Способ формирования трубчатого канального волновода и установка для его осуществления



Способ формирования трубчатого канального волновода и установка для его осуществления
Способ формирования трубчатого канального волновода и установка для его осуществления
Способ формирования трубчатого канального волновода и установка для его осуществления
Способ формирования трубчатого канального волновода и установка для его осуществления
Способ формирования трубчатого канального волновода и установка для его осуществления
Способ формирования трубчатого канального волновода и установка для его осуществления
Способ формирования трубчатого канального волновода и установка для его осуществления
Способ формирования трубчатого канального волновода и установка для его осуществления
Способ формирования трубчатого канального волновода и установка для его осуществления
Способ формирования трубчатого канального волновода и установка для его осуществления
Способ формирования трубчатого канального волновода и установка для его осуществления
Способ формирования трубчатого канального волновода и установка для его осуществления
Способ формирования трубчатого канального волновода и установка для его осуществления
Способ формирования трубчатого канального волновода и установка для его осуществления
Способ формирования трубчатого канального волновода и установка для его осуществления
Способ формирования трубчатого канального волновода и установка для его осуществления
Способ формирования трубчатого канального волновода и установка для его осуществления
Способ формирования трубчатого канального волновода и установка для его осуществления
Способ формирования трубчатого канального волновода и установка для его осуществления
Способ формирования трубчатого канального волновода и установка для его осуществления
Способ формирования трубчатого канального волновода и установка для его осуществления
G02B6/10 - типа оптического волновода (G02B 6/24 имеет преимущество; приборы и устройства для управления светом с помощью электрических магнитных, электромагнитных или акустических средств G02F 1/00; перенос модуляции модулированного света G02F 2/00; оптические логические элементы G02F 3/00; оптические аналого-цифровые преобразователи G02F 7/00; запоминающие устройства с использованием электрооптических элементов G11C 11/42; электрические волноводы H01P; передача информации с помощью оптических средств H04B 10/00; передающие системы H04J 14/00)

Владельцы патента RU 2711001:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Научный центр волоконной оптики Российской академии наук (НЦВО РАН) (RU)

Изобретение относится к области оптического приборостроения и касается способа формирования в образце оптического материала оболочки трубчатого канального волновода. Способ осуществляется путем локального уменьшения показателя преломления материала в рабочей области перетяжки сфокусированного излучения фемтосекундного лазера, перемещаемой относительно образца по цилиндрической спирали, создаваемой эллиптическими перемещениями образца в поперечном сечении волновода с осями Y-Z и продольным перемещением образца вдоль оси X волновода. Ось лазерного пучка лежит в плоскости Y-Z параллельно поперечной оси Z волновода. Сечение перетяжки в плоскости Y-Z образуют путем асимметричной дефокусировки лазерного пучка в направлении узкой оси Y перетяжки до размера, необходимого для образования равнотолщинной оболочки по всему ее периметру. Технический результат заключается в обеспечении возможности создания трубчатого канального волновода с равностенной оболочкой неограниченной длины при минимальных потерях передаваемой через волновод энергии. 3 н.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к оптическим волноводам, в частности, к трубчатым канальным волноводам, выполненным в составе оптического материала.

Известна техника формирования оптических структур в стеклах и кристаллах путем воздействия на них сфокусированным излучением фемтосекундных лазеров, в том числе формирования канальных волноводов [1-4].

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является способ формирования в образце оптического материала трубчатого канального волновода путем локального уменьшения показателя преломления материала в рабочей области перетяжки сфокусированного излучения фемтосекундного лазера, перемещаемой относительно образца по цилиндрической спирали, создаваемой эллиптическими относительными перемещениями образца в поперечном сечении волновода с осями Y-Z и продольным перемещением образца вдоль оси X волновода, причем, ось лазерного пучка лежит в плоскости Y-Z параллельно поперечной оси Z волновода, плотность энергии лазерного импульса в рабочей области перетяжки лазерного пучка превышает пороговое значение, при котором происходит изменение показателя преломления материала, и при этом скорость сканирования перетяжки такова, что области изменения показателя преломления, создаваемые последовательными лазерными импульсами, перекрываются [4].

Данный способ характеризуется асимметрией рабочей области перетяжки лазерного пучка, приводящей к неравностенности формируемой оболочки волновода. Для предотвращения этого вводят лазерное излучение в образец параллельно оси волновода [4, Fig 1 с)]. Однако при таком решении существенно ограничена длина волновода. В указанном источнике длина сформированного волновода составляет всего 4,7 мм.

Задачей настоящего изобретения является создание трубчатого канального волновода с равностенной оболочкой неограниченной длины при минимальных потерях передаваемой через волновод энергии.

Указанная задача решается за счет того, что в известном способе формирования в образце оптического материала оболочки трубчатого канального волновода путем локального уменьшения показателя преломления материала в рабочей области перетяжки сфокусированного излучения фемтосекундного лазера, перемещаемой относительно образца по цилиндрической спирали, создаваемой эллиптическими перемещениями

образца в поперечном сечении волновода с осями Y-Z и продольным перемещением образца вдоль оси X волновода, причем, ось лазерного пучка лежит в плоскости Y-Z параллельно поперечной оси Z волновода, плотность энергии лазерного импульса в рабочей области перетяжки лазерного пучка превышает пороговое значение, при котором происходит изменение показателя преломления материала, сечение перетяжки в плоскости Y-Z образуют путем асимметричной дефокусировки лазерного пучка в направлении узкой оси Y перетяжки до размера, необходимого для образования нужной толщины оболочки по всему ее периметру.

Предлагаемый способ может быть осуществлен на установке для формирования трубчатого канального волновода в образце оптического материала, содержащей источник фемтосекундного лазерного излучения, объектив с фокусным расстоянием F, столик для крепления образца оптического материала с возможностью продольной подвижки вдоль оси X и эллиптического сканирования образца в плоскости Z-Y, перед объективом введена цилиндрическая линза с фокусным расстоянием где d - расстояние между главными плоскостями объектива и цилиндрической линзы, Dо - световой диаметр объектива, k=dY/dZ, dY - диаметр рабочей области перетяжки в направлении оси Y, dZ - диаметр рабочей области перетяжки в направлении оси Z.

Вместо цилиндрической линзы между источником лазерного излучения и объективом может быть введена щелевая диафрагма с щелью, параллельной оси X, при ширине щели отстоящая от входного зрачка объектива не более, чем на , где λ - длина волны излучения лазера.

На Фиг. 1 показан принцип формирования рабочей области лазерного пучка с помощью цилиндрической линзы в продольном сечении Z-X (Фиг. 1а) и в поперечном сечении Z-Y (Фиг. 1б). Фиг. 2 иллюстрирует сечения траектории рабочей области в плоскости Z-Y при в отсутствии цилиндрической линзы (Фиг. 2а) и с цилиндрической линзой (Фиг. 2б). На Фиг. 3 представлены микрофотографии сформированного торца волновода (Фиг. 3а), записанного с цилиндрической линзой, и вида волновода сбоку (Фиг. 3б). На Фиг. 4 приведена схема установки для реализации способа путем асимметричной дефокусировки лазерного пучка с помощью цилиндрической линзы. Фиг. 5 иллюстрирует зависимость ширины рабочей области перетяжки от размера щелевой диафрагмы, ограничивающей входной пучок по оси X (Фиг. 5а) и по оси Y (Фиг. 5б).

Согласно Фиг. 1 или Фиг. 5 лазерный пучок концентрируется в рабочую область с габаритами dX, dY, dZ, в которой плотность энергии лазерного импульса в рабочей области

перетяжки лазерного пучка превышает пороговое значение, при котором происходит изменение показателя преломления материала. Рабочая область пучка при сканировании образца в плоскости Y-Z образует кольцевую зону в поперечном сечении волновода - неравностенную (Фиг. 2а) при отличающихся значениях dY и dZ и равностенную при их близких значениях (Фиг. 2б). При одновременном продольном вдоль оси X перемещении образца оптического материала внутри него формируется спиральная траектория рабочей области лазерного пучка, вдоль которой образуется трубчатая оболочка волновода толщиной, определяемой габаритами рабочей области (Фиг. 3а и Фиг. 3б).

Установка для формирования волновода (Фиг. 4) содержит лазер 1, и оптическую систему 2, включающую цилиндрическую линзу 3 и объектив 4, в фокусе которой образуется рабочая область перетяжки лазерного пучка 5, расположенная в толще образца оптического материала 6. Рабочая область может совершать круговые движения относительно образца по траектории 7 в плоскости, перпендикулярной оси X путем соответствующих передвижений столика 8, на котором укреплен образец, имеющего возможность поперечного и продольного передвижений образца по трем координатам с помощью трехкоординатного трансляционного стола 9, управляемого программным устройством 10.

Для асимметричной дефокусировки лазерного пучка между лазером и объективом 4 может быть установлена щелевая диафрагма 11 (фиг. 5).

Оптический материал 6, например, активированный неодимом иттрий-алюминиевый гранат, устанавливают на столик 8 так, чтобы направление продольной подачи совпадало с намеченной осью X оптического волновода. Через полированную поверхность образца фокусируют излучение лазера 1 параллельно оси Z с помощью оптической системы 2. При этом рабочая область 5, образуемая перетяжкой сфокусированного лазерного пучка, размещается относительно образца так, чтобы при ее эллиптическом движении, обеспечиваемом трансляционным столом 9, траектория рабочей области совпадала с зоной оболочки волновода. При каждом излучении лазером фемтосекундного импульса в рабочей области лазерного пучка образуется участок оптического материала, отличающийся пониженным значением показателя преломления. Если при этом скорость сканирования перетяжки достаточно мала, так что области изменения показателя преломления, создаваемые отдельными лазерными импульсами, перекрываются, одновременная продольная подача образца 6 позволяет формировать трубчатую оболочку в форме цилиндрической спирали (Фиг. 3).

Толщина оболочки зависит от формы перетяжки 5 лазерного пучка. Обычно рабочая область перетяжки вытянута вдоль оси Z лазерного пучка, и при ее круговом

движении толщина оболочки получается разной в направлении осей Y и X (Фиг. 2а). В направлении оси Y оболочка может оказаться слишком тонкой, что приведет к потерям при передаче энергии по волноводу.

Согласно предлагаемому решению перетяжку лазерного пучка 1 расширяют вдоль оси Y путем его асимметричной дефокусировки, что обеспечивает требуемую равнотолщинность оболочки в ее поперечном сечении (Фиг. 2б). Дефокусировка обеспечивается с помощью цилиндрической линзы 3 (Фиг. 4), образующая которой параллельна оси X, или с помощью щелевой диафрагмы 11, ориентированной параллельно оси X (Фиг. 5).

Цилиндрическая линза вносит астигматизм в лазерный пучок, так что после объектива образуются две перетяжки, первая на дистанции фокусного расстояния объектива F, как и в отсутствии цилиндрической линзы, а вторая на расстоянии Fz. На фиг. 1 изображен пример для случая отрицательной цилиндрической линзы. В этом случае первая перетяжка является рабочей. Расстояние до второй перетяжки Fz может может быть вычислено в приближении геометрической оптики из соотношения: [5]

где Fц - фокусное расстояние цилиндрической линзы (знаки в формуле (1) учитывают отрицательную оптическую силу цилиндрической линзы);

d - расстояние между главными плоскостями объектива и цилиндрической линзы в плоскости Z-Y.

Из (1) следует

Расстояние FZ определяется необходимой степенью дефокусировки лазерного пучка для создания рабочей области с заданным соотношением габаритов dZ и dY (фиг. 1).

Согласно построениям фиг. 1б)

где Do - световой диаметр объектива, откуда

С учетом заданного проектного соотношения dY=kdZ получается расчетная формула

Далее для фокусного расстояния (2) цилиндрической линзы находим:

Пример 1.

F=3,6 мм (определяется параметрами лазерного пучка и оптического материала); D0=4.7 мм; d=50 мм; dz=0,01 мм; 0,5≤k≤2.

При этих данных согласно (5) 3,604 мм ≤ FZ ≤ 3,615 мм.

И в соответствии с (6)

173 мм ≤ F4 ≤ 1642 мм.

Ограничение ширины пучка по оси Y щелевой диафрагмой также обеспечивает построение эллиптического сечения перетяжки пучка после фокусировки объективом, причем диаметр перетяжки по оси X такой же, что и при отсутствии щелевой диафрагмы, а диаметр перетяжки по оси Y dY вычисляется по формуле для диаметра перетяжки Гауссова пучка в фокусе линзы с учетом уменьшения эффективного размера пучка перед объективом вдоль оси Y за счет действия щели [6]:

где λ - длина волны излучения лазера, hY - ширина щелевой диафрагмы, k - проектное соотношение для эллиптичности перетяжки, F - фокусное расстояние объектива.

Щелевая диафрагма должна быть установлена на расстоянии объектива dh, не превышающем половину рэлеевской длины, чтобы дифракционная расходимость пучка увеличила ограниченный ею размер пучка на входе в объектив несущественно.

Пример 2.

F=3,6 мм; dZ=0,01 мм, dh=30 мм, λ=1030 нм. При условии 0,5≤k≤2 ширина рабочей области вдоль оси Y должна быть в диапазоне 0,005<dy<0,02. Далее в соответствии с (7) для ширины щели получаем 0,23 мм < hY < 0,92 мм, при этом половина рэлеевской длины что более чем dh=30 мм.

Благодаря данному техническому решению оболочка волновода формируется более однородным инструментом рабочей области перетяжки лазерного пучка, эллиптичность которого определяется проектным соотношением k, чем обеспечивается высокий коэффициент передачи волновода при любой его длине. При этом габариты

рабочей области минимально необходимы и достаточны для создания требуемой оптической структуры.

Измеренный коэффициент пропускания волновода не превышает 1 Дб/см, что соответствует наилучшим достижениям в данной области.

Тем самым обеспечивается выполнение задачи изобретения - создание трубчатого канального волновода с равностенной оболочкой неограниченной длины при минимальных потерях передаваемой через волновод энергии.

Источники информации

1. Патент WO 2005040874. Laser inscription of optical structures in crystals. 06.05.05.

2. US Pat. 7,132,223. Laser-written cladding for waveguide formations in glass. 07.11 06.

3. US Pat. 10, 201,874. Method and apparatus for realizing tubular optical waveguides in glass by femtosecond laser direct writing. 02.12.19.

4. Gabriela Salamu, Florin Jipa, Marian Zamfirescu, and Nicolaie Pavel 1. Cladding waveguides realized in Nd:YAG ceramic by direct femtosecond-laser writing with a helical movement technique. Optical Materials Express, Vol. 4, No. 4. p. 792. - прототип.

5. Панов В.А., Кругер М.Я., Кулагин В.В. и др. Справочник конструктора оптико-механических приборов. Под общ. ред. В. А. Панова. - 3-е изд., перераб. и доп. - Л.: Машиностроение, 1980. - 742 с.

6. K. Moh, Y. Tan, Х.-С.Yuan, D. Low, and Z. Li, "Influence of diffraction by a rectangular aperture on the aspect ratio of femtosecond direct-write waveguides," Optics Express Vol. 13, 7288-7297 (2005).

1. Способ формирования в образце оптического материала оболочки трубчатого канального волновода путем локального уменьшения показателя преломления материала в рабочей области перетяжки сфокусированного излучения фемтосекундного лазера, перемещаемой относительно образца по цилиндрической спирали, создаваемой эллиптическими перемещениями образца в поперечном сечении волновода с осями Y-Z и продольным перемещением образца вдоль оси X волновода, причем ось лазерного пучка лежит в плоскости Y-Z параллельно поперечной оси Z волновода, плотность энергии лазерного импульса в рабочей области перетяжки лазерного пучка превышает пороговое значение, при котором происходит изменение показателя преломления материала, отличающийся тем, что сечение перетяжки в плоскости Y-Z образуют путем асимметричной дефокусировки лазерного пучка в направлении узкой оси Y перетяжки до размера, необходимого для образования равнотолщинной оболочки по всему ее периметру.

2. Установка для формирования оболочки трубчатого канального волновода в образце оптического материала по п. 1, содержащая источник фемтосекундного лазерного излучения, объектив с фокусным расстоянием F, столик для крепления образца оптического материала с возможностью продольной подвижки вдоль оси X и эллиптического сканирования образца в плоскости Z-X, отличающаяся тем, что перед объективом введена цилиндрическая линза с фокусным расстоянием

где d - расстояние между главными плоскостями объектива и цилиндрической линзы, Do - световой диаметр объектива, k=dY/dZ, dY - диаметр рабочей области перетяжки в направлении оси Y, dZ - диаметр рабочей области перетяжки в направлении оси Z.

3. Установка для формирования оболочки трубчатого канального волновода в образце оптического материала по п. 1, содержащая источник фемтосекундного лазерного излучения, объектив с фокусным расстоянием F, столик для крепления образца оптического материала с возможностью продольной подвижки вдоль оси X и эллиптического сканирования образца в плоскости Z-X, отличающаяся тем, что между источником лазерного излучения и объективом на расстоянии от входного зрачка объектива не более введена щелевая диафрагма с щелью, параллельной оси X, при ширине щели hY =

где X - длина волны излучения лазера, k=dY/dZ, dY - диаметр рабочей области перетяжки в направлении оси Y, dZ - диаметр рабочей области перетяжки в направлении оси Z.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится для применений в различных областях специальной волоконной оптики на основе инфракрасных (ИК) волоконных сборок, изготовленных из фото- и радиационно-стойких световодов новой системы AgBr – (TlBr0,46I0,54).

Изобретение относится к области электротехники, а именно к прямому метанольному топливному элементу, который может использоваться в качестве источника питания, например, для сотовых телефонов.

Изобретение относится к осветительной системе против обрастания, которая выполнена с возможностью предотвращения или уменьшения биообрастания на обрастающей поверхности объекта, которая во время использования подвергается воздействию жидкости.

Изобретение относится к радиационностойким фотонно-кристаллическим световодам для длины волны 10,0 мкм, в которых одномодовый режим работы соблюдается за счет влияния двух механизмов: фотонных запрещенных зон (ФЗЗ) и полного внутреннего отражения (ПВО).

Изобретение относится к одномодовым кристаллическим ИК световодам, которые предназначены для доставки ИК излучения медицинских твердотельных лазеров с параметрическим преобразованием частоты на длине волны 5,75 мкм.

Изобретение относится к области создания интегральных оптических волноводных микроструктур для прикладного использования в системах получения, обработки и передачи информации по оптическим каналам связи и другим областям науки и техники.

Изобретение относится к области лазерной обработки материалов, в частности к способу получения одномодового волновода, основанному на модификации стекла сфокусированным пучком фемтосекундных лазерных импульсов.

Изобретение относится к области информационно-коммуникационных технологий и касается способа увеличения длины распространения инфракрасных монохроматических поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ) по плоской металлической поверхности.

Изобретение относится к лазерной обработке материалов. Способ формирования оболочки оптической волноводной структуры в объеме прозрачного материала осуществляется сверхкороткими импульсами лазерного излучения, при котором импульсы лазерного излучения фокусируют в объем прозрачного материала.

Изобретение относится к области оптической локации и лазерной техники. Способ выделения части сигнала с максимальным значением интенсивности включает использование целого числа пар, состоящих из нулевого и первого туннельно-связанных нелинейно-оптических волноводов (ТСНОВ).

Изобретение относится к аппарату и способу лазерного аддитивного производства. Лазер обеспечивает функциональный лазерный пучок с длиной волны в диапазоне 405-475 нм.

Изобретение относится к способу и устройству для лазерной резки полотна (4) ленты, расположенного на станции (10) лазерной резки. Устройство для лазерной резки содержит конвейер для продвижения листа (4), режущую головку (12), выполненную с возможностью перемещения вдоль продольной оси X и вдоль поперечной оси Y.

Изобретение относится к станку и способу лазерной обработки профилей (Р), в частности, для выполнения операции наклонного резания на профиле (Р), например, для создания расширяющегося отверстия (Н).

Изобретение относится к нефтегазодобывающей и геологоразведочной отраслям промышленности и предназначено для дистанционной разделительной резки аварийных металлоконструкций и объемного оборудования, а также для выполнения работ на морских буровых платформах с целью последующего удаления оборудования из аварийной зоны.

Изобретение относится к станку для лазерной обработки труб и профилей. Станок содержит: рабочий орган (12) с фокусирующим устройством (18), выполненным с возможностью фокусировать лазерный луч на поверхности трубы или профиля (Т), подлежащих обработке, каретку (26), на которой установлен рабочий орган (12), и сканирующую систему (20), выполненную с возможностью сканирования по меньшей мере одного участка контура поперечного сечения трубы или профиля (Т).

Изобретение относится к способу и устройству для термической обработки и упрочнения объектов сложной формы, таких как коленчатые валы. Для повышения качества обработки объектов сложной формы способ включает стадии проецирования пучка (1) энергии, такого как лазерный пучок, на поверхность объекта (1000), приведения в действие сканера (2) для повторяемого сканирования пучком (1) с целью перемещения первичного пятна (11) в соответствии с первым маршрутом сканирования для формирования на объекте действующего пятна (12) и перемещения указанного действующего пятна (12) относительно поверхности объекта (1000).

Изобретение относится к лазерному устройству для очистки площадей (1) пода, выполненных рельефной формы, и дополнительно для очистки испарительных и/или уплотняющих полос (2) подовых плит (3) машины для выпекания (4).

Изобретение относится к способам резки неметаллических хрупких материалов, преимущественно стекла, кварца и сапфира, и может использоваться при производстве смартфонов и любых других устройств с сенсорными панелями, при изготовлении приборов электротехники и микроэлектроники.

Группа изобретений относится к способу и устройству лазерного упрочнения участка поверхности обрабатываемой детали, такой как поверхность шейки коленчатого вала.

Изобретение относится к лазерному станку, который имеет лазерную головку (3) для эмиссии лазерного луча на обрабатываемую деталь и блок перемещения (1, 2, 9) для пространственного перемещения лазерной головки (3) с линейно перемещающимся порталом (1) станка и удерживаемой на нем с возможностью поперечного перемещения поперечной тележкой (2).

Изобретение относится к устройству и способу защиты зоны газопорошковой лазерной наплавки металлов от внешней среды (варианты). Устройство содержит защитный колпак, установленный на срезе соплового насадка.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и касается способа формирования в образце оптического материала оболочки трубчатого канального волновода. Способ осуществляется путем локального уменьшения показателя преломления материала в рабочей области перетяжки сфокусированного излучения фемтосекундного лазера, перемещаемой относительно образца по цилиндрической спирали, создаваемой эллиптическими перемещениями образца в поперечном сечении волновода с осями Y-Z и продольным перемещением образца вдоль оси X волновода. Ось лазерного пучка лежит в плоскости Y-Z параллельно поперечной оси Z волновода. Сечение перетяжки в плоскости Y-Z образуют путем асимметричной дефокусировки лазерного пучка в направлении узкой оси Y перетяжки до размера, необходимого для образования равнотолщинной оболочки по всему ее периметру. Технический результат заключается в обеспечении возможности создания трубчатого канального волновода с равностенной оболочкой неограниченной длины при минимальных потерях передаваемой через волновод энергии. 3 н.п. ф-лы, 5 ил.

Наверх