基于飞秒激光直写技术制备的可旋转光轴波导、方法及应用

1.本发明属于激光加工技术领域，具体涉及利用飞秒激光直写技术，提出利用应力诱导任意角度光轴的方案制备可旋转光轴的波导，解决了片上波片制备及光子偏振态复杂操纵等问题。
技术背景
2.飞秒激光直写技术由于其特有的真三维和高精度的加工能力而受到广泛关注。除此之外，飞秒激光还凭借其极高的瞬时峰值功率，可以与大部分介质材料发生作用，并改性硬质透明材料，所以飞秒激光直写技术常常被用来加工蓝宝石、玻璃和金刚石等硬质透明材料。近些年，研究人员发现利用飞秒激光直写技术可以在玻璃介质中制备低损耗、低双折射且模式良好的光波导。同时，结合飞秒激光加工的三维能力、高精度能力、高效率、低成本等优势，飞秒激光制备光波导的相关研究被广泛的应用在量子计算，量子模拟，量子拓扑学等领域。一般情况下，飞秒激光制备的光波导光轴都是固定的，光轴方向垂直或者平行于激光的入射方向。这是由于采用非整形的飞秒激光聚焦于在待加工材料内部，这个过程中会产生自聚焦效应。简单的来讲，就是激光会在聚焦位置的下方再次聚焦，导致整个波导的折射率和应力分布不均。自聚焦位置形成更强的应力场，导致波导的光轴会沿着自聚焦位置固定。并且固定光轴的波导会影响片上的任意偏振态操纵，从而限制波导器件在集成光学中的应用。针对这一问题，目前的调节方法是利用倾斜聚焦光束制备旋转光轴波导，但可惜的是光轴的旋转范围有限(0-27
°
)，不能满足全部的实际需求。
3.综上所述，急需找到一种飞秒激光加工新方法消除自聚焦应力场产生的光轴，同时实现360
°
可旋转光轴波导，从而解决片上光子的任意偏振态操纵问题。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明提供了基于飞秒激光直写技术制备的可旋转光轴波导、方法及应用，该方法首次提出采用整形技术制备无光轴应力分布均匀的圆波导，结合应力场诱导产生可旋转光轴波导的方案。具体地，采用狭缝整形方式制备无光轴且应力分布均匀的圆波导；在圆波导的附近添加应力修饰线，利用修饰线产生的应力场打破圆波导的形状对称性和均匀应力场，诱导产生可旋转光轴波导。光轴的旋转角度通过改变圆形主波导和修饰线之间的中心连线与水平线所呈的夹角(θ)来实现的。修饰线中心轴线与圆波导中心轴线之间存在适当距离用以打破圆波导的形状对称性和内应力平衡。在应力诱导产生光轴的过程中，本发明所添加的修饰线几乎不影响圆波导的传输损耗和单模传输等基本特性；最终圆形主波导和修饰线组合形成新的波导即是可旋转光轴的波导。
5.本发明通过如下技术方案实现：
6.第一方面，本发明提供了一种基于飞秒激光直写技术制备的可旋转光轴波导，所述可旋转光轴波导由无光轴应力分布均匀的圆形波导及与其成θ角度平行的应力修饰线组成，所述无光轴应力均匀分布的圆波导通过整形光束制备得到，所述应力修饰线是通过激
光的聚焦焦点沿圆形波导的水平径向移动，平行于圆形波导加工而成；通过调整应力修饰线与圆形波导之间的中心连线与水平线间的夹角θ实现光轴的可旋转，其中，夹角θ即为波导光轴的旋转角度。
7.进一步地，所述整形光束方式采取狭缝整形；所述应力修饰线中心轴线与主波导中心轴线之间存在适当距离；所述无光轴应力分布均匀的圆形波导的长度为0.1-100mm，端面直径为4-13μm。
8.第二方面，本发明还提供了一种基于飞秒激光直写技术制备可旋转光轴波导的方法，具体包括如下步骤：
9.步骤一：制备无光轴且应力分布均匀的圆形主波导；
10.飞秒激光器的出射激光先后经过半波片hwp和偏振分束器pbs，再经第一反射镜m1正入射到凹透镜l1和凸透镜l2组成的透镜组，透镜组将光斑均匀扩束成圆光斑平行出射；其中，定义光束传播方向为z方向，加工方向沿x方向，狭缝s展宽沿y方向，阔束后的激光经狭缝s整形，获得沿x方向拉长的条形光斑；最终，条形光斑经第二反射镜m2正入射到物镜ol中；物镜ol聚焦条形光束于样品台上的待加工样品内部，于此同时，光束本身存在沿z方向的失焦效应，最终聚焦光斑沿着y、z方向同时拉长获得圆形光斑；调平样品台并控制其移动，使该圆形激光在待加工样品内沿x方向扫描，制备出无光轴且应力分布均匀的圆形截面光波导；
11.步骤二：应力修饰线诱导产生可旋转的光轴；
12.在采用整形光束制备出的无光轴圆形截面主波导后，保持原有光路和光束整形手段；采用功率较低的修饰功率，将激光的聚焦焦点沿圆形主波导的水平径向移动，平行于圆形主波导加工出一条直径小于圆形主波导的应力修饰线；应力修饰线与圆形主波导在空间位置是部分重叠的，二者长度一致；修饰线中心轴线与主波导中心轴线的采取适当距离使应力修饰线产生的应力场可以打破圆形截面主波导的形状对称性和内应力平衡；可通过调整圆形主波导和修饰线之间的中心连线与水平线间的夹角θ(0-360
°
)控制光轴旋转角度；圆形主波导和修饰线结合后的波导即是所制备的可旋转光轴的波导。
13.进一步地，步骤一所述飞秒激光器发射波长为343-1030nm，重频为1mhz的激光，输出光功率为0.1-5w可调。
14.进一步地，步骤一所述飞秒激光器的出射激光分别经过半波片hwp、偏振分束器pbs和第一反射镜m1，正入射到凹透镜l1和凸透镜l2组成的透镜组，光斑扩大1-20倍并平行出射；然后经过狭缝s形成整形光束。
15.进一步地，步骤一所述狭缝s的宽度为0.2-4mm可调，根据聚焦深度决定。
16.进一步地，步骤一中使激光聚焦点在康宁玻璃内部，距离康宁玻璃表面160-230μm的位置加工圆形端面主波导，圆形端面主波导的加工功率选取范围在300-460mw，直写速度为10-40mm/s。
17.进一步地，步骤一所述照相机ccd、第二反射镜m2和物镜ol，三者处于同一直线上，照相机ccd的感光芯片成像并监控整个直写过程。
18.进一步地，步骤二所述应力修饰线的加工直写功率为20-280mw，其直径是圆形端面主波导的直径的20-100％；修饰线加工起始点与圆形端面主波导主轴间的距离在圆形端面主波导半径的0.8-2倍之间变化，可以找到最佳的应力影响范围，也可以防止修饰线与圆
形端面主波导之间距离太远而发生耦合。
19.第三方面，本发明还提供了一种基于飞秒激光直写技术制备的可旋转光轴波导在制备波片和单量子比特逻辑门方面的应用。
20.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
21.1、本发明提出的一种基于飞秒激光直写技术诱导可旋转光轴波导的方法，可以实现片上任意偏振态的制备。同时，本发明首次提出在无光轴圆波导上诱导可旋转光轴波导的方案。具体地，利用整形光束制备无光轴且应力均匀的圆形端面主波导，然后降低激光功率在主波导临域内添加应力修饰线，修饰线写入过程带来的应力场诱导圆形截面主波导产生可旋转的光轴。该方案可以在波导上实现360
°
的光轴变换，从根本上解决了波导光轴不可旋转或有限旋转的问题；同时，修饰线几乎不影响圆形端面主波导的传输损耗，单模传输模式等基本特性；
22.2、本发明具备灵活定义光轴的实用优势；由于修饰线影响范围有限，所以不会影响周围的其他波导和器件。同时，可以针对芯片内特定位置实现偏振转换，实现定制化加工。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
24.图1为本发明基于飞秒激光直写技术结合狭缝整形技术在康宁玻璃内制备波导的加工装置示意图；
25.其中，hwp-半波片，pbs-偏振分束器，l
1-凹透镜，l
2-凸透镜，m
1-第一反射镜，m
2-第二反射镜，s-狭缝，ol-物镜，ccd-照相机；
26.图2为本发明中光轴固定且应力分布不均的椭圆形波导无光轴且应力分布均匀的圆形波导结构示意图，及其显微镜端面图、扫描电子显微镜端面图及模场照片；
27.其中，(a1)为自聚焦效应导致的光轴固定且应力分布不均的椭圆形波导结构示意图；(b1)为椭圆形波导的显微镜端面图片；(c1)为hf腐蚀后，椭圆形波导端面的电子扫描显微镜照片；(d1)为椭圆形波导通入808nm光的模场照片；
28.(a2)为无光轴且应力分布均匀的圆形波导结构示意图；(b2)为圆形波导的显微镜端面图片；(c2)为hf腐蚀后，圆形波导端面的电子扫描显微镜照片；(d2)为圆形波导通入808nm光的模场照片；
29.图3为应力修饰线诱导产生可旋转光轴波导的示意图，及不同旋转光轴角度的波导截面显微镜图和模场照片；
30.其中，(a)为应力修饰线诱导无光轴圆形主波导产生可旋转光轴波导的结构示意图；(b)为不同角度(0
°
，30
°
，45
°
，90
°
)的应力修饰线影响后的可旋转光轴波导端面显微镜图片及其模场照片；
31.图4为本发明中可旋转光轴波导的设计光轴角度和实际光轴角度的关系图；不同角度的可旋转光轴波导的双折射量；
32.其中，(a)展示了可旋转光轴波导的设计光轴角度(0
°
，15
°
，30
°
，45
°
，60
°
，75
°
和
90
°
)和实际光轴角度的对应关系；(b)展示了设计旋转光轴角度为(0
°
，15
°
，30
°
，45
°
，60
°
，75
°
和90
°
)的可旋转光轴波导的双折射值；
33.图5为本发明展示了使用光轴为45
°
的可旋转光轴波导制备的半波片和四分之一波片性能；
34.其中，(a)为半波片的性能测试图，(b)为四分之一波片的性能测试图；
35.其中：黑色圆形代表，当垂直偏振光输入到半波片波导(长14.5mm)中，旋转偏振器角度，会得到符合马吕斯定律曲线的透射率曲线，黑色拟合曲线为根据马吕斯定律得到的曲线；浅黑色方形代表，当垂直偏振光输入到四分之一波片波导(长7.25mm)中，旋转偏振器角度，会透射率在0.5附近微弱波动，浅黑色拟合曲线为恒定值0.5的直线；
36.图6为本发明展示了可旋转光轴波导制备单量子比特逻辑门；(a)为hadamard门的传输矩阵；(b)为pauli-x门的传输矩阵；
37.其中：黑色三维柱状图代表矩阵实数部分；浅灰色柱状图代表矩阵虚数部分。
具体实施方式
38.为清楚、完整地描述本发明所述技术方案及其具体工作过程，结合说明书附图，本发明的具体实施方式如下：
39.下述实施例定量说明基于飞秒激光直写技术制备可旋转光轴波导的相关实验。
40.本发明提供了一种基于飞秒激光直写技术制备可旋转波导光轴的方法。本发明首次提出采用应力修饰线诱导无光轴圆波导产生可旋转光轴波导的制备方案。本发明展示了利用狭缝光束整形技术在玻璃材料内部制备无光轴且应力均匀分布的圆形截面主波导；在圆形截面波导的基础上，控制应力修饰线中心轴线与主波导中心轴线间的距离和角度，使应力修饰线诱导制备任意可旋转光轴的波导。在应力诱导产生光轴的过程中，添加的修饰线几乎不影响圆波导的传输损耗和单模传输等基本特性；最终圆形主波导和应力修饰线组合形成新的波导即是可旋转光轴的波导。
41.基于飞秒激光直写技术来可旋转光轴波导的加工方法，可以制备光轴任意可旋转的波导，利用可旋转光轴的波导可以实现片上任意偏振态的操纵与制备。其次，该方法还具有特定位置灵活添加可旋转光轴的波导。基于光轴的任意旋转特性，可以制备可旋转光轴波片(如半波片和四分之一波片)。同时，该技术也可以用于集成光量子领域，制备单量子比特逻辑门(如hadamard门和pauil-x门)。同时，该方法不会增加器件的尺寸和复杂性，不会对周围的波导结构及器件造成影响，而且引入的插入损耗小，有利于集成到3d大规模的波导网络中。在未来，本发明可以应用于量子计算、编码和模拟等领域，解决量子光子集成光路中光子偏振态的复杂操纵问题。
42.实施例1
43.如图2和图3所示，本实施例提供了一种基于飞秒激光直写技术制备可旋转光轴的波导，所述可旋转光轴的波导由康宁玻璃内部的无光轴且应力分布均匀的圆形端面主波导及与邻域内的平行应力修饰线组成；所述无光轴圆形端面主波导采用狭缝整形技术制得；所述修饰线的位置根据旋转光轴角度进行调整，其中，旋转光轴角度指圆形主波导和修饰线之间的中心连线与水平线所呈的夹角；修饰线的写入过程中会对圆形主波导施加应力场诱导产生可旋转光轴的波导。
44.所述可旋转光轴的波导，光轴可以实现360
°
的定义，本实施例中展示了0-90
°
的可旋转光轴波导，因为圆波导是高度对称的结构，所以0-360
°
的波导光轴旋转角均可以实现。所述波导的长度为20mm；所述圆形端面主波导的直径为6.0μm。所述修饰线圆形端面的直径为3.0μm。修饰线与圆形端面主波导轴向距离为3.0μm。
45.在本实施例中，光束整形方式不限于狭缝整形一种，其他整形方式亦可。光束整形只是制备无光轴且应力分布均匀的圆波导手段，核心是利用整形光束去实现应力均匀分布的无光轴波导的思想，这对后续应力修饰线诱导精确可控的光轴至关重要。
46.应力修饰线中心轴线与主波导中心轴线之间存在适当距离，用以打破圆波导的形状对称性和内应力平衡，应力场的加入是实现光轴旋转不可或缺的影响因素。
47.所述可旋转光轴波导的长度可根据需求在0.1-100mm灵活地控制。所述波导的圆形端面的直径可根据传输光的波长在4-13μm灵活制备。
48.相比于其他方法，采用应力修饰线诱导无光轴圆形波导的方案是一种灵活便捷可靠的光轴旋转方法，可实现0-360
°
任意旋转光轴波导的制备。
49.具体地，图2、3和4分别表征了旋转光轴波导的性能。其中，图2的(a1)、(b1)和(c1)为非整形光束产生椭圆形垂直光轴波导，可以观察到波导下方由于自聚焦效应产生的应力光轴；图2的(d1)为椭圆形波导的单模模场照片；与之对应地，图2的(a2)、(b2)和(c2)为整形光束制备的无光轴且应力分布均匀的圆形波导，可以观察到波导上自聚焦效应发生，且波导的折射率和应力分布均匀；图2的(d2)为该圆形波导的单模模场照片。
50.图3(a)为在无光轴且应力分布均匀的圆波导的基础上，控制修饰线产生可旋转光轴的结构示意图。图3(b)展示了设计旋转角度分别为0
°
，30
°
，45
°
，90
°
的可旋转光轴波导的端面情况和单模模态。
51.图4(a)展示了设计光轴角度和实际光轴角度之间的关系，其拟合曲线是一条斜率为1、截距为0的直线，可以反应出设计光轴角度和实际光轴角度的一致性非常好。图4(b)表征了0-90
°
旋转光轴角度的波导双折射大小，即便光轴角度发生变化，可旋转光轴波导的双折射强度均在2.43-2.87
×
10-5
之间变化，说明光轴角度变化对波导双折射强度影响不大。
52.实施例2
53.本实施例提供了一种基于飞秒激光直写技术制备可旋转光轴的波导波片(半波片和四分之一波片)的方法，具体步骤如下：
54.(1)飞秒激光功率调节：
55.如图1所示，飞秒激光功率调节利用半波片hwp和偏振分束器pbs可以控制光束能量，其中，半波片hwp固定在电控旋转台上，通过电脑软件调节电控旋转台的转角。最终的写入能量通过功率计标定，功率计统计物镜ol入瞳处的激光功率；当光路中无激光时，暗室条件下校准功率为0mw；当光路中含激光后，利用电控旋转台转动半波片，在物镜ol入瞳处测得功率计的功率为400mw(直写功率)；电控旋转台转动可以实现的功率误差精度为2mw/500mw。
56.(2)飞秒激光光束整形：
57.光束整形包括两个部分，第一个部分是扩束系统，由凸透镜l1和凹透镜l2组成的透镜组，第二个部分是光束整形系统，由可调宽度的狭缝s组成。当一束激光经过透镜组后，均匀放大了6倍并平行出射。扩束后的激光穿过狭缝s，形成条状整形光束。具体地，从激光器
中出射的光斑是直径1.6mm的圆形光斑，经透镜组扩束变为9.6mm*9.6mm的椭圆形光斑，光束途径第一反射镜m1和第二反射镜m2后，正入射穿过宽度为0.9mm的狭缝s；最终，整形光束呈9.6mm*0.9mm的条形光束。
58.(3)飞秒激光聚焦直写监控系统：
59.在激光直写过程中，加工的样品信息被物镜ol收集，透过第二反射镜m2后，将像呈在ccd中的coms感应器中，通过ccd相机可以清晰的看到样品表面，故可以在电脑端实时监控样品台上的调平和直写过程。
60.(4)调平样品台：
61.利用物镜ol进行调平(ol基本参数：工作距离1.3mm，40
×
，na＝0.7)。狭缝整形系统形成的条形光斑正入射到物镜ol中，经物镜ol聚焦至样品表面；结合聚焦光斑的变化监控调平过程。具体步骤如下：先找到样品一角(0cm，0cm)，下降物镜高度，使ccd上观察同心圆环的聚焦光斑并记录圆环特征为t，移动样品位置至(0cm，10cm)，调节样品台x轴转角，使在此处聚焦的光斑特征也为t。同样的，移动样品至(10cm，0cm)，调节样品台x轴转角，使在此处聚焦的光斑特征也为t；重复上述操作若干次，直至不管怎么移动样品位置在(0cm，0cm)、(0cm，10cm)和(10cm，0cm)这三点的聚焦光斑的特征均为t，则说明样品台被调平了。样品上聚焦光斑呈同心圆环发散现象是由于物镜有限的孔径造成衍射。
62.(5)整形光束制备无光轴圆形截面主波导：
63.在样品台上放置待加工的体材料—康宁玻璃，控制样品台的运动，通过上一步，找到样品表面，并控制物镜ol下降170μm，使得飞秒激光整形光束聚焦于体材料的内部。相关飞秒激光直写参数为，入瞳激光功率为400mw，直写速度为40mm/s。样品台沿x方向运动，可以制备出无确定光轴的圆形端面主波导。
64.(6)应力修饰线诱导产生可旋转光轴波导：
65.保持上述光路及元器件件不变，只转动半波片hwp，调节修饰功率至360mw。同时，使激光从聚焦起始点沿θ
°
＝45
°
的方向运动3μm，其中，θ为圆形主波导和修饰线之间的中心连线与水平线所呈的夹角；直写速度为40mm/s，为了保证准确的相位延迟，制备半波片需要的修饰线的长度为14.5mm，制备四分之一波片需要的修饰线为7.25mm。
66.(7)测试半波片和四分之一波片；
67.激光加工结束后，对样品的波导端面进行抛光，并且使用偏振测量系统对半波片和四分之一波片进行测量比较。具体地，偏振测量系统包括808nm的半导体激光器；偏振分束器和半波片制备垂直偏振光；输入光通过左边的物镜耦合进入波导中，经45
°
光轴的半波片(四分之一波片)，由右边的物镜收集并正入射到可旋转的偏振片上，最终被功率计收集；可旋转偏振片可以旋转不同的角度，对输出光的偏振进行分离。最终，光功率计可以反映输出光的偏振状态。
68.由图5(a)所示，当垂直线偏振光分别经过波导型半波片和旋转的偏振片后，归一化透射输出光能量变化曲线符合马吕斯定律，可以判断出垂直线偏振光被转化为水平线偏振输出光。由图5(b)所示，当垂直线偏振光通过波导型四分之一波片和旋转的偏振片时，归一化透射输出光能量变化始终保持在0.5左右，可以判断出垂直线偏振光被转化为圆偏振输出光。
69.从实验数据中我们可以观察到45
°
光轴波导制备的半波片和四分之一波片可以很
好的实现其特有的功能，可以被广泛的应用于集成波导系统中。
70.实施例3
71.本实施例提供了一种基于飞秒激光直写技术制备的可旋转光轴波导在单比特量子逻辑门方面的应用，具体包括如下步骤：
72.(1)飞秒激光功率调节；同实施例2。
73.(2)飞秒激光光束整形：同实施例2。
74.(3)飞秒激光聚焦直写监控系统：同实施例2。
75.(4)调平样品台；同实施例2。
76.(5)飞秒激光直写单比特量子逻辑门：
77.在样品台上放置康宁玻璃，控制样品台的运动，利用实施例2中制备的45
°
可旋转光轴波导制备单比特量子逻辑门。hadamard门由光轴角为45
°
和相位延迟为π的旋转光轴波导制成；pauli-x门由光轴角为22.5
°
和相位延迟为π的旋转光轴波导制成。相位延迟通过控制应力修饰线长度来实现，hadamard门和pauli-x门的修饰线长度均为分别为16.35mm和14.53mm。可旋转光轴波导的其他激光直写参数同实例2。
78.(6)单光子测试单比特量子逻辑门；
79.制备好单比特量子逻辑门后，样品的波导端面进行抛光。我们使用bbo晶体通过250mw,404nm激光二极管泵浦并基于自发参量下转换产生808nm水平偏振态|h》的单光子对。产生的单光子对分别由保偏光纤收集。光子1被用来触发光子2的计数，防止由外部光子或使用的雪崩光电二极管过程中暗计数引起的意外计数。通过旋转输入光子2端前的半波板，光子2在通过待测样品之前可以设置为水平偏振态|h》或者竖直偏振态|v》。将输出端的半波板旋转到0
°
(或22.5
°
)，使测量基对准|h》和|v》(或|d》和|a》)。|h》和|v》输入态的结果状态是通过收集偏振分束器(pbs)通过多模(mm)光纤对不同输出基测量的。旋转光轴波导制备的hadamard门的性能如图6(a)传输矩阵所示。我们可以观察到在矩阵实部中，|h》和|v》的输入状态分别成功转换为|d》和|a》状态，此外，在矩阵虚部中，较小的非零值说明其与完美半波板运算偏差很小。pauli-x的传输矩阵如图6(b)所示，对于pauli-x门，其功能是从输入态|h》转换到输出态|v》(或者从输入态|v》转换到输出态|h》)。在传输矩阵中，可以观察到pauli-x门的极化交换性能非常好。未来，这种单比特量子逻辑门可以广泛地应用于集成光量子芯片中。
80.以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
81.另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
82.此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

技术特征：
1.一种基于飞秒激光直写技术制备的可旋转光轴波导，其特征在于，所述可旋转光轴波导由无光轴应力分布均匀的圆形波导及与其成角度平行的应力修饰线组成，所述无光轴应力均匀分布的圆波导通过整形光束制备得到，所述应力修饰线是通过激光的聚焦焦点沿圆形波导的水平径向移动，平行于圆形波导加工而成；通过调整应力修饰线与圆形波导之间的中心连线与水平线间的夹角实现光轴的可旋转，其中，夹角θ即为波导光轴的旋转角度。2.如权利要求1所述的一种基于飞秒激光直写技术制备的可旋转光轴波导，其特征在于，所述整形光束方式采取狭缝整形；所述应力修饰线中心轴线与主波导中心轴线之间存在适当距离；所述无光轴应力分布均匀的圆形波导的长度为0.1-100mm，端面直径为4-13μm。3.一种基于飞秒激光直写技术制备可旋转光轴波导的方法，用于制备如权利要求1所述的可旋转光轴波，其特征在于，具体包括如下步骤：步骤一：制备无光轴且应力分布均匀的圆形主波导；飞秒激光器的出射激光先后经过半波片hwp和偏振分束器pbs，再经第一反射镜m1正入射到凹透镜l1和凸透镜l2组成的透镜组，透镜组将光斑均匀扩束成圆光斑平行出射；其中，定义光束传播方向为z方向，加工方向沿x方向，狭缝s展宽沿y方向，阔束后的激光经狭缝s整形，得到沿x方向拉长的条形光斑；最终，条形光斑经第二反射镜m2正入射到物镜ol中；物镜ol聚焦条形光束于样品台上的待加工样品内部，同时存在沿z方向的失焦效应，最终形成沿着y、z方向同时拉长的近圆形光斑；调平样品台并控制其移动，使该圆形激光在待加工样品内沿x方向扫描，制备出无光轴且应力分布均匀的圆形截面光波导；步骤二：应力修饰线诱导产生可旋转的光轴；在采用整形光束制备出的无光轴圆形截面主波导后，保持原有光路和光束整形手段；同时，采用功率较低的修饰功率，将激光的聚焦焦点沿圆形主波导的水平径向移动，平行于圆形主波导加工出一条直径小于圆形主波导的应力修饰线；应力修饰线与圆形主波导在空间位置是部分重叠的，二者长度一致；修饰线中心轴线与主波导中心轴线的采取适当距离使应力修饰线产生的应力场可以打破圆形截面主波导的形状对称性和内应力平衡；可通过调整圆形主波导和修饰线之间的中心连线与水平线间的夹角θ控制光轴旋转角度；圆形主波导和修饰线结合后的波导即是所制备的可旋转光轴的波导。4.如权利要求3所述的一种基于飞秒激光直写技术制备可旋转光轴波导的方法，其特征在于，步骤一所述飞秒激光器发射波长为343-1030nm，重频为1mhz的激光，输出光功率为0.1-5w可调。5.如权利要求3所述的一种基于飞秒激光直写技术制备可旋转光轴波导的方法，其特征在于，步骤一所述飞秒激光器的出射激光分别经过半波片hwp、偏振分束器pbs和第一反射镜m1，正入射到凹透镜l1和凸透镜l2组成的透镜组，光斑扩大1-20倍并平行出射；然后经过狭缝s形成整形光束。6.如权利要求3所述的一种基于飞秒激光直写技术制备可旋转光轴波导的方法，其特征在于，步骤一所述狭缝s的宽度为0.2-4mm可调，根据聚焦深度决定。7.如权利要求3所述的一种基于飞秒激光直写技术制备可旋转光轴波导的方法，其特征在于，步骤一中使激光聚焦点在康宁玻璃内部，距离康宁玻璃表面160-230μm的位置加工
圆形端面主波导，圆形端面主波导的加工功率选取范围在300-460mw，直写速度为10-40mm/s。8.如权利要求3所述的一种基于飞秒激光直写技术制备可旋转光轴波导的方法，其特征在于，步骤一所述照相机ccd、第二反射镜m2和物镜ol，三者处于同一直线上，照相机ccd的感光芯片成像并监控整个直写过程。9.如权利要求3所述的一种基于飞秒激光直写技术制备可旋转光轴波导的方法，其特征在于，步骤二所述应力修饰线的加工直写功率为20-280mw，其直径是圆形端面主波导的直径的20-100％；修饰线加工起始点与圆形端面主波导主轴间的距离在圆形端面主波导半径的0.8-2倍之间变化，可以找到最佳的应力影响范围，也可以防止修饰线与圆形端面主波导之间距离太远而发生耦合。10.如权利要求1所述的一种基于飞秒激光直写技术制备的可旋转光轴波导在制备波片和单量子比特逻辑门方面的应用。

技术总结
本发明公开了基于飞秒激光直写技术制备的可旋转光轴波导、方法及应用，属于激光加工技术领域，该方法采用狭缝整形方式制备无光轴且应力分布均匀的圆波导；在圆波导的附近添加应力修饰线，利用修饰线产生的应力场打破圆波导的形状对称性和均匀应力场，诱导产生可旋转光轴波导。光轴的旋转角度通过改变圆形主波导和修饰线之间的中心连线与水平线所呈的夹角来实现的。修饰线中心轴线与圆波导中心轴线之间存在适当距离用以打破圆波导的形状对称性和内应力平衡。在应力诱导产生光轴的过程中，本发明所添加的修饰线几乎不影响圆波导的传输损耗和单模传输等基本特性，最终圆形主波导和修饰线组合形成新的波导即是可旋转光轴的波导。波导。波导。


技术研发人员：陈岐岱 王映德 田振男 孙洪波
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：2023.05.12
技术公布日：2023/8/4