飞秒激光写入玻璃，包括硼硅酸盐、硫化物和铅

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G11C13/00-数字商店，其特点是使用不属于G11C11/00、G11C23/00和G11C25/00组的存储元件。

G11C13/04-数字商店，其特征是使用G11C11/00、G11C23/00、G11C23/00和G11C25/00组未涵盖的存储元件，使用使用其他光束存取元件的光学元件，例如电子束、离子束。

G11C13/041-数字商店，其特征在于使用组G11C11/00、G11C23/00和G11C25/00未涵盖的存储元件，使用使用其他光束存取元件的光学元件，例如使用光致变色存储元件的电子束、离子束

B23K-焊接或脱固；焊接；通过焊接或焊接进行熔覆或电镀；局部加热切割，例如火焰切割；激光加工。

B23K26/02-定位或观察工件，例如相对于撞击点；对准、瞄准或聚焦激光束。

B23K26/062-整形激光束，例如通过掩模或通过直接控制激光束进行多次聚焦。

B23K26/0622-整形激光束，例如通过掩模整形或通过整形脉冲直接控制激光束进行多次聚焦。

B23K26/0624-通过使用超短脉冲(即1 ns或更短的脉冲)整形脉冲来直接控制激光束，例如通过掩模或多重聚焦来整形激光束。

玻璃、釉料或釉面的化学成分；玻璃的表面处理；由玻璃、矿物或矿渣制成的纤维或长丝的表面处理；玻璃与玻璃或其他材料的连接。

C03C23/00-非纤维或长丝形式的玻璃的其他表面处理。

C03C23/0005.用辐照对非纤维或长丝形式的玻璃进行的其他表面处理

C03C23/0025.用激光束照射非纤维或细丝形式的玻璃的其他表面处理。

G11C13/00-数字商店，其特点是使用不属于G11C11/00、G11C23/00和G11C25/00组的存储元件。

G11C13/04-数字商店，其特征是使用G11C11/00、G11C23/00、G11C23/00和G11C25/00组未涵盖的存储元件，使用使用其他光束存取元件的光学元件，例如电子束、离子束。

Y-新技术发展的一般标记；跨IPC几个部分的横截面技术的一般标记；前USPC交叉引用艺术收藏[XRAC]和文摘所涵盖的技术主题。

一种在块状玻璃基板上写入图案(如波导)的方法。例如，块状玻璃基板可以由硼硅酸盐或硫化物或铅玻璃形成。脉冲激光束聚焦在衬底内，同时焦点沿着扫描路径相对于衬底平移，扫描速度有效地诱导材料沿扫描路径的折射率增加。沿着扫描路径基本上不会引起材料的激光引起的物理损伤。使用该方法可以制造各种光学器件。

相关申请的交叉引用本申请要求1999年7月29日提交的题为使用Nicholas F.Borrelli和Charlene Smith的飞秒脉冲激光在硅基玻璃中直接写入光学设备的美国临时专利申请第60/146,274号的优先权，以及1999年12月17日提交的美国临时专利申请第60/172,122号，飞秒激光写入玻璃，包括尼古拉斯的硼硅酸盐、硫化物和铅玻璃。

发明背景本发明涉及使用飞秒激光来处理或曝光玻璃，以形成诸如波导的图案。该方法可用于形成光学器件，例如导光结构。本发明还涉及在玻璃中形成的波导。

诸如光波导和布拉格衍射光栅之类的光学设备在电信领域是广为人知的。在光波导中，折射率较高的纤芯被折射率较低的包层包裹，可以在信号衰减很小的情况下，远距离传输大量的光信息。光波导光纤就是这种类型的原型器件。该光纤是通过一种方法生产的，该方法通过其制造给出了适当的波导结构。布拉格光栅是另一种类型的光学设备，可用于将窄波段的波长与较宽的信号隔离。在光导器件的电信应用中最常用的材料是掺杂的二氧化硅基组合物。

众所周知，脉冲激光源既可以用来影响玻璃的折射率变化，也可以用来产生物理损伤。关于前者，已知使用脉冲UV辐射源来写入布拉格光栅。最近，已经公开了一种在对飞秒激光器的波长透明的玻璃体积内形成光波导的“直写”激光方法。在这种方法中，当玻璃垂直于入射光束通过焦点平移时，120fs脉冲810纳米激光聚焦在一块抛光的掺锗二氧化硅中。据报道，在特定条件下，病灶在暴露区域被扫描10次，折射率增加了约10−2。参见K.Hirao和K.Miura，J.Non-Crystl。《索尔235》，第31-35页，1998年。

使用短脉冲聚焦激光在块状玻璃中形成波导的直接写入工艺的一个潜在问题是过度曝光。能量过高的照射会导致玻璃的物理损伤。物理损坏会导致通过玻璃传输的光信号出现不希望看到的衰减。

制造光学结构的直接写入方法中的另一个问题涉及写入装置(例如激光器)的稳定性和在衬底材料中引起所需折射率变化所需的能量之间的权衡。

飞秒激光系统是一种产生时间宽度为10-200fs的光脉冲序列的系统。飞秒激光系统通常是飞秒锁模振荡器，在此被称为飞秒激光器。重复率和每脉冲能量是特定系统的函数。一般说来，这些系统包括一个振荡器(传递能量的系统)，脉冲串是从该振荡器产生的。每个脉冲的最大能量约为1-10 nJ。重复率(本质上是腔内的往返时间)可能非常高，约为100兆赫。如果需要更多能量，则增加放大器部分。在这里，脉冲被加宽以降低强度，被放大，然后被压缩。一个人可以达到MJ级别的能量，但以重复频率为代价。根据特定的放大方案和最终脉冲宽度，重复频率可以从1 kHz到250 kHz。另一种方法是所谓的“空腔倾倒”方法。下面的表I总结了这三种方法。

表1腔振荡器放大器转储脉冲持续时间(Fsec)<；40 40-150<；40能量范围1-10 nJ约1 mJ 1-50 nJ Rep rate≦100MJ 1-250 kHz<；1 MHz模式质量好坏稳定性好不如振荡器系统稳定。

上表说明了激光器配置方式导致的操作权衡。当脉冲能量小于10nJ时，使用振荡器模式可以相对容易地获得100兆赫兹的重复频率，但在μJ能级，重复频率被折衷并下降到几千赫的范围。由光束的时间和空间完整性定性描述的模式质量在放大系统中相对较差，并且在使用振荡器时有所改善。类似地，在振荡器的情况下，激光器的整体稳定性被发现是更稳健的。事实证明，这些参数在制造光学器件的直写方法中具有实际重要性，在这种方法中，需要控制激光束的指向稳定性，以便在衬底中写入紧密间隔的光学结构，例如衍射光栅线。

为了使飞秒激光直写方法实用化，材料的折射率(如>；10−3)应在合理的写入时间内发生较大变化。此外，还应避免形成激光引起的物理损伤。需要找到能够满足大折射率变化要求且不会对材料造成物理损害的材料。还希望能够在不需要放大器的情况下使用振荡器的相对较低的能量来制造光学设备，例如波导。

此外，仍然需要一种实用的直接写入方法，该方法以可接受的高写入速率创建具有充分增加的折射率的光学器件。这种方法可用于在合适材料的连续块内写入连接任意两点的连续导光波导图案，或制造其他光学器件，例如布拉格光栅。

发明内容根据这些和其他需要，根据本发明，已经提供了一种在具有吸收边(λg)的块状玻璃基板上写入图案的方法，包括聚焦具有波长(λex)的脉冲激光束，使得λg∠λex∠2λg位于所述基板内的焦点处，同时以有效的扫描速度沿扫描路径相对于基板平移焦点以有效地诱导材料的折射率沿扫描路径相对于未曝光材料的折射率增加，同时基本上不会引起激光诱导击穿。

根据这些和其他需要，根据本发明，还提供了一种在选自硼硅酸盐、铅和硫化物玻璃的组中的块状玻璃基板上写入图案的方法，包括将脉冲激光束聚焦在所述基板内的焦点上，同时以有效的扫描速度使焦点相对于基板沿扫描路径平移，以有效地诱导材料沿扫描路径相对于未曝光材料的折射率增加，同时基本上不会引起沿扫描路径的材料的激光诱导击穿。

根据本发明，还提供了一种由一种或多种具有诱导折射率变化的硼硅酸盐、铅和硫化物玻璃形成的光学装置，例如波导。

通过下面的详细描述，本发明的其他目的、特征和优点将变得显而易见。

附图简介图1是可用于实施本发明的设备的示意性布置。

无花果。2(A)和图2(A)。2(B)分别表示入射激光束在顶部写入方向和轴向写入方向上相对于扫描方向的定位。

无花果。3(A)和图3(A)。3(B)分别示出了顶部写入方向上的扫描光束轮廓和波导横截面形状。

无花果。3(C)和图3(C)。3(D)分别示出了在轴向写入方向上的扫描光束轮廓和波导横截面形状。

无花果。4(A)和图4(A)。4(B)是直接在块状玻璃中写入三维光学器件的顶写布置的透视图。

图5是用于观察远场模式的设备设置的示意图。

无花果。6(A)是近场图案和图2。6(B)是根据本发明在铅玻璃中制造的结构的远场图案。

图7显示了根据本发明曝光的硼硅酸盐玻璃的近场强度图案。

图8显示了根据本发明曝光的硼硅酸盐玻璃的远场强度图案。

图9a、9b和9c是根据本发明在硫化物玻璃中制造的波导结构的近场图案。

图10a、10b、10c和10d是根据本发明在硫化物玻璃中制造的波导结构的远场图案。

图11a、11b、11c和11d是可以根据本发明制造的光学装置。

具体实施方式本发明人已经发现，如果玻璃的吸收边在激光器波长输出的两个光子范围内，则即使使用来自振荡器的低能量，也可以产生出乎意料的大的折射率变化。这一发现由下面的公式A表示。

特定IS玻璃的吸收边缘是众所周知的，并且可以通过本领域技术人员已知的技术来测量。例如，吸收边可以是吸光度/厘米约为2的波长。

只要满足上述条件，任何玻璃和激光器都可以选择。例如，对于硫磺玻璃，λex可约为780至约830 nm，而对于硼硅酸盐玻璃，λex可约为390至415。虽然任何玻璃都可以使用，但不一定要使用现有制作衍射光栅的方法所要求的含锗玻璃或掺氢玻璃。因此，玻璃可以不含锗和/或不掺杂氢。

已经发现，如果激发波长和激光器波长之间的关系如上所述，诸如从振荡器获得的低能量(小于约10nJ)可以用于写入某些不同玻璃成分的波导，即硼硅酸盐玻璃、铅和硫化物玻璃。例如，利用飞秒振荡器的输出，可以获得大于0.001的折射率变化，而相对较低的光束强度为1010-1011W/cm2，每个脉冲的能量约为1-10nJ。在先前关于飞秒激光引起的折射率变化的报道中(例如，参见Hirao等人，J.Non-Cryst。SoC。235，31-35,1998)，强度是100-1000倍，并且是从放大器的输出获得的。

在本发明中，人们还可以使用短焦距来更紧地聚焦光，以获得在1012到1014W/cm2数量级的更高强度。然而，这通常是以牺牲透镜的工作距离为代价的，从而限制了波导的长度。

能够使用振荡器在玻璃上写入是有利的，因为光束具有更好的时间和指向稳定性。与使用放大的激光系统相比，这导致形成更均匀的波导。申请者被认为是第一个使用振荡器形成波导的人。不利的是，如果在放大器模式下操作，则波束形状相对容易变形，从而转化为波导的形状。

本发明允许使用从振荡器获得的低能量在特定玻璃中写入。在玻璃立方体的任意位置写入一个小的(数量级为几微米)光斑的能力取决于导致光学变化的相互作用的强度依赖性。这种变化可以表现为光吸收、折射率变化或物理损伤。

如果对强度的依赖形式是imm，m是过程的顺序，那么有可能只在光束的焦点处发生相互作用。之所以出现这种情况，是因为入射锥体到焦点的强度太弱，不能影响相互作用。M的值越大，这种情况就越严重，对于给定的聚焦透镜，光斑就越小。一个人可以写入的最大深度最终受写入透镜的工作距离的限制，这与写入强度是一致的。

本发明提供了使这种书写特别实用的三类材料，即硼硅酸盐、硫化物和铅玻璃。虽然玻璃与飞秒激光相互作用的机制尚不清楚，但人们认为，由于脉冲宽度较短，激发的光电子不能热弛豫，因为脉冲宽度比晶格热化时间短。在足够高的强度和电子不能松弛的情况下，一个人可以建立一个相对较高的电子密度。它的高度足以被认为是等离子体。(等离子体是电子的集合，本质上是一种自由电子气)。这个结构是如何永久改变的还不得而知。这可能与材料在高能激发后的致密化有关，如伽马射线或紫外准分子激光。

申请者调查了各种玻璃对飞秒激光曝光的敏感性。人们已经发现，引起可测量的折射率变化所需的曝光能量可以随具体玻璃成分的不同而变化几个数量级。研究发现，影响相互作用的一个重要因素是飞秒光源的激发波长(λex)相对于玻璃的本征吸收波长(λg)。如果激发波长在本征吸收边的双光子激发范围内，如上述公式所示，则在脉冲能量小于10nJ(例如低至1nJ)的情况下引起10−3量级的折射率变化是可行的。这与当激发波长远离固有吸收边时产生可比折射率变化所需的能量(可大1000倍)形成鲜明对比。

根据本发明的在块状衬底中形成图案的方法包括以下步骤：选择由例如硼硅酸盐、硫化物或铅玻璃中的一种制成的衬底，在其中写入图案；将脉冲激光束聚焦在衬底内有效地诱导一部分辐照材料的折射率增加的位置；以及使衬底和焦点彼此平移以形成图案，例如沿着扫描路径在衬底内的导光结构。

如图所示，通过参考适合于实施本发明的设备设置的一般布置，可以更好地理解该方法。1.飞秒激光器1产生脉冲激光束2，该脉冲激光束2通过透镜5聚焦在位于玻璃样品4内的焦点3上。样品平移成1。

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