CC BY
8ШКОЛА-КОНФЕРЕНЦИЯ МОЛОДЫХ УЧЁНЫХ
-------------1Е НЕДЕЛИ»
19-21 октября 2021 г.
Создание спиральных волноводов в кварцевом стекле методом прямой фемтосекундной лазерной записи
Лихов В.В.
Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук, Москва
Е-mail: vladislavlikhov@gmail. com
Оптические вихри, или пучки с орбитальным угловым моментом (ОУМ) интересны для обнаружения новых эффектов взаимодействия света с материей. ОУМ-пучки перспективны в сфере передачи и обработки информации [1]. Кроме того, ОУМ-пучки уже используются в микроскопии [2] и многих других областях оптики [3].
На практике ОУМ-пучки, как правило, получают с помощью специальных голограмм или пространственных модуляторов света (Spatial Light Modulator, SLM) [3]. Недавно было экспериментально продемонстрировано получение ОУМ-пучков с помощью записанной методом прямой фемтосекундной лазерной записи трёхмерной спирали [4]. В этой работе спираль образовывала волновод с оболочкой пониженного показателя преломления в кристалле Nd:YAG, а ОУМ-пучки генерировались в режиме брэгговского резонансного отражения. Недостатком исследованной конструкции является близкое расположение длин волн резонансов, что приводит к невысокой чистоте ОУМ-пучка. В волноводе, образованном спиралью с увеличенным показателем преломления, константы распространения ОУМ-мод будут сильнее разнесены по спектру, что позволит увеличить чистоту ОУМ-мод. Для достижения этой цели необходимо использовать материал, в котором изменение показателя преломления в модифицированной лазером области положительно. Таким свойством обладает, например, кварцевое стекло.
Для определения необходимых параметров записи в образце кварцевого стекла были записаны треки, т.е. прямые дорожки модифицированного лазером материала, с разными скоростями и энергиями импульсов. Использовался лазер Pharos SP (Light Conversion, Литва) с частотой следования импульсов 5 кГц и длиной волны 1030 нм. Кроме того, для получения чечевицеобразной формы
SoVbTv™ ЛАЗЕРНАЯ ФИЗИКА И ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА
перетяжки пучок проходил через спектроскопическую щель с просветом 1 мм [4].
Каждой паре энергия-скорость соответствовали четыре трека, отличающиеся направлением записи и поляризацией (параллельно или перпендикулярно треку).
Методом количественной фазовой микроскопии (Quantitative Phase microscopy, QPm) было измерено изменение показателя преломления в каждом треке. На Рис. 1 приведены результаты для поляризации, перпендикулярной сканированию, усреднённые по двум направлениям движения. Установлено, что направление сканирования не оказывает значимого влияния на изменение показателя преломления.
Si03 10**Дп, поляризация-1-Треку
0.1 0.2 0.4 0.В 1.6
Скорость сканирования, мм/с
Рпс. 1. Зависимость изменения показателя преломления (Ли) в кварцевом стекле от скорости сканирования и энергии импульса.
Было обнаружено, что при высоких энергиях и низких скоростях режим записи резко изменяется, и треки становятся «рябыми». Определение изменения показателя преломления в таких треках затруднительно. Вероятно, смена режима модификации связана с образованием в кварцевом стекле нанорешёток. Наличие двулучепреломления в «рябых» треках подтверждает эту гипотезу.
После определения оптимальных параметров записи в образце кварцевого стекла марки КВ был записан спиральный волновод с шагом витков 1.6 мкм, что соответствует третьему брэгговскому порядку в области 1.55 мкм. Тангенциальная скорость движения пучка составляла 0.4 мм/о, энергия импульса — 265 нДж, поляризация перпендикулярна направлению движения перетяжки.
ШКОЛА-КОНФЕРЕНЦИЯ МОЛОДЫХ УЧЁНЫХ
-------------1Е НЕДЕЛИ»
19-21 октября 2021 г
Микрофотография торца спирали представлена на Рис. 2.
Рис. 2. Микрофотография торца спирали диаметром 25 мкм, записанной в кварцевом стекле.
Режим светлого поля с подсветкой сзади.
В докладе будут представлены результаты по характеризации спирального волновода и генерации ОУМ-пучка.
Автор выражает благодарность научному руководителю, к.ф.-м.н. Охримчуку А.Г. за помощь в выборе направления исследований и плодотворные консультации.
1. Willner A.E. et al. Advances in optics and photonics. 2015, 7(1), 66106.
2. Ritsch-Marte M. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 2017, 375, 2087, 20150437
3. Shen Y. et al. Light: Science & Applications. 2019, 8(1), 1-29.
4. Okhrimchuk A. et al. CLEO/EUROPE-EQEC 2021, 2021.
