張彬，王磊，賈曰辰，陳峰

（山東大學(xué)物理學(xué)院晶體材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南250100）

0 引言

飛秒激光直寫是材料精密加工領(lǐng)域最重要的技術(shù)之一，可以在透明光學(xué)材料內(nèi)部快速高效地制備三維微納光子結(jié)構(gòu)［1-32］。利用透鏡或顯微物鏡將飛秒激光聚焦到透明材料內(nèi)部，由于飛秒激光具有超高的峰值功率和超短的脈沖寬度，在焦點(diǎn)附近可以產(chǎn)生多光子吸收、隧穿電離和雪崩擊穿等一系列強(qiáng)烈的非線性相互作用，還能夠抑制熱影響區(qū)的形成［1，33］。光波導(dǎo)對光束具有良好的限制和引導(dǎo)作用，激光在光波導(dǎo)中經(jīng)過一段較長的相互作用距離后，仍然可以保持較高的光強(qiáng)度，這對制備高質(zhì)量、微型化、多功能的集成光子器件具有十分重要的意義［1，34-37］。1996年，DAVIS K M 等利用飛秒激光在玻璃內(nèi)部成功制備了光波導(dǎo)，這是有關(guān)飛秒激光直寫光波導(dǎo)的最早報道［38］。從此以后，飛秒激光直寫技術(shù)被廣泛用于玻璃、晶體和光學(xué)陶瓷等透明材料中制備三維光波導(dǎo)和光波導(dǎo)器件（如分束器、頻率轉(zhuǎn)換器和電光調(diào)制器等）［1，39-57］。利用光波導(dǎo)構(gòu)建的頻率轉(zhuǎn)換器等微納光子器件，性能較好、集成度較高、塊體材料自身的優(yōu)異特性也可以得到很好的保留，具有塊體材料器件所不具備的一些特點(diǎn)和優(yōu)勢。因此，對光波導(dǎo)和集成光波導(dǎo)器件的研究，一直是集成光學(xué)和現(xiàn)代光通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

通過多光子吸收、隧穿電離和雪崩擊穿等非線性相互作用過程，飛秒激光在透明材料中可以誘導(dǎo)產(chǎn)生兩種改性（折射率改變）：I 類改性（激光焦點(diǎn)處折射率升高）和II 類改性（激光焦點(diǎn)處折射率降低）［1，58］。在I類改性區(qū)域和II 類改性區(qū)域，材料原有結(jié)構(gòu)均會受到一定程度的破壞，只是I 類改性區(qū)域的破壞程度相對較??；此外，I 類改性區(qū)域和II 類改性區(qū)域的折射率發(fā)生相反變化，可能與飛秒激光誘導(dǎo)的材料缺陷類型不同有關(guān)，更準(zhǔn)確的物理機(jī)制有待進(jìn)一步研究。飛秒激光加工參數(shù)（脈沖寬度、脈沖能量和重復(fù)頻率等）和材料固有特性（帶隙、硬度和折射率等），都會影響激光焦點(diǎn)處發(fā)生的材料改性的類型。一般來說，當(dāng)飛秒激光單脈沖能量較低時，更容易在材料中誘導(dǎo)產(chǎn)生I 類改性；隨著單脈沖能量的升高，飛秒激光對材料的損傷逐漸增強(qiáng)，最終導(dǎo)致II 類改性出現(xiàn)。因?yàn)镮 類改性區(qū)域的材料折射率升高，所以飛秒激光輻照區(qū)域即為導(dǎo)波區(qū)域。利用I 類改性，可以在材料中構(gòu)建單線波導(dǎo)（僅由一條I 類改性區(qū)域構(gòu)成）［43］，再結(jié)合多重掃描技術(shù)（將多條I 類改性區(qū)域橫向緊密排列），可以制備橫截面積可控的多線波導(dǎo)結(jié)構(gòu)（調(diào)控導(dǎo)波區(qū)域的有效折射率大小和分布）［59］，對近紅外和中紅外波段低損耗光波導(dǎo)器件的研制具有重要意義。利用飛秒激光誘導(dǎo)的I 類改性，雖然可以在透明材料中方便靈活地構(gòu)建三維光波導(dǎo)器件，但是，器件的熱穩(wěn)定性相對較差，不適合高溫和高功率應(yīng)用。此外，單線波導(dǎo)橫截面呈橢圓形，不利于實(shí)現(xiàn)單模傳輸。II 類改性區(qū)域的材料折射率降低，在改性區(qū)域不能直接形成光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，但可以利用II 類改性圍成雙線波導(dǎo)或包層波導(dǎo)（導(dǎo)波區(qū)域位于雙線或包層中間）［60-62］。利用雙線波導(dǎo)或包層波導(dǎo)構(gòu)成的光波導(dǎo)器件，具有較好的熱穩(wěn)定性。由于飛秒激光沒有直接輻照導(dǎo)波區(qū)域，因此塊體材料的性質(zhì)在導(dǎo)波區(qū)域可以得到很好的保留，另外，通過調(diào)節(jié)雙線之間的間隔或包層橫截面積的大小，不但可以靈活定制特定波長下的低損耗光波導(dǎo)，還可以實(shí)現(xiàn)特定波長下的模式調(diào)控［63］。利用雙線波導(dǎo)和包層波導(dǎo)構(gòu)建集成光波導(dǎo)器件具有上述諸多優(yōu)勢，但該類波導(dǎo)結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，所需加工時間更長。為了提高波導(dǎo)制備的質(zhì)量和效率，科研工作者將更多的目光聚焦在飛秒激光光束整形技術(shù)上［64-66］。

通常利用顯微物鏡將飛秒激光高斯光束聚焦到透明材料內(nèi)部，以單點(diǎn)掃描的方式制備光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)飛秒激光高斯光束的空間和時間能量分布，不能滿足低損耗光波導(dǎo)快速高效制備的加工需求，通過調(diào)控飛秒激光光場在空域或時域的能量分布，可以改變飛秒激光直寫光波導(dǎo)的橫截面形貌以及波導(dǎo)中的模場分布，從而降低波導(dǎo)的耦合損耗和傳輸損耗，另外，利用整形飛秒激光直寫光波導(dǎo)，還可以實(shí)現(xiàn)單條波導(dǎo)以及波導(dǎo)陣列的快速制備，從而大幅度提升波導(dǎo)制備的效率［64-66］。因此，利用光場調(diào)控技術(shù)對飛秒激光高斯光束進(jìn)行整形，并用于快速高效地制備低損耗的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，成為近些年來集成光子學(xué)領(lǐng)域的一個研究熱點(diǎn)。

截至目前，國內(nèi)外已有多篇綜述文章總結(jié)過飛秒激光直寫光波導(dǎo)的研究進(jìn)展［1，67-69］、飛秒激光光束整形的原理和方法［64］、以及整形飛秒激光在微納結(jié)構(gòu)制造中的應(yīng)用［65］。但是，重點(diǎn)介紹整形飛秒激光直寫光波導(dǎo)的述評文章相對較少。本文將從飛秒激光光束整形技術(shù)出發(fā)，簡明扼要地介紹整形飛秒激光直寫光波導(dǎo)的最新研究進(jìn)展，并對該領(lǐng)域潛在的幾個研究方向進(jìn)行展望。

1 狹縫光束整形

在傳統(tǒng)的飛秒激光直寫光波導(dǎo)過程中，通常利用顯微物鏡將飛秒激光高斯光束聚焦到透明材料內(nèi)部。然而，在界面處會因?yàn)榭諝庹凵渎屎筒牧险凵渎实牟黄ヅ涠a(chǎn)生球差效應(yīng)（材料折射率越大、物鏡數(shù)值孔徑越大、聚焦深度越深，球差效應(yīng)越明顯），從而引起焦點(diǎn)處飛秒激光光場能量在縱向（激光入射方向）和橫向（垂直激光入射方向）分布不均［66］，另外，飛秒激光在材料內(nèi)部產(chǎn)生的自聚焦、自散焦和成絲等非線性光學(xué)效應(yīng)，會使焦點(diǎn)處飛秒激光光場能量在縱向和橫向的分布更加不平衡，最終導(dǎo)致材料改性區(qū)域的縱向尺寸遠(yuǎn)大于橫向尺寸［65］。為了在最大程度上提高加工靈活性，通常采用橫向直寫方式（飛秒激光掃描方向與入射方向垂直）制備光波導(dǎo)。然而，改性區(qū)域的這種縱向拉長對制備橫截面為圓形的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)十分不利。

為了提升光波導(dǎo)橫截面和模場分布的圓形對稱性，降低光波導(dǎo)的耦合損耗、彎曲損耗和傳輸損耗，科學(xué)家們致力于研究飛秒激光光束整形技術(shù)，以便快速高效地制備高性能的光波導(dǎo)和光波導(dǎo)器件。2003年，CHENG Y 等［70］提出在物鏡前端放置一個衍射狹縫，使狹縫方向平行于飛秒激光橫向直寫方向，可以制備橫截面為近圓形的光波導(dǎo)，這就是后來在飛秒激光微納加工領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用的狹縫光束整形技術(shù)。

2005年，AMS M 等［71］將縫寬為500 μm 的狹縫插入顯微物鏡前端，利用整形后的飛秒激光在磷酸鹽玻璃中成功制備了具有圓形橫截面的單線波導(dǎo)。該波導(dǎo)能夠支持635 nm 波長下的單模傳輸，在1 550 nm 波長下的傳輸損耗低至0.39 dB/cm。圖1（a）～（b）分別是未加狹縫時，飛秒激光焦點(diǎn)附近的光束演化情況和能量分布情況；圖1（d）～（e）分別是加入狹縫后，飛秒激光焦點(diǎn)附近的光束演化情況和能量分布情況；圖1（c）～（d）分別是狹縫整形前后，飛秒激光直寫光波導(dǎo)的端面顯微鏡圖像，從圖中可以看出：利用狹縫整形技術(shù)，能夠?qū)w秒激光直寫光波導(dǎo)的橫截面由橢圓形變成近圓形，為圓形橫截面光波導(dǎo)的制備提供了理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

圖1 狹縫光束整形與波導(dǎo)制備［71］Fig.1 Slit beam shaping and waveguide fabrication［71］

2006年，SOWA S 等［72］利用縫寬為400 μm 的狹縫對飛秒激光進(jìn)行整形，在有機(jī)玻璃中成功制備了橫截面為圓形的單線波導(dǎo)（支持632.8 nm 波長下的單模傳輸）和高性能的定向耦合器（在632.8 nm 波長下分光比為1∶1），這對在有機(jī)玻璃中制備高性能的集成光波導(dǎo)器件具有重要的指導(dǎo)意義。2009年，ZHANG Y 等［73］將縫寬為400 μm 的狹縫固定在一個360°電動旋轉(zhuǎn)臺上，利用動態(tài)狹縫整形技術(shù)在石英玻璃中成功制備了橫截面為圓形的90°圓弧波導(dǎo)（在波導(dǎo)制備過程中，旋轉(zhuǎn)狹縫使狹縫方向與波導(dǎo)弧的切線保持平行），為利用飛秒激光直寫技術(shù)在石英玻璃中制備低損耗的三維光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)提供了技術(shù)支撐。2009年，MARSHALL G D等［74］利用縫寬為520 μm 的狹縫對飛秒激光進(jìn)行整形，在石英玻璃中制備了圓形橫截面單線波導(dǎo)，并用于構(gòu)建定向耦合器，首次成功實(shí)現(xiàn)了基于該波導(dǎo)平臺的三光子量子干涉，為狹縫整形飛秒激光直寫技術(shù)在集成量子光子學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。2011年，DHARMADHIKARI J A 等［75］利用縫寬為500 μm 的狹縫對飛秒激光整形，并用于制備硼硅酸鹽玻璃中的單線波導(dǎo)，該波導(dǎo)在635 nm 波長下的傳輸損耗約為0.5 dB/cm。2021年，ROLDáN-VARONA P 等［76］利用縫寬為500 μm 的狹縫對飛秒激光進(jìn)行整形，首次在光纖內(nèi)部成功制備了具有圓形橫截面的包層光波導(dǎo)（在633 nm 波長下的傳輸損耗約為0.21 dB/cm），為微型光學(xué)傳感器的制造提供了可能。

狹縫光束整形簡單易操作，為飛秒激光直寫具有圓形橫截面的光波導(dǎo)提供了一個切實(shí)可行的解決方案，對優(yōu)化波導(dǎo)模場分布和降低波導(dǎo)傳輸損耗都十分有效。狹縫光束整形已相對成熟，利用該技術(shù)已經(jīng)在多種玻璃材料中成功制備了低損耗的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)（傳輸損耗＜0.5 dB/cm），但是，此項(xiàng)技術(shù)在晶體波導(dǎo)制備方面應(yīng)用較少。狹縫不可避免地會造成大部分飛秒激光能量損失，這是狹縫整形技術(shù)的一個缺點(diǎn)。

2 像散光束整形

在顯微物鏡前放置一個像散柱面望遠(yuǎn)鏡，利用像散光束整形技術(shù)對飛秒激光進(jìn)行整形，也可以在透明材料中制備橫截面為圓形的光波導(dǎo)［77-78］。圖2（a）為像散光束整形和波導(dǎo)制備的示意圖，圖2（b）為模擬的沒有經(jīng)過像散光束整形的飛秒激光焦點(diǎn)處的電子密度分布圖，圖2（c）～（e）分別是在不同像散光束整形參數(shù)下模擬的飛秒激光焦點(diǎn)處的電子密度分布圖。從圖2（b）～（e）中可以看出：利用像散光束整形技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)飛秒激光焦點(diǎn)處能量的近圓形分布，另外，通過操控像散差z0，不但可以提升飛秒激光焦點(diǎn)處能量分布的圓形對稱性，還可以改變該能量分布區(qū)域的面積大小。

圖2 像散光束整形與波導(dǎo)制備［77-78］Fig.2 Astigmatic beam shaping and waveguide fabrication［77-78］

2002年，CERULLO G 等［77］首次提出了像散光束整形技術(shù)，并用于飛秒激光整形，2003年，他們進(jìn)一步發(fā)展了像散光束整形技術(shù)［78］，利用整形飛秒激光在鉺鐿共摻磷酸鹽玻璃中制備了具有圓形橫截面的單線波導(dǎo)（支持1.5 μm 波長下的單模傳輸），該波導(dǎo)在1534 nm 波長下的傳輸損耗約為0.25 dB/cm、內(nèi)部增益約為1.4 dB。2016年，BéRUBé J P 等［79］利用像散光束整形后的飛秒激光，在幾種硅酸鹽玻璃的近表面制備了高折射率對比度的單線波導(dǎo)（波導(dǎo)橫截面呈現(xiàn)近圓形分布），可以支持405 nm 波長下的單模傳輸，該工作為利用飛秒激光直寫技術(shù)在玻璃近表面制備新型的集成光子器件開辟了道路。2017年，他們又利用像散光束整形技術(shù)對飛秒激光進(jìn)行整形［80］，在鋇鎵鍺酸鹽玻璃中制備了具有近圓形橫截面的單線波導(dǎo)，該波導(dǎo)可以支持2.78 μm 波長下的單模傳輸（傳輸損耗約為0.5 dB/cm），該工作對飛秒激光直寫中紅外波段的低損耗光波導(dǎo)器件具有重要意義。2019年，WANG C Y 等［81］利用像散光束整形后的飛秒激光，在石英玻璃內(nèi)部制備了旋轉(zhuǎn)偏振定向耦合器，該波導(dǎo)器件在光通信和量子信息處理等方面具有重要的潛在應(yīng)用價值。

經(jīng)過近20年的發(fā)展，像散光束整形技術(shù)已趨于成熟，利用該技術(shù)也可以將玻璃波導(dǎo)的傳輸損耗降低到0.5 dB/cm 以下，此項(xiàng)光束整形技術(shù)同樣適用于低損耗晶體光波導(dǎo)的制備。當(dāng)制備彎曲光波導(dǎo)及相關(guān)波導(dǎo)器件時，在飛秒激光直寫過程中，狹縫光束整形和像散光束整形需要分別動態(tài)調(diào)整狹縫的方向和柱面透鏡對的方向，加工過程將會變得非常復(fù)雜。正是由于這種較高的技術(shù)復(fù)雜性，限制了狹縫光束整形技術(shù)和像散光束整形技術(shù)在飛秒激光直寫光波導(dǎo)方面的進(jìn)一步應(yīng)用。

3 可變形鏡光束整形

利用一個二維可變形鏡對飛秒激光整形，也可以在透明光學(xué)材料中制備橫截面為圓形的光波導(dǎo)［82］。圖3 為可變形鏡光束整形與波導(dǎo)制備的示意圖。圖3 中，利用二維可變形鏡對飛秒激光只在一個軸向進(jìn)行聚焦，使飛秒激光在進(jìn)入顯微物鏡之前的光強(qiáng)呈線狀分布，從而能夠在透明材料中制備橫截面接近圓形的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。2008年，THOMSON R R 等［82］首次提出了可變形鏡光束整形技術(shù)，他們通過調(diào)節(jié)可變形鏡的曲率來調(diào)控飛秒激光焦點(diǎn)處的能量分布，成功在鈉鈣硅酸鹽玻璃中制備了橫截面接近圓形的單線波導(dǎo)，該波導(dǎo)支持1.55 μm 波長下的單模傳輸，傳輸損耗約為1.5 dB/cm。

圖3 可變形鏡光束整形與波導(dǎo)制備［82］Fig.3 Deformable-mirror beam shaping and waveguide fabrication［82］

可變形鏡光束整形技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)與狹縫光束整形技術(shù)類似的功能。與狹縫光束整形技術(shù)相比，在飛秒激光直寫過程中利用可變形鏡光束整形技術(shù)，可以靈活地操控顯微物鏡之前線狀焦點(diǎn)的寬度和方向，對圓形橫截面光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的快速制備具有重要意義。該技術(shù)可以用于降低玻璃波導(dǎo)和晶體波導(dǎo)的傳輸損耗，然而目前所能實(shí)現(xiàn)的最小傳輸損耗為1.5 dB/cm，距離實(shí)用化的目標(biāo)（＜0.5 dB/cm）還有一段距離。

4 時空域協(xié)同光束整形

在飛秒激光時空域協(xié)同光束整形技術(shù)中，只有焦點(diǎn)處飛秒激光的脈沖寬度最短，另外，通過定制沿激光傳輸方向的脈沖序列，可以在時域上調(diào)控焦點(diǎn)處飛秒激光的脈沖寬度，因而利用該技術(shù)能夠在透明光學(xué)材料中實(shí)現(xiàn)三維各向同性加工［64，66］。圖4（a）所示為飛秒激光時空域協(xié)同光束整形的示意圖，圖4（b）是模擬的沒有經(jīng)過時空域協(xié)同光束整形的飛秒激光焦點(diǎn)處的強(qiáng)度分布，圖4（c）～（d）是模擬的經(jīng)過時空域協(xié)同光束整形的飛秒激光焦點(diǎn)處的強(qiáng)度分布，分別對應(yīng)XZ面和YZ面的情況。在飛秒激光進(jìn)入顯微物鏡之前，利用一對平行光柵把飛秒激光光譜在空域上連續(xù)分開（光柵對會引入負(fù)啁啾，需要對飛秒激光進(jìn)行正啁啾補(bǔ)償），經(jīng)過顯微物鏡匯聚之后，不同頻率的脈沖又組合成新的飛秒激光脈沖。因?yàn)楣馐黝l率分量的空間重疊只發(fā)生在飛秒激光焦點(diǎn)附近，所以會出現(xiàn)時域聚焦（實(shí)際就是在焦點(diǎn)重回鎖模狀態(tài)），這就導(dǎo)致此時飛秒激光脈沖寬度最短、峰值強(qiáng)度最高［64-66］。

圖4 時空域協(xié)同光束整形技術(shù)［66，83］Fig.4 Simultaneous spatiotemporal focusing［66，83］

2005年，ZHU G H 等［84］最先提出了飛秒激光時空域協(xié)同光束整形技術(shù)，2010年，HE F 等［83］進(jìn)一步發(fā)展了該技術(shù)，利用整形飛秒激光（輔以濕法刻蝕）在石英玻璃中成功制備了橫截面為圓形的中空微流體通道。2018年，WANG P 等［85］通過色散元件將初始飛秒激光的脈沖寬度展寬至大約幾十皮秒，基于飛秒激光時空域協(xié)同光束整形技術(shù)，可以幾乎不受球差影響地在石英玻璃表面以下250 μm～9 mm 的區(qū)域內(nèi)誘導(dǎo)橫截面為圓形的改性區(qū)域，為制備大縱向尺寸的三維微納光子結(jié)構(gòu)提供了技術(shù)支撐，在集成光子學(xué)和微流控光學(xué)等領(lǐng)域?qū)懈鼜V泛的應(yīng)用。

飛秒激光時空域協(xié)同光束整形技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：超短脈沖只在焦平面形成，能夠大幅度削弱一些非線性副作用，對實(shí)現(xiàn)三維各向同性加工具有重要意義。但是，截至目前，飛秒激光時空域協(xié)同光束整形技術(shù)仍未被用于制備三維光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。隨著研究的進(jìn)一步深入，飛秒激光時空域協(xié)同光束整形技術(shù)在制備低損耗玻璃波導(dǎo)和晶體波導(dǎo)方面有望得到廣泛的應(yīng)用。

5 空間光調(diào)制器光束整形

空間光調(diào)制器是一種在外部信號控制下，可以對入射激光的振幅、相位和偏振等參數(shù)進(jìn)行動態(tài)調(diào)控的光學(xué)元件，空間光調(diào)制器光束整形具有效率高、質(zhì)量好和易操作等特點(diǎn)［86］。將空間光調(diào)制器光束整形技術(shù)引入飛秒激光微納加工領(lǐng)域，通過合理設(shè)計(jì)加工光路和調(diào)整加工參數(shù)，可以按需改變飛秒激光聚焦區(qū)域的光場強(qiáng)度分布，這對調(diào)控飛秒激光直寫光波導(dǎo)的橫截面形貌和提升光波導(dǎo)制備的效率都具有重要的實(shí)用價值。

2008年，MAUCLAIR C 等［87］利用空間光調(diào)制器對飛秒激光脈沖進(jìn)行時空域自適應(yīng)調(diào)控（動態(tài)波前矯正技術(shù)），當(dāng)利用飛秒激光在硼硅酸鹽玻璃中進(jìn)行光波導(dǎo)直寫時，球差補(bǔ)償與飛秒激光直寫同步（動態(tài)補(bǔ)償球差），因此，該技術(shù)可以幾乎不受球差影響地在材料不同深度處制備橫截面為圓形的三維光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。2012年，LONG X 等［88］利用空間光調(diào)制器將飛秒激光高斯光束整形為空心激光束，在磷酸鹽玻璃中實(shí)現(xiàn)了包層光波導(dǎo)的單步制備，這是利用飛秒激光空心光束在磷酸鹽玻璃中快速單步制備包層波導(dǎo)的最早報道，圖5（a）為利用空間光調(diào)制器將飛秒激光高斯光束整形為空心激光束的示意圖，圖5（b）為包層波導(dǎo)端面的光學(xué)顯微鏡圖像。2012年，SALTER P S 等［89］利用空間光調(diào)制器對飛秒激光進(jìn)行自適應(yīng)狹縫光束整形，在石英玻璃中制備了橫截面接近圓形的單線波導(dǎo)，該波導(dǎo)可以支持825 nm 波長下的單模傳輸（傳輸損耗小于0.4 dB/cm），這項(xiàng)工作在制備彎曲光波導(dǎo)、布拉格光柵波導(dǎo)和模式轉(zhuǎn)換器等方面具有重要的潛在應(yīng)用價值。2016年，HUANG L 等［90］把空間光調(diào)制器引入飛秒激光加工系統(tǒng)中，以實(shí)現(xiàn)動態(tài)的光束整形和球差矯正，該技術(shù)可以用于在玻璃表面以下＞1 mm 的深度范圍內(nèi)制備橫截面呈圓形分布的單線波導(dǎo)（可以支持630 nm波長下的單模傳輸）。

圖5 飛秒激光空心光束產(chǎn)生與波導(dǎo)制備［88］Fig.5 The generation of focused femtosecond hollow beam and waveguide fabrication［88］

2016年，LIAO Y 等［91］利用空間光調(diào)制器對飛秒激光進(jìn)行狹縫光束整形（通過設(shè)置空間光調(diào)制器上狹縫的寬度可以動態(tài)調(diào)控飛秒激光焦點(diǎn)處的能量分布），在精密電動位移臺的配合下，只需將兩種整形后的飛秒激光在氟化物玻璃中各掃描兩次，便可以快速加工出“口字型”包層波導(dǎo)。同年，他們利用該技術(shù)在鈮酸鋰晶體中成功制備了雙線波導(dǎo)、垂直雙線波導(dǎo)和“口字型”包層波導(dǎo)［92］，圖6（a）所示為利用空間光調(diào)制器對飛秒激光進(jìn)行狹縫光束整形的示意圖。圖6（b）～（d）分別是鈮酸鋰雙線波導(dǎo)、垂直雙線波導(dǎo)和“口字型”包層波導(dǎo)的端面顯微鏡圖像。2017年，他們又基于該技術(shù)（輔以球差矯正）在鈮酸鋰晶體表面以下1.4 mm 深度處制備了“口字型”包層波導(dǎo)（能夠支持1 550 nm 波長下的單模傳輸且與偏振方向無關(guān)）［93］，這項(xiàng)加工技術(shù)在制備大規(guī)模三維光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖6 基于空間光調(diào)制器的狹縫光束整形和波導(dǎo)制備［92］Fig.6 The slit beam shaping based on spatial light modulator and waveguide fabrication［92］

2017年，ZHANG Q 等［94］利用空間光調(diào)制器，將飛秒激光高斯光束整形為具有環(huán)形強(qiáng)度分布的激光束，在氟化物玻璃中實(shí)現(xiàn)了圓形包層光波導(dǎo)的單步快速制備。圖7（c）所示為利用具有連續(xù)環(huán)形焦場的飛秒激光制備的圓形包層波導(dǎo)的示意圖，與利用飛秒激光直寫的多條平行線圍成圓形包層波導(dǎo)（見圖7（a））和利用狹縫光束整形后的飛秒激光制備“口字型”包層波導(dǎo)（見圖7（b））兩種技術(shù)相比，該技術(shù)能夠在透明光學(xué)材料內(nèi)部更加快速高效地制備包層光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，另外，該技術(shù)是采用一種收斂性較好的加權(quán)Yang-Gu 算法來設(shè)計(jì)相位掩模，從而得到具有連續(xù)環(huán)形焦場的飛秒激光，不同于2012年LONG X 等［88］提出的利用飛秒激光空心激光束（高階無衍射貝塞爾光束）單步制備包層波導(dǎo)的方法。圖7（d）是利用圖7（c）中環(huán)形焦場飛秒激光加工技術(shù)制備的包層波導(dǎo)的端面顯微鏡圖像，圖7（e）～（f）分別是包層波導(dǎo)在785 nm 和1550 nm 波長下的近場強(qiáng)度分布圖（均為單模）。

圖7 包層波導(dǎo)制備與表征［94］Fig.7 The fabrication and characterization of depressed-cladding waveguide［94］

2019年，他們又基于該技術(shù)，利用具有離散環(huán)形焦場的飛秒激光，在鈮酸鋰晶體內(nèi)部制備了圓形包層波導(dǎo)［95］，圖8（a）～（b）分別是該包層波導(dǎo)的端面顯微鏡圖像和上表面顯微鏡圖像，圖8（c）～（d）分別是包層波導(dǎo)在1 550 nm 波長下沿H 偏振和V 偏振的近場強(qiáng)度分布圖（均為單模）。作為一項(xiàng)應(yīng)用，他們利用該技術(shù)在鈮酸鋰晶體內(nèi)部制備了基于圓形包層光波導(dǎo)的高性能定向耦合器。該工作為在晶體內(nèi)部快速高效地制備基于包層光波導(dǎo)的復(fù)雜光子器件鋪平了道路。

圖8 利用具有離散環(huán)形焦場的飛秒激光制備的鈮酸鋰包層波導(dǎo)的顯微鏡圖和近場強(qiáng)度分布圖［95］Fig.8 The microscopic images and near-field intensity distribution images of depressed-cladding waveguide written by femtosec?ond laser with discrete ring-shaped focal field［95］

2021年，LI Z Z 等［96］利用空間光調(diào)制器，將一個飛秒激光焦點(diǎn)調(diào)整為多焦點(diǎn)陣列，通過改變焦點(diǎn)陣列中子焦點(diǎn)彼此之間的距離和排列，可以方便靈活地調(diào)控飛秒激光直寫光波導(dǎo)的橫截面形貌，圖9所示為利用多焦點(diǎn)飛秒激光進(jìn)行光波導(dǎo)直寫的示意圖。該技術(shù)無需任何復(fù)雜的球差補(bǔ)償算法，只需使用一個空間光相位調(diào)制器，就可以在透明光學(xué)材料中快速高效地制備橫截面為圓形的三維光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，對多功能集成光子器件的發(fā)展將會起到積極的促進(jìn)作用。

圖9 飛秒激光多焦點(diǎn)直寫示意圖［96］Fig.9 The schematic of femtosecond-laser multi-foci direct writing［96］

利用空間光調(diào)制器對飛秒激光整形，具有效率高、質(zhì)量好和易操作等特點(diǎn)?；诳臻g光調(diào)制器光束整形技術(shù)，可以在玻璃、晶體和光學(xué)陶瓷等透明材料中快速高效地制備低損耗（＜0.5 dB/cm）光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

6 總結(jié)與展望

利用光束整形技術(shù)對飛秒激光焦點(diǎn)處的光場強(qiáng)度分布進(jìn)行調(diào)控，可以提升飛秒激光直寫光波導(dǎo)的質(zhì)量和效率，對構(gòu)建高性能的三維光波導(dǎo)器件具有重要意義。在整形飛秒激光直寫光波導(dǎo)領(lǐng)域，狹縫光束整形簡單易操作，可以有效提升光波導(dǎo)橫截面的圓形對稱性，但也不可避免地會損失大部分飛秒激光能量，像散光束整形能夠?qū)崿F(xiàn)飛秒激光焦點(diǎn)處能量的近圓形分布，可以使光波導(dǎo)橫截面的縱向拉伸得到有效改善，但當(dāng)利用該技術(shù)制備彎曲光波導(dǎo)及相關(guān)波導(dǎo)器件時，則需要動態(tài)調(diào)整柱面透鏡對的方向，這使得加工過程變得非常復(fù)雜。

可變形鏡光束整形可以實(shí)現(xiàn)與狹縫光束整形類似的功能，該技術(shù)克服了狹縫光束整形中能量損失大和加工靈活性差等問題，可以靈活地操控顯微物鏡之前線狀焦點(diǎn)的寬度和方向，對圓形橫截面光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的快速制備具有重要意義。另外，利用飛秒激光時空域協(xié)同光束整形技術(shù)，也可以實(shí)現(xiàn)三維各向同性加工，能夠大幅度削弱一些非線性副作用。截至目前，基于上述兩種飛秒激光光束整形技術(shù)進(jìn)行三維光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)制備的工作相對較少。在不久的將來，該領(lǐng)域可能會有更多更優(yōu)秀的研究成果陸續(xù)涌現(xiàn)出來。

當(dāng)利用飛秒激光直寫技術(shù)制備光波導(dǎo)時，借助空間光調(diào)制器對飛秒激光高斯光束進(jìn)行整形，不但可以有效改善光波導(dǎo)橫截面的縱向拉伸和光波導(dǎo)模場分布的對稱性，還可以在直寫過程中對焦點(diǎn)處的激光能量分布進(jìn)行動態(tài)調(diào)控，這對于復(fù)雜三維光波導(dǎo)器件的快速高效制備具有重要的應(yīng)用價值?；诳臻g光調(diào)制器的飛秒激光直寫技術(shù)種類繁多，已經(jīng)在集成光學(xué)和非線性光學(xué)等領(lǐng)域取得了許多令人矚目的成就。可以預(yù)見，該技術(shù)將會持續(xù)推動集成光子器件向前發(fā)展和進(jìn)步。然而，受空間光調(diào)制器自身參數(shù)（如像素個數(shù)、刷新頻率和分辨率等）的限制，所生成的光場的質(zhì)量還有待提高。研發(fā)高質(zhì)量的空間光調(diào)制器，并用于飛秒激光光束整形，對光波導(dǎo)器件性能的提升有重要意義，這也是飛秒激光微納加工領(lǐng)域一個重要的研究方向。