[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

RU2796501C1 - METHOD FOR ANTIREFLECTION OF ENDS OF ACTIVE Cr:ZnS WAVEGUIDES BASED ON SURFACE MICROSTRUCTURING - Google Patents

METHOD FOR ANTIREFLECTION OF ENDS OF ACTIVE Cr:ZnS WAVEGUIDES BASED ON SURFACE MICROSTRUCTURING Download PDF

Info

Publication number
RU2796501C1
RU2796501C1 RU2021140019A RU2021140019A RU2796501C1 RU 2796501 C1 RU2796501 C1 RU 2796501C1 RU 2021140019 A RU2021140019 A RU 2021140019A RU 2021140019 A RU2021140019 A RU 2021140019A RU 2796501 C1 RU2796501 C1 RU 2796501C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
zns
active
waveguide
laser radiation
radiation pulses
Prior art date
Application number
RU2021140019A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Алексеевич Лазарев
Михаил Константинович Тарабрин
Андрей Алексеевич Бушунов
Андрей Александрович Тесленко
Original Assignee
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" (МГТУ им. Н.Э. Баумана)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) filed Critical федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" (МГТУ им. Н.Э. Баумана)
Application granted granted Critical
Publication of RU2796501C1 publication Critical patent/RU2796501C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: optical materials.
SUBSTANCE: obtaining antireflection microstructures on optical surfaces. Methods for obtaining antireflection microstructures on optical surfaces of active Cr:ZnS waveguides in the mid-infrared (from 2 to 10 mcm) range. Claimed method of antireflection of the ends of active Cr:ZnS waveguides based on surface microstructuring is designed to suppress the reflection and scattering of electromagnetic waves from 2 to 10 mcm, falling on the surface of the substrate at angles in the range from 0 to 40 degrees, from the surface of the end of the active Cr:ZnS waveguide and thus increasing the transmission of electromagnetic waves through the active Cr:ZnS waveguide, by modifying the flat surface of the end face of the active Cr:ZnS waveguide using direct laser ablation with single ultrashort laser radiation pulses, which uses a laser producing ultrashort laser radiation pulses, a lens for focusing ultrashort pulses laser radiation relative to the upper boundary of the substrate, a positioner that moves the substrate in three coordinates relative to the focusing point of ultrashort laser radiation pulses. The method includes placing an active Cr:ZnS waveguide relative to the focusing point of ultrashort laser radiation pulses, where the end face of the active Cr:ZnS waveguide is directly exposed to ultrashort laser radiation pulses, and ultrashort laser radiation pulses physically affect the surface of the active Cr:ZnS waveguide end face to remove material from the end surface of the active Cr:ZnS waveguide by ablation, forming a hole or a depression. The positioner continuously moves the end of the active Cr:ZnS waveguide, synchronized with the repetition rate of ultrashort laser pulses, to form holes on the flat top surface of the substrate. At the same time, the created surface microstructure has distances between holes less than the shortest wavelength of electromagnetic waves, and the depth of the holes is greater than the shortest wavelength of electromagnetic waves. Moreover, the effective refractive index of the surface microstructure monotonically increases from the environment to the material substrate.
EFFECT: reduction of losses during transmission of electromagnetic waves due to reflection from the microstructure of the surface topography at the ends of active Cr:ZnS waveguides by 15%.
1 cl, 1 dwg

Description

Средний инфракрасный диапазон (средний ИК-диапазон, от 2 до 10 мкм) является технологически важным спектральным интервалом для зондирования, визуализации и связи. В последние несколько лет наблюдается всплеск интереса к новым оптическим материалам среднего ИК-диапазона, а также к устройствам на их основе, отвечающим все возрастающим требованиям со стороны указанных приложений. Широкий спектр последних технологических достижений в этой области охватывает функции генерации, распространения, манипулирования и обнаружения света среднего ИК-диапазона в свободном пространстве, в также в оптоволоконных и планарных платформах. Сегодня в ведущих лабораториях мира активно разрабатываются новые материалы для среднего ИК-диапазона: лазерные кристаллы, полупроводники, стекла, плазмонные металлы, наноструктуры.The mid-infrared range (mid-IR range, from 2 to 10 µm) is a technologically important spectral range for sensing, imaging and communication. In the last few years, there has been a surge of interest in new optical materials in the mid-IR range, as well as in devices based on them that meet the ever-increasing requirements of these applications. A wide range of recent technological advances in this area covers the functions of generating, propagating, manipulating and detecting mid-IR light in free space, as well as in fiber optic and planar platforms. Today, the world's leading laboratories are actively developing new materials for the mid-IR range: laser crystals, semiconductors, glasses, plasmonic metals, nanostructures.

Однако оптические материалы, применяемые для создания компонентов оптики и фотоники среднего ИК-диапазона, как правило, имеют характерную особенность, связанную с высокими значениями показателя преломления, что приводит к значительными френелевским потерям на отражение на границе раздела материал-воздух. Последнее приводит к снижению энергетической эффективности отдельных компонентов оптики и фотоники среднего ИК-диапазона и ограничивает КПД систем в целом.However, optical materials used to create mid-IR optics and photonic components typically have a high refractive index that results in significant Fresnel reflection losses at the material-air interface. The latter leads to a decrease in the energy efficiency of individual components of optics and photonics in the mid-IR range and limits the efficiency of systems as a whole.

Традиционные покрытия, представляющие собой диэлектрические многослойные тонкие пленки, обладают существенными недостатками, связанными с узким спектральным диапазоном просветления, сильной зависимостью коэффициента пропускания от угла падения лучей, низкой лучевой прочностью, высокими требованиями к адгезии пленок к поверхности материалов, что является критическим ограничением применения таких покрытий в целом ряде случаев. В этой связи большую актуальность приобретает задача сверхширокополосного просветления поверхностей оптических материалов среднего ИК-диапазона, который бы снял вышеназванные ограничения.Traditional coatings, which are dielectric multilayer thin films, have significant drawbacks associated with a narrow spectral range of antireflection, a strong dependence of the transmittance on the angle of incidence of rays, low radiation strength, and high requirements for adhesion of films to the surface of materials, which is a critical limitation on the use of such coatings. in a number of cases. In this regard, the problem of ultrawideband antireflection of the surfaces of optical materials in the mid-IR range, which would remove the above limitations, becomes of great relevance.

Также сегодня активно развивается направление компактных волноводных лазеров среднего ИК-диапазона. В частности, из уровня техники известен волноводный Cr:ZnS -лазер [N. Tolstik, A. Okhrimchuk, М. Smayev, V. Likhov, Е. Sorokin, and I. Sorokina, "Single-mode depressed cladding buried waveguide laser based on single-crystal Cr:ZnS," in CLEO: Science and Innovations, (Optical Society of America, 2019), pp.STh1E-6.]. Оптический материал, применяемый для создания волноводного Cr:ZnS лазера, имеет характерную особенность, связанную со сравнительно высокими значениями показателя преломления, что приводит к значительными френелевским потерям на отражение на границе раздела материал-воздух, однако разработка способа широкополосно просветленных поверхностей торцев волноводов Cr:ZnS оставалось непреодолимой проблемой.Also today, the direction of compact waveguide lasers in the mid-IR range is actively developing. In particular, a waveguide Cr:ZnS laser [N. Tolstik, A. Okhrimchuk, M. Smayev, V. Likhov, E. Sorokin, and I. Sorokina, "Single-mode depressed cladding buried waveguide laser based on single-crystal Cr:ZnS," in CLEO: Science and Innovations, ( Optical Society of America, 2019), pp.STh1E-6.]. The optical material used to create a waveguide Cr:ZnS laser has a characteristic feature associated with relatively high values of the refractive index, which leads to significant Fresnel reflection losses at the material-air interface, however, the development of a method for broadband coated surfaces of the ends of Cr:ZnS waveguides remained an insurmountable problem.

Из уровня техники известен патент CN104816099A. Изобретение раскрывает устройство для подготовки субволновой антиотражающей структуры. Устройство состоит из компьютерного модуля управления и лазерного устройства, компонента оптической передачи, компонента гальванометра, компонента системы фокусировки и платформы обработки, при этом компонент оптической передачи, компонент гальванометра и компонент системы фокусировки расположены последовательно вдоль светового пути лазера. Лазерное устройство управляется модулем компьютерного управления, действия компонента гальванометра и платформы обработки также контролируются модулем компьютерного управления, а на обрабатываемой поверхности подготавливается антиотражающая структура. Устройство для подготовки субволновой антиотражающей структуры, обеспечиваемое изобретением, имеет преимущества, заключающиеся в том, что устройство и процесс просты, подготовка пластины и маски не требуется, размер субволновой структуры можно точно контролировать, точность обработки меньше, чем размер элемента, эффективность подготовки высока, процесс подготовки может быть завершен за один этап, а источники лазерного света обладают высокой избирательной эффективностью и низкими затратами.Patent CN104816099A is known from the prior art. The invention discloses a device for preparing a subwavelength antireflection structure. The device consists of a computer control module and a laser device, an optical transmission component, a galvanometer component, a focusing system component and a processing platform, while the optical transmission component, the galvanometer component and the focusing system component are arranged in series along the laser light path. The laser device is controlled by the computer control module, the operations of the galvanometer component and the processing platform are also controlled by the computer control module, and an anti-reflection structure is prepared on the surface to be treated. The device for preparing the subwavelength anti-reflection structure provided by the invention has the advantages that the device and the process are simple, the preparation of the plate and mask is not required, the size of the subwavelength structure can be accurately controlled, the processing accuracy is smaller than the element size, the preparation efficiency is high, the process preparation can be completed in one step, and laser light sources have high selective efficiency and low cost.

Авторами предлагается способ просветления торцов активных Cr:ZnS волноводов (Фиг. 1) на основе микроструктурирования поверхности, предназначенный для подавления отражения и рассеяния электромагнитных волн от поверхности торца активного Cr:ZnS волновода и, таким образом, увеличения пропускания электромагнитных волн через активный Cr:ZnS волновод. При этом электромагнитные волны имеют известные длины волн; в основе способа лежит процесс модификации плоской поверхности торца активного Cr:ZnS волновода с использованием прямой лазерной абляции (испарения) одиночными сверхкороткими импульсами лазерного излучения, в котором используется лазер сверхкоротких импульсов лазерного излучения, объектив для фокусировки сверхкоротких импульсов лазерного излучения относительно верхней границы подложки, позиционер, который перемещает подложку в трех координатах относительно точки фокусировки сверхкоротких импульсов лазерного излучения; процесс включает в себя: размещение активного Cr:ZnS волновода относительно точки фокусировки сверхкоротких импульсов лазерного излучения, где торец активного Cr:ZnS волновода непосредственно подвергается воздействию сверхкоротких импульсов лазерного излучения, причем сверхкороткие импульсы лазерного излучения воздействуют на поверхность торца активного Cr:ZnS волновода физически для удаления материала с поверхности торца активного Cr:ZnS волновода путем абляции (испарения), образуя углубление заданной глубины и формы, позиционер непрерывно перемещает торец активного Cr:ZnS волновода в соответствии с определенным алгоритмом, синхронизированным с частотой повторения сверхкоротких импульсов лазерного излучения, для образования отверстий с определенным периодом на плоской верхней поверхности подложки; при этом процесс использует один сверхкороткий импульс лазерного излучения для формирования каждого отдельного отверстия на подложке; при этом создаваемая микроструктура поверхности имеет определенное распределение расстояния между отверстиями и глубину отверстий, где расстояние между отверстиями меньше, чем самая короткая длина волны электромагнитных волн; при этом глубина структуры в несколько раз больше чем самая короткая длина волны электромагнитных волн; при этом эффективный показатель преломления микроструктуры поверхности обычно монотонно возрастает от окружающей среды к подложке материала; причем для электромагнитных волн, падающих на поверхность подложки под углами в диапазоне от 0 до 40 градусов, потери при пропускании электромагнитных волн из-за отражения от микроструктуры рельефа поверхности составляют менее 1%.The authors propose a method for antireflection of the ends of active Cr:ZnS waveguides (Fig. 1) based on surface microstructuring, designed to suppress the reflection and scattering of electromagnetic waves from the surface of the end of an active Cr:ZnS waveguide and, thus, increase the transmission of electromagnetic waves through the active Cr:ZnS waveguide. In this case, electromagnetic waves have known wavelengths; The method is based on the process of modifying the flat surface of the end of an active Cr:ZnS waveguide using direct laser ablation (evaporation) with single ultrashort laser radiation pulses, which uses a laser of ultrashort laser radiation pulses, an objective for focusing ultrashort laser radiation pulses relative to the upper boundary of the substrate, a positioner , which moves the substrate in three coordinates relative to the focus point of ultrashort laser radiation pulses; the process includes: placement of the active Cr:ZnS waveguide relative to the focusing point of ultrashort laser radiation pulses, where the end face of the active Cr:ZnS waveguide is directly exposed to ultrashort laser radiation pulses, and ultrashort laser radiation pulses act on the surface of the active Cr:ZnS waveguide end face physically to removal of material from the end surface of the active Cr:ZnS waveguide by ablation (evaporation), forming a recess of a given depth and shape, the positioner continuously moves the end of the active Cr:ZnS waveguide in accordance with a certain algorithm, synchronized with the repetition rate of ultrashort laser radiation pulses, to form holes with a certain period on the flat top surface of the substrate; the process uses one ultra-short pulse of laser radiation to form each individual hole on the substrate; wherein the generated surface microstructure has a certain distribution of the distance between the holes and the depth of the holes, where the distance between the holes is less than the shortest wavelength of electromagnetic waves; while the depth of the structure is several times greater than the shortest wavelength of electromagnetic waves; in this case, the effective refractive index of the surface microstructure usually increases monotonically from the environment to the material substrate; moreover, for electromagnetic waves incident on the substrate surface at angles in the range from 0 to 40 degrees, the transmission loss of electromagnetic waves due to reflection from the microstructure of the surface relief is less than 1%.

Способ отличается от аналога тем, что позволяет создать не субволновые микроструктуры, а углубления с большей глубиной, чем одна четвертая длины волны излучения. Способ, представленный в аналоге изобретения, позволяет сделать просветление только на одну длину волны, а предлагаемый авторами способ предназначен для просветления в широком спектральном диапазоне (от 2 до 10 мкм). Также в аналоге используется гальваносканер, что огранивает ограничивает область нанесения микроструктуры. В предлагаемом авторами способе такого ограничения нет, так как используется нанопозиционер на воздушной подушке.The method differs from the analogue in that it allows creating not subwavelength microstructures, but recesses with a greater depth than one fourth of the radiation wavelength. The method presented in the analog of the invention, allows you to make enlightenment only one wavelength, and the method proposed by the authors is designed for enlightenment in a wide spectral range (from 2 to 10 microns). The analog also uses a galvanic scanner, which limits the area of application of the microstructure. In the method proposed by the authors, there is no such limitation, since an air cushion nanopositioner is used.

Перечень фигурList of figures

Фиг. 1 - способ просветления торцов активных Cr:ZnS волноводов на основе микроструктурирования поверхности.Fig. 1 - method of antireflection of the ends of active Cr:ZnS waveguides based on surface microstructuring.

Claims (1)

Способ просветления торцов активных Cr:ZnS волноводов на основе микроструктурирования поверхности, предназначенный для подавления отражения и рассеяния электромагнитных волн от 2 до 10 мкм, падающих на поверхность подложки под углами в диапазоне от 0 до 40 градусов, от поверхности торца активного Cr:ZnS волновода и, таким образом, увеличения пропускания электромагнитных волн через активный Cr:ZnS волновод, посредством модификации плоской поверхности торца активного Cr:ZnS волновода с использованием прямой лазерной абляции одиночными сверхкороткими импульсами лазерного излучения, в котором используют лазер сверхкоротких импульсов лазерного излучения, объектив для фокусировки сверхкоротких импульсов лазерного излучения относительно верхней границы подложки, позиционер, который перемещает подложку в трех координатах относительно точки фокусировки сверхкоротких импульсов лазерного излучения; способ включает в себя: размещение активного Cr:ZnS волновода относительно точки фокусировки сверхкоротких импульсов лазерного излучения, где торец активного Cr:ZnS волновода непосредственно подвергается воздействию сверхкоротких импульсов лазерного излучения, причем сверхкороткие импульсы лазерного излучения воздействуют на поверхность торца активного Cr:ZnS волновода физически для удаления материала с поверхности торца активного Cr:ZnS волновода путем абляции, образуя отверстие или углубление, позиционер непрерывно перемещает торец активного Cr:ZnS волновода, синхронизированный с частотой повторения сверхкоротких импульсов лазерного излучения, для образования отверстий на плоской верхней поверхности подложки; при этом создаваемая микроструктура поверхности имеет расстояния между отверстиями меньше, чем самая короткая длина волны электромагнитных волн, а глубина отверстий больше, чем самая короткая длина волны электромагнитных волн; также при этом эффективный показатель преломления микроструктуры поверхности монотонно возрастает от окружающей среды к подложке материала. A method for antireflection of the ends of active Cr:ZnS waveguides based on surface microstructuring, designed to suppress the reflection and scattering of electromagnetic waves from 2 to 10 μm, incident on the substrate surface at angles in the range from 0 to 40 degrees, from the surface of the end of an active Cr:ZnS waveguide and , thus increasing the transmission of electromagnetic waves through the active Cr:ZnS waveguide, by modifying the flat surface of the end face of the active Cr:ZnS waveguide using direct laser ablation with single ultrashort laser radiation pulses, which uses a laser of ultrashort laser radiation pulses, a lens for focusing ultrashort pulses laser radiation relative to the upper boundary of the substrate, a positioner that moves the substrate in three coordinates relative to the focus point of ultrashort laser radiation pulses; the method includes: placing an active Cr:ZnS waveguide relative to the focusing point of ultrashort laser radiation pulses, where the end face of the active Cr:ZnS waveguide is directly exposed to ultrashort laser radiation pulses, and ultrashort laser radiation pulses physically affect the surface of the active Cr:ZnS waveguide end face to removing material from the end surface of the active Cr:ZnS waveguide by ablation, forming a hole or depression, the positioner continuously moves the end of the active Cr:ZnS waveguide, synchronized with the repetition rate of ultrashort laser radiation pulses, to form holes on the flat top surface of the substrate; wherein the generated surface microstructure has distances between holes less than the shortest wavelength of electromagnetic waves, and the depth of the holes is greater than the shortest wavelength of electromagnetic waves; also, in this case, the effective refractive index of the surface microstructure monotonically increases from the environment to the material substrate.
RU2021140019A 2021-12-30 METHOD FOR ANTIREFLECTION OF ENDS OF ACTIVE Cr:ZnS WAVEGUIDES BASED ON SURFACE MICROSTRUCTURING RU2796501C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2796501C1 true RU2796501C1 (en) 2023-05-24

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080063802A1 (en) * 2003-03-31 2008-03-13 Planar Systems, Inc. Conformal coatings for micro-optical elements
CN101726769A (en) * 2009-12-16 2010-06-09 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 Long laminated sub-wave reflection-reducing structure and preparation method thereof
CN104049287A (en) * 2014-07-03 2014-09-17 中国科学院光电技术研究所 Sub-wavelength anti-reflection structure device and preparation method thereof
CN104816099A (en) * 2015-05-21 2015-08-05 深圳英诺激光科技有限公司 Preparation device and method for subwavelength anti-reflection structure

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080063802A1 (en) * 2003-03-31 2008-03-13 Planar Systems, Inc. Conformal coatings for micro-optical elements
CN101726769A (en) * 2009-12-16 2010-06-09 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 Long laminated sub-wave reflection-reducing structure and preparation method thereof
CN104049287A (en) * 2014-07-03 2014-09-17 中国科学院光电技术研究所 Sub-wavelength anti-reflection structure device and preparation method thereof
CN104816099A (en) * 2015-05-21 2015-08-05 深圳英诺激光科技有限公司 Preparation device and method for subwavelength anti-reflection structure

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wang et al. Toward near-perfect diffractive optical elements via nanoscale 3D printing
Hobbs et al. Update on the development of high performance anti-reflecting surface relief micro-structures
Žukauskas et al. Improvement of the Fabrication Accuracy of Fiber Tip Microoptical Components via Mode Field Expansion.
Bushunov et al. Fabrication of anti-reflective microstructures on chalcogenide crystals by femtosecond laser ablation
NL2013524B1 (en) An optical light guide element and a method for manufacturing.
US20230213703A1 (en) Optical coupling and mode-selective separation or superposition of optical fields
Sun et al. Adjoint optimization of polarization-splitting grating couplers
RU2796501C1 (en) METHOD FOR ANTIREFLECTION OF ENDS OF ACTIVE Cr:ZnS WAVEGUIDES BASED ON SURFACE MICROSTRUCTURING
Roth et al. Integration of Microfluidic and Photonic Components within Transparent Cyclic Olefin Copolymers by Using fs Laser.
US11733469B2 (en) Planar lightwave circuit and optical device
Chen et al. Vertically tapered polymer waveguide mode size transformer for improved fiber coupling
GB1558689A (en) Reduction of reflection at fibre optic ends
WO2022015548A1 (en) Laser printed lensed optical fibers and associated methods
Dutta et al. Plasmonic interconnects using zirconium nitride
Huang et al. High-efficiency flat-top beam shaper fabricated by a nonlithographic technique
EP1615066B1 (en) Optical frequency linear chirp variable unit
US10133000B2 (en) Tailored interfaces between optical materials
TWI682205B (en) Cladding optical stripper
Nauriyal et al. Fiber to chip fusion splicing for robust, low loss photonic packaging
Jovic et al. Self-aligned micro-optic integrated photonic platform
Florea et al. Improved laser damage threshold for chalcogenide glasses through surface microstructuring
Wakeel et al. Etching-free fabrication and integration of 45° micro-mirror for surface-compatible photonic packaging
Ginel-Moreno et al. Integrated metamaterial surface-emitting antenna for beam steering applications
RU2776601C1 (en) Method for manufacturing a microconnector for optical fibres on the surface of a substrate
RU198454U1 (en) OPTICAL INTEGRAL CHIP WITH ELEMENT FOR INPUT RADIATION IN A WAVEGUIDE