飞秒激光螺旋加工，低损耗光波导

Chinese Optics Letters 2022年第12期Editors’ Pick:

Yingying Ren, Zemeng Cui, Lifei Sun, Chao Wang, Hongliang Liu, Yangjian Cai. Laser emission from low-loss cladding waveguides in Pr:YLF by femtosecond laser helical inscription[J]. Chinese Optics Letters, 2022, 20(12): 122201.

光波导是由折射率较低的介质包裹折射率较高的介质而形成的结构，这种结构能够将光波限制在微米量级的区域内进行传输，是集成光路的基本元件和重要组成部分。波导器件包括无源光波导器件和有源光波导器件，无源光波导器件对光波呈静态特性，能用作光开关、分波器、合波器以及耦合器等；有源光波导器件能够对光进行调制，得到不同功能的光学器件。体材料中存在的许多光学现象都能够在光波导中实现，如波导激光、波导频率转换等。由于波导腔内光密度很高，波导中的光学现象得到加强，如激光泵浦阈值更低、非线性响应速度更快，这对于波导器件以及集成光路的应用非常有益。

飞秒激光加工由于其强大的三维加工能力和局部折射率改变的特性，被公认为是在各种透明材料中制备光波导的有效方法。一般来说，典型的包层光波导是通过在圆形、矩形、正六边形、梯形或菱形的轮廓周围加工一系列的平行刻痕而制成（称为离散加工方法）。此外，还可以通过飞秒激光螺旋加工的方法来实现，即材料在飞秒激光加工过程中沿螺旋轨迹移动。基于这种方法制备的包层结构能够单次加工成型并具有连续、光滑的横截面。

山东师范大学蔡阳健教授研究团队利用飞秒激光螺旋加工的方式在掺镨氟化钇锂（Pr:YLF）晶体中制备了包层光波导，获得了低至0.12 dB/cm 的传输损耗并实现了低阈值、高效率的橙光波段波导激光。该工作于2022年发表在Chinese Optics Letters第20卷第12期上，并被选为当期Editors’ Pick（Yingying Ren, et al. Laser emission from low-loss cladding waveguides in Pr:YLF by femtosecond laser helical inscription）。

该工作利用飞秒激光螺旋加工的方式在Pr:YLF晶体中制备了一系列埋入型包层光波导，如图1所示。制备的包层光波导横截面呈椭圆形，且包层内的波导区域和包层外的体材料区域都没有明显的损伤。同时，对波导传输性能的研究表明，飞秒激光螺旋加工制备的光波导在633 nm和1064 nm下都表现出较强的光约束能力。

研究团队利用端面耦合系统测量了任意偏振光入射条件下波导全角度输出功率，结果表明波导在π偏振下输出功率最高，而在σ偏振下输出功率最低，这种各向异性现象表明波导具有轻微的偏振依赖性。此外，对波导传输损耗的测量研究表明，采用螺旋加工方法制备的光波导传输损耗可低至0.12 dB/cm，相应的波导加工参数为脉冲能量300 nJ、扫描速度50 μm/s。

在相同的加工参数下，研究团队还采用飞秒激光离散加工的方法制备了一系列相同结构的光波导，研究发现螺旋加工的光波导较传统的离散加工的光波导，具有更低的传输损耗。

为进一步研究飞秒激光诱导的材料晶格结构的变化，研究团队对Pr³⁺ 的共聚焦微区荧光特性进行分析，获得了641 nm特征谱线的峰强、峰位和峰宽的空间变化，如图2所示。结果表明，在包层区域存在很大的晶格缺陷，而波导区域的荧光特性几乎没有变化，这一特性更有利于波导激光的产生。

研究团队利用444 nm二极管氮化铟镓激光器作为泵浦源，在波导中实现了604 nm的π偏振的激光振荡，在利用最优加工参数制备的光波导中，波导激光泵浦阈值为119.8 mW，最高输出功率为120.6 mW，激光斜效率为16.6%，如图3所示。与之前报道的Pr:YLF晶体体材料激光相比，该项工作中制备的光波导激光器具有高度集成化、高稳定性以及低激光泵浦阈值等优势；与之前报道的Pr:YLF晶体波导激光相比，该项工作中制备的光波导激光则具有更低的泵浦阈值以及更高的效率。

任莹莹，副教授，2013年毕业于山东大学物理学院，获光学专业博士学位；2013年入职山东师范大学物理与电子科学学院。长期从事飞秒激光微纳加工、离子束材料改性、微纳光子学结构、晶体光波导的制备及应用等方面的研究。发表SCI收录论文60余篇；获授权国家发明专利3项，主持国家自然科学基金面上项目2项、青年基金1项，参与国家青年基金2项，重点研发计划项目1项、山东省自然科学基金重大基础研究项目1项。

蔡阳健，教授，2005年毕业于浙江大学物理系，获物理学专业博士学位；2006年毕业于瑞典皇家理工学院，获电磁场理论专业博士学位。2006~2009年在德国爱尔兰根马普光学研究所从事博士后研究。2009年被聘为苏州大学特聘教授。2018年被聘为山东师范大学物理与电子科学学院院长，创立山东省光场调控工程技术研究中心。国家杰出青年科学基金获得者、美国光学学会会士、全国百篇优秀博士学位论文获得者、德国洪堡基金获得者。长期从事光场调控及应用、光束传输与控制、光学成像、大气光学、微纳操控等方面的研究，发表SCI收录论文400多篇，发表邀请综述论文20篇，英文专著章节2章，所发表论文被引14000多次，获中国发明专利授权58项、美国发明专利1项。

科学编辑 | 任莹莹 山东师范大学

编辑 | 刘校荣