного позиционера, обеспечивается реализация необходимой топологии создаваемых дифракционных структур. Блок обработки данных, отправляя и принимая сигналы от элементов установки (источника излучения, оптического затвора, трехкоординатного позиционера с поворотными платформами, анализатора профиля лазерных пучков), обеспечивает автоматизированную и синхронную работу элементов установки, а также позволяет реализовать необходимую топологию создаваемых дифракционных структур.

Заявляемое изобретение может использоваться для формирования волноводных, пространственно-неоднородных и дифракционных структур не только в кристаллах ниобата лития, но и в других электрооптических кристаллах.

Изобретение относится к области оптоэлектроники и может быть использовано при изготовлении интегрально-оптических элементов, устройств и приборов фотоники. Устройство для формирования волноводных, пространственно-неоднородных и дифракционных структур в приповерхностных областях электрооптических кристаллов содержит источник лазерного излучения, линзовую систему, трехкоординатный позиционер. Излучение твердотельного YAG:Nd³⁺ лазера, работающего в непрерывном режиме на удвоенной частоте λ = 532 нм, модулируется оптическим затвором и проецируется с помощью линзовой системы на поверхность кристаллической подложки, установленной на трехкоординатный позиционер с поворотными платформами для ортогональной настройки положения относительно плоскости светового поля, изображение распределения интенсивности которого на входной грани кристалла передается сферической линзой на анализатор лазерного излучения, подключенный к блоку обработки данных. Техническим результатом является возможность линейного позиционирования и вращения кристалла относительно записывающего лазерного излучения по трем пространственным и двум угловым координатам; использование оптического затвора для управления интенсивностью лазерного излучения; использование анализатора лазерного излучения для контроля интенсивности и поперечных размеров светового пучка. 1 ил.

Устройство для формирования волноводных, пространственно-неоднородных и дифракционных структур в приповерхностных областях электрооптических кристаллов, содержащее источник лазерного излучения, линзовую систему для создания фокусированного светового поля на поверхности кристаллической подложки, трехкоординатный позиционер, управляющий положением образца относительно экспонирующего светового поля, отличающееся тем, что излучение твердотельного YAG:Nd³⁺ лазера, работающего в непрерывном режиме на удвоенной частоте λ = 532 нм, модулируется оптическим затвором и проецируется с помощью линзовой системы на поверхность кристаллической подложки, установленной на трехкоординатный позиционер с поворотными платформами для ортогональной настройки положения относительно плоскости светового поля, изображение распределения интенсивности которого на входной грани кристалла передается сферической линзой на анализатор лазерного излучения, подключенный к блоку обработки данных, управляющему работой твердотельного YAG:Nd³⁺ лазера, оптического затвора и позиционера с поворотными платформами.