【摘 要】
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近年来,光学系统和设备的模块化、集成化推动了光子器件向更小尺寸发展。光栅作为光学领域中重要的分光元件,拥有将复色光分解为单色光的能力,在光谱仪、波分复用、光学传感和激光调制等领域发挥着关键作用。作为多学科发展中不可或缺的基础光学元件,微型光栅的制备对整个光学系统的集成意义重大。目前,以石英玻璃为基质的光子器件已经得到大量应用,然而受材料本身红外截止波长的限制,石英基光子器件无法应用在极其重要的中红
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近年来,光学系统和设备的模块化、集成化推动了光子器件向更小尺寸发展。光栅作为光学领域中重要的分光元件,拥有将复色光分解为单色光的能力,在光谱仪、波分复用、光学传感和激光调制等领域发挥着关键作用。作为多学科发展中不可或缺的基础光学元件,微型光栅的制备对整个光学系统的集成意义重大。目前,以石英玻璃为基质的光子器件已经得到大量应用,然而受材料本身红外截止波长的限制,石英基光子器件无法应用在极其重要的中红外波段,而该波段覆盖大量危险品和生物分子的指纹区。硫系玻璃（Chalcogenide glass,Ch G）作为唯一在中远红外具备透过性能的玻璃体系,拥有其他材料无可比拟的光学特性,比如宽的红外透过范围、高的线性和非线性折射率和低声子能量等。但相对比石英玻璃,Ch G硬度小,机械强度和激光损伤阈值低,使得硫系光子器件的制备仍较为困难。飞秒激光直写（Femtosecond laser direct writing,FLDW）作为一种非物理接触制备方式,具有真三维、冷加工、高精度、小尺寸等优点,是制备硫系微纳光子器件的有力工具。在微光子器件的FLDW制备过程中,飞秒激光诱导材料折射率变化是决定器件性能的关键因素。本文开展了硫系衍射光栅元件的飞秒光刻制备研究,系统分析了飞秒激光诱导Ch G损伤特性,通过测试光栅的衍射效率得到了飞秒激光诱导硫系材料折射率变化规律,并利用FLDW技术在硫系玻璃内部和光纤的端面制备了高质量衍射光栅结构。本论文的主要工作归纳如下:（1）使用熔融淬冷法制备了As2S3和Ge-As-S玻璃,研究了不同飞秒激光参数（激光功率、重复频率、脉冲个数）下硫系玻璃的损伤形貌和损伤机理,利用线性回归法计算了Ch G的激光损伤阈值。（2）通过飞秒激光刻线的方式大致确定了As2Se3薄膜的激光损伤阈值,研究了不同激光功率下直写的薄膜衍射光栅的性能。结合Kogelnik理论和Swanepoel方法分析了薄膜折射率和吸收系数的变化。制备的光栅在800 nm处一级衍射效率高达30%,折射率变化最大为0.09,而光栅厚度变化基本相同。（3）利用飞秒激光在Ge-As-S玻璃内部一次性写入了大厚度体相位光栅,测试了不同波长下光栅的衍射性能。通过对光栅侧面抛光测量光栅厚度,利用自聚焦理论分析了光栅厚度变化的四个阶段。清晰的衍射光斑和较高的衍射效率表明光栅具有良好的性能。1550 nm处衍射效率高达50%,光栅厚度最大可达28μm,而折射率变化基本维持在同一水平。（4）通过在As2S3光纤两端制备FC跳线头,对光纤端面进行精密光学抛光,获得了粗糙度仅为70 nm的平整清洁端面。基于以上对光栅制备的实验研究,首次利用FLDW在Ch G光纤端面上制备了一维和二维衍射光栅元件,测试了不同波长下光栅的衍射性能,为Ch G光纤端面光子器件的制备提供了基础。
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