СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ВОЛНОВОДНЫХ, ПРОСТРАНСТВЕННО-НЕОДНОРОДНЫХ И ДИФРАКЦИОННЫХ СТРУКТУР В ПРИПОВЕРХНОСТНЫХ ОБЛАСТЯХ ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИХ КРИСТАЛЛОВ Российский патент 2025 года по МПК G02F1/35 

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

Из уровня техники известны способы для формирования волноводных структур типа I, II и III, а также дифракционных структур в кристаллических средах и других оптически прозрачных материалах. Способ формирования оптических волноводов фемтосекундной лазерной записью в диэлектрических кристаллах, описанный в статье L. Li "Femtosecond laser-inscribed optical waveguides in dielectric crystals: a concise review and recent advances", Advanced Photonics, Vol. 4(2), P. 024002-1-024002-29 (2022); способ лазерной записи интегральных волноводов описан в патенте RU 2781465 C1, опубликованном 25.04.2017 г.; способ прямой лазерной записи дифракционных структур в ниобате лития, описанный в статье V. Mizeikis et al., "Direct Laser Writing: Versatile Tool for Microfabrication of Lithium Niobate", JLMN-Journal of Laser Micro/Nanoengineering, Vol. 7, No. 3, P. 345-350 (2012); способ оптически индуцированной модификации показателя преломления в оптическом сегнетоэлектрике описан в патенте US 20060104568 A1, опубликованном 18.05.2006 г.

Способы фемтосекундной лазерной записи используются для создания оптических волноводов типа I, II и III различной конфигурации путем модификации структуры диэлектрических кристаллов в локально облученных областях (статья L. Li "Femtosecond laser-inscribed optical waveguides in dielectric crystals: a concise review and recent advances", Advanced Photonics, Vol. 4(2), P. 024002-1-024002-29 (2022)). Излучение ближнего инфракрасного диапазона с длиной волны 800 нм или 1 мкм используется для изменения показателя преломления Δn большинства кристаллов и создания в них волнововодных и дифракционных структур (KTiOPO₄, β-BBO или LiNbO₃). Для наведения Δn и создания волноводных и дифракционных структур в кремнии (Si) применяются лазеры с длиной волны 1,5 мкм. Для формирования волноводных и дифракционных структур в кристаллических материалах лазерной записью достаточно частоты следования импульсов порядка кГц. При использовании лазерной записи с частотой следования импульсов порядка МГц происходят тепловые эффекты, что часто используется для изготовления волноводных и дифракционных структур в стеклообразных средах. Описанные выше способы изменяют показатель преломления сред путем модификации структуры материала. Для реализации волноводных, дифракционных и других пространственно-неоднородных структур с необходимыми характеристиками требуется оборудование с возможностью перемещения в микронном и субмикронном масштабе. Кроме того, для контроля поперечных размеров модификаций, вносимых лазерным излучением, необходимо управлять энергией импульсов. Бесконтрольное воздействие излучения на материал может также привести к повреждению или разрушению кристаллической подложки в процессе формирования структур.

Способ, описанный в патенте RU 2781465 C1, позволяет создавать волноводы круглого сечения в стеклокристаллическом диэлектрике. Для создания волноводных структур используется источник импульсного лазерного излучения и моторизированный высокоточный столик на пневмоприводе. Фемтосекундным лазерным излучением записаны волноводы в образцах прозрачного ЛАС ситалла размерами 20×20×2 мм³ на глубине 150 мкм относительно поверхности образцов. В примере 1 описано, что сфокусированным лазерным излучением на длине волны 1030 нм, с длительностью импульсов 250 фс, частотой следования 1 кГц и энергией импульсов 300 нДж была сформирована аморфная оболочка волновода, состоящая из 20 треков, окружающих не модифицированную сердцевину диаметром 18 мкм. Расстояние между отдельными треками в формируемой оболочке составляло 3 мкм. Для фокусировки лазерного пучка использовали объектив с увеличением 50× и числовой апертурой 0,65. Изменение показателя преломления составило Δn = -0,005. Сформированный волновод характеризуется как одномодовый с потерями на распространение света 2,4 дБ/см. Для создания границ формируемых волноводов близким к однородным необходимо записывать треки на расстоянии нескольких микрометров. Это усложняет контроль процесса модификации показателя преломления по глубине материала.

В статье V. Mizeikis et al., "Direct Laser Writing: Versatile Tool for Microfabrication of Lithium Niobate", JLMN-Journal of Laser Micro/Nanoengineering, Vol. 7, No. 3, P. 345-350 (2012) дифракционные структуры формировались при помощи фемтосекундной лазерной записи в легированных железом (Fe) кристаллах ниобата лития Y-среза. В качестве источника излучения использовался фемтосекундный лазер Tsunami (Spectra Physics) с длительностью импульса 130 фс, длиной волны λ = 800 нм и частотой следования импульсов 80 МГц. Лазерный луч фокусировался в объеме образца с помощью микрообъективов с числовой апертурой (NA = 0,35 и 0,4). Процесс формирования дифракционных структур осуществлялся путем перемещения образца с постоянной линейной скоростью (20-200 мкм/с). Например, дифракционная решетка с периодом Λ=13 мкм была получена с помощью микрообъектива с NA = 0,35 при средней мощности лазерного излучения 35 мВт и скорости перемещения образца 100 мкм/с. Данный способ не подразумевает возможность создания однородных или неоднородных волноводных структур и используется только для формирования дифракционных структур.

Наиболее близким к заявленному техническому решению (прототипом) является описанный в патенте US 20060104568 A1 способ по оптическому индуцированию изменений показателя преломления в оптическом сегнетоэлектрике. Данный способ при локальном освещении экспериментального образца позволяет увеличить показатель преломления до величины Δn ≈ 6×10^-4 и реализовать волноводы типа I. Не приведены примеры, показывающие уменьшение показателя преломления вследствие локального экспонирования кристаллов ниобата лития. Авторы патента предполагают, что причиной изменений показателя преломления является локальная или взаимная диффузия ионов, индуцированная лазером; ионы диффундируют в сторону от облученного объемного участка материала. Выход ионов лития в LiNbO₃ происходит при повышенных температурах и может вызывать увеличение необыкновенного показателя преломления. В данном случае сильное поглощение УФ-излучения в небольшом объеме вблизи поверхности LiNbO₃ может вызвать локальное повышение температуры, следствием чего может являться обратная диффузия и/или взаимная диффузия лития, которая впоследствии приведет к увеличению необыкновенного показателя преломления.

Техническим результатом заявляемого изобретения является формирование различных топологий регулярных и нерегулярных волноводных структур, пространственно-неоднородных и дифракционных структур путем изменения показателя преломления в приповерхностных областях легированных фоторефрактивными примесями электрооптических кристаллов непрерывным или импульсным лазерным излучением; возможность реконфигурации сформированных структур когерентным или некогерентным оптическим излучением; возможность увеличения или уменьшения показателя преломления путем воздействия фокусированного светового поля на локальную область; формирование дифракционных структур фокусированным или коллимированным световым полем; возможность частичного или полного стирания сформированных структур в приповерхностных областях электрооптических кристаллов воздействием светового или температурного поля.

Технический результат достигается тем, что:

1. Монохроматическое излучение непрерывного или импульсного источника, например, одночастотного лазера, фокусируется на полированную поверхность электрооптического кристалла, легированного фоторефрактивными примесями или их комбинациями, и уменьшает или увеличивает показатель преломления освещенной области на контролируемую величину.

2. Длина волны источника монохроматического излучения, воздействующего на кристалл, подбирается таким образом, чтобы коэффициент поглощения составлял величину не менее 0,5 мм^-1.

3. Светочувствительность электрооптического кристалла, например, ниобата лития, к излучению из сине-зеленой области спектра увеличивается за счет легирования кристаллической подложки фоторефрактивными примесями, такими как медь (Cu), железо (Fe) и др. В качестве электрооптического кристалла может использоваться не только LiNbO₃, но и другие электрооптические кристаллы.

4. Путем перемещения кристалла при помощи трехкоординатного позиционера относительно светового поля (или светового поля относительно кристалла) формируются различные топологии интегрально-оптических элементов с контролируемым изменением показателя преломления. Различными топологиями могут быть прямолинейные или криволинейные регулярные и нерегулярные волноводные структуры, делители оптической мощности, дифракционные и фотонно-кристаллические структуры, а также их комбинации.

Способ отличается от прототипа тем, что:

Воздействие на кристалл осуществляется не только фокусированным, но и коллимированным непрерывным или импульсным излучением, и формируется профиль изменений показателя преломления в области экспонирования световым полем при непрерывном контроле анализатором профиля лазерных пучков.

Предложенный способ позволяет формировать различные топологии волноводных, пространственно-неоднородных и дифракционных структур с величиной измененного показателя преломления и геометрическими размерами, контролируемыми в процессе формирования в приповерхностных областях электрооптических кристаллов.

Данный способ реализован на основе воздействия монохроматического излучения на локальные области электрооптических кристаллов, легированных фоторефрактивными примесями. Схематическое изображение процесса формирования волноводных, пространственно-неоднородных и дифракционных структур показано на фиг.1, где: 1 - источник излучения; 2 - оптический затвор (механический, электрооптический или акустооптический затвор); 3 - линзовая система; 4 - трехкоординатный позиционер с поворотными платформами; 5 - электрооптический кристалл; 6 - анализатор профиля лазерных пучков; 7 - топология волноводной структуры; 8 - топология дифракционной структуры.

Достижение технического результата подтверждается следующими примерами.

Пример 1. Легированный медью и/или железом электрооптический кристалл ниобата лития устанавливается на трехкоординатный позиционер. Внедрение ионов меди и/или железа необходимо для усиления поглощения в приповерхностных областях кристалла ниобата лития монохроматического излучения из сине-зеленой области спектра. Поверхность кристалла совмещается с фокальной плоскостью линзовой системы. Оптическим затвором перекрывается и/или модулируется излучение непрерывного малошумящего одночастотного лазера с диодной накачкой. Изображение светового поля, сфокусированного линзовой системой на входной грани кристалла, передается сферической линзой на анализатор профиля лазерных пучков. Анализатор определяет поперечные размеры лазерного луча и области изменений показателя преломления Δn в процессе экспонирования кристалла. Длительность облучения локальных приповерхностных областей кристаллической подложки варьируется для достижения необходимой величины Δn порядка 10^-3. В плоскости, перпендикулярной поверхности, на которую воздействует лазерное излучение, фиксируются изображения с периодичностью не более 1 секунды для записи в динамике изменений Δn в кристалле вдоль оси распространения светового поля. Размеры индуцированных изменений показателя преломления Δn зависит от параметров излучения и его поглощения в материале, глубины внедрения примеси внутрь материала, и расстояния между облученными областями. Глубина Δn может изменяться от нескольких десятков микрометров до величины равной толщине кристаллической подложки (фиг. 2).

Пример 2. Легированный медью и/или железом электрооптический кристалл ниобата лития устанавливается на трехкоординатный позиционер. На кристалл ортогонально его поверхности проецируется линзовой системой (коллиматором или микрообъективом) монохроматическое излучение из сине-зеленой области спектра. Изображение коллимированного/фокусированного светового поля передается сферической линзой на анализатор профиля лазерных пучков. Анализатор определяет на поверхности образца поперечные размеры светового поля и области изменений показателя преломления в процессе экспонирования кристалла. Оптическим затвором перекрывается и/или модулируется, а также контролируется длительность облучения локальных приповерхностных областей кристаллического образца для изменения показателя преломления на необходимую величину Δn порядка 10^-3. Перемещением кристалла относительно лазерного излучения обеспечивается реализация необходимой топологии создаваемых структур, например, прямолинейная волноводная структура (фиг. 3), пространственно-неоднородная структура (фиг. 4), двумерная дифракционная структура, обладающая свойствами фотонно-кристаллической структуры (фиг. 5), делитель оптической мощности Y-типа (фиг. 6), одномерные дифракционные структуры, сформированные коллимированным излучением с последующей реконфигурацией параметров в одной и той же области (фиг. 7а, б).

Заявляемый способ 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. Способ формирования волноводных, пространственно-неоднородных и дифракционных структур в приповерхностных областях электрооптических кристаллов включает облучение монохроматической волной поверхности и/или объема электрооптического кристалла для изменения показателя преломления, где оптический источник воздействует фокусированным или коллимированным непрерывным либо импульсным излучением на локальную область кристалла с легирующими примесями, повышающими фоточувствительность материала с коэффициентом поглощения для экспонирующей волны не менее 0,5 мм^-1, и формирует профиль изменений показателя преломления путем перемещения кристалла относительного светового поля при непрерывном контроле анализатором профиля лазерных пучков. Способ обеспечивает формирование различных топологий регулярных и нерегулярных волноводных структур, пространственно-неоднородных и дифракционных структур, возможность реконфигурации сформированных структур. 7 ил.

Способ формирования волноводных, пространственно-неоднородных и дифракционных структур в приповерхностных областях электрооптических кристаллов, включающий облучение монохроматической волной поверхности и/или объема электрооптического кристалла для изменения показателя преломления, отличающийся тем, что оптический источник воздействует фокусированным или коллимированным непрерывным, либо импульсным излучением на локальную область кристалла с легирующими примесями, повышающими фоточувствительность материала с коэффициентом поглощения для экспонирующей волны не менее 0,5 мм^-1, и формирует профиль изменений показателя преломления путем перемещения кристалла относительного светового поля при непрерывном контроле анализатором профиля лазерных пучков.