Auswirkungen der Doppelbrechung auf die elektromagnetische Führung von Strukturen, die durch Femtosekundenlaser erzeugt werden

III. ERGEBNISSE

Das in LiNbO3 aufgenommene transmissionsmikroskopische Querschnittsbild der Struktur zeigt dunkle Bereiche in der Mitte der durch Pfeile in Abb. 2 (ein). Zusätzlich sind zwei Linien im Längsbild der Fig. 2(b) zeigen in Draufsicht die Aufnahme zweier paralleler Strukturen.

Diese dunklen Bereiche hängen mit der Abnahme des Brechungsindex des Materials zusammen, die sich aus der Selbstfokussierung mit Laserleistung oberhalb der Kollapsschwelle ergibt. Die hellen Regionen, die um die dunklen lokalisiert sind, resultieren aus stressinduzierten Änderungen, die den Brechungsindex erhöhen (Typ-II-Wellenleiter) .

Da LiNbO3-Kristall doppelbrechend ist, können Änderungen des Brechungsindex sowohl im gewöhnlichen als auch im außergewöhnlichen Index auftreten. Strukturelle Veränderungen, die in einem Regime mäßiger Aufzeichnungsintensität erzeugt werden, erhöhen den außerordentlichen Brechungsindex, während der gewöhnliche Brechungsindex abnimmt. Andererseits verursachen nichtlineare Absorptionseffekte bei Hochenergieimpulsen eine starke Schädigung des Materials, wodurch beide Brechungsindizes verringert werden und der dunkle Bereich entsteht. Außerdem wird ein stressinduzierter doppelbrechender Bereich um den beschädigten Bereich herum gebildet,. Es wurde eine kritische Durchschlagsleistung in LiNbO3 von 0,3 MW entsprechend einer Energie von 0,12 µJ gemeldet. Da daher die Energie pro Impuls von 2 µJ, die zur Erzeugung der Strukturen in LiNbO3 verwendet wird, höher ist als die kritische Energie für die nichtlineare Ionisation, wird erwartet, dass eine Filamentierung auftritt, die durch ein dynamisches Gleichgewicht zwischen Selbstfokussierung und Plasmadefokussierung verursacht wird.

Abb. 3 zeigt transmissionsmikroskopisch aufgenommene Bilder der in LiF aufgenommenen Struktur. Es ist in Fig. 3(a) das längliche Querprofil der Struktur, das sich aus der erwarteten Filamentierung aufgrund des Aufzeichnungsverfahrens ergibt. Im Gegensatz zu LiNbO3 ist der dunkle Bereich im Längsprofil des LiF, Fig. 3(b) eine dem beschrifteten Wellenleiter entsprechende einzelne Linie aufweist.

Bei dem Aufzeichnungsverfahren wurde der Laserstrahl auf die Oberseite des Kristalls geschleudert, die ebenfalls der Oberseite der Querschnittsbilder von Fig. 2 und 3.

Rekonstruierte Bilder, die das Nahfeldprofil des aus den in LiNbO3 und LiF eingeschriebenen Strukturen austretenden Strahls darstellen, sind in Abb. 4. Diese Bilder entsprechen den Profilen, die durch Steuern nur der SOP des einfallenden Lichts erhalten wurden, und daher wurde P2 aus dem Setup entfernt. Die Polarisation des von P1 übertragenen Lichts erfolgte in V- oder H-Richtung. Die Orientierungen der Bilder in Fig. 4(a), (b) und 4(c), (d) entsprechen der tatsächlichen räumlichen Orientierung der Kristalle in Fig. 2 (a) und Fig. 3 (a) dargestellt. Mit anderen Worten, die Oberseite der Bilder entspricht der Oberseite des Kristalls. Abb. 4(a) und 4(b) zeigen in der vertikalen Achse ein längliches Profil entlang der Kristalltiefe, das sich aus zwei Hauptführungsbereichen zusammensetzt. Das Profil in der horizontalen Achse zeigt entspricht dem Licht durch die gesamte Struktur geführt. Dennoch verschieben Modifikationen in der SOP des einfallenden Lichts die xy-Position dieser Bereiche.

Die rekonstruierten Bilder von Fig. 4 (c) und 4 (d) zeigt ein Nahfeldprofil für die LiF mit einer regelmäßigeren Form, die aus einem Hauptbereich maximaler Intensität, also einem einzigen Wellenleiter, besteht. Strahlprofile des von der Struktur in LiNbO3 geführten Lichts, die für P1- und P2-Übertragungsachsen in verschiedenen Orientierungen erhalten wurden, sind in Fig. 5 und 6. Für P1 in V- oder H-Richtung wurde P2 aus den V-, 45°- und H-Richtungen geändert oder entfernt (ϕ).

Für alle P1- und P2-Anordnungen blieben Intensität und Form des Strahlprofils konstant, wie in Fig. 5 (c) und 5 (d). In Fig. 5(a) zeigt das Profil auf der vertikalen Achse (Kristalltiefe) für P1 vertikal ausgerichtet und P2 abwesend (vϕ) drei Peaks, die ebenfalls in Fig. 4 (ein). Peak 1, entspricht der Führung an dem innersten Bereich der Struktur im Kristall, der durch die Laserfokussierung während der Beschriftung die größte Brechungsindexabnahme erleidet. Im Bereich nahe der Kristalloberfläche tritt eine Leckage der geführten Leistung an das externe Medium auf, Peak 3 von Fig. 5 (ein). Wenn die Transmissionsachsen beider Polarisatoren ausgerichtet sind (VV), nimmt die Gesamtintensität des Signals ab, aber das Profil zeigt immer noch die 3 Peaks. Für die V45° -Anordnung nimmt das Signal weiter ab, Peak 3 verschwindet fast und das Profil zeigt nur Peaks 1 und 2 mit annähernd gleicher Intensität. Wenn die Richtungen P1 und P2 orthogonal sind (VH), wird immer noch ein Ausgangssignal erkannt. Peak 1 wird weniger intensiv als Peak 2. Daher verschiebt sich die Führung zur Oberfläche des Kristalls.

Das Strahlprofil in der horizontalen Achse, Abb. 5(b) einen intensiven Peak 5 aufweist, der der kombinierten Intensität der drei in der vertikalen Achse gezeigten Peaks (1, 2 und 3) entspricht. Für Vϕ und VVH beobachtet man einen lateralen Lappen 4, der für V45° und VH verschwindet. Die experimentell erhaltenen horizontalen und vertikalen Profile für Vϕ, Fig. 5(c) und 5(d) werden durch Addition der erhaltenen Profile für VV- und VH-Konfigurationen rekonstruiert. Jeder anisotrope Bereich der durch den Femtosekundenlaser erzeugten Struktur weist eine bestimmte Doppelbrechung auf. Für ein linear polarisiertes einfallendes Licht propagiert daher jeder Führungsbereich die Feldkomponenten in den Richtungen seiner Doppelbrechungsachsen. Infolgedessen ändert sich die Form des Strahlprofils für unterschiedliche Ausrichtungen der P2-Übertragungsachse.

In Fig. 6(a) zeigt das für die Hϕ-Konfiguration erhaltene Strahlprofil ebenfalls drei Peaks. Im Gegensatz zum Profil für V obtained sind die Peaks 2 und 3 jedoch am intensivsten. Dabei breitet sich Licht bevorzugt in den Führungsbereichen nahezu bis zur Oberfläche des Kristalls aus. Für die Konfigurationen H45° und HH verschwindet Peak 1. Für HV haben Peaks 1 und 2 ungefähr die gleiche Amplitude und Peak 3 verschwindet. Daher leitet der innerste Teil der in den Kristallleitern erzeugten Struktur bevorzugt in vertikaler Richtung linear polarisiertes Licht. Andererseits leitet der oberflächennahe Bereich bevorzugt in horizontaler Richtung linear polarisiertes Licht. Zusätzlich tritt bei der horizontalen Polarisation bevorzugt eine Streuung des Lichts auf.

Das Strahlprofil an der horizontalen Achse, Abb. 6(b) zeigt einen Peak 5, der der kombinierten Intensität der drei Peaks in der vertikalen Achse (Fig. 6 (a)). Für diesen Fall nimmt der Laterallappen 4 für HV und HH ab und verschwindet nur für V45 °.

Für in horizontaler Richtung linear polarisiertes einfallendes Licht wird das ohne P2 erhaltene Strahlprofil durch Addition der Profile für HV und HH rekonstruiert, wie in Fig. 6 (c) und 6 (d).

Strahlprofile der Fig. 7 und 8 zeigen die induzierte Doppelbrechung der in Lithiumfluoridkristall eingeschriebenen Struktur. Wie zu sehen ist, wird die Führung auch für orthogonale Richtungen der Übertragungsachsen P1 und P2, VH-Anordnung, erhalten.

Abb. 7(a) zeigt das Strahlprofil an der vertikalen Achse, das sich aus zwei Hauptspitzen zusammensetzt. Da Peak 2 am intensivsten ist, erfolgt die Führung bevorzugt im Bereich der eingeschriebenen Struktur nahe der Kristalloberfläche für Vϕ-, VV- und V45°-Konfigurationen. Für VH erfolgt die Führung jedoch im innersten Bereich des Kristalls. In der horizontalen Achse zeigt das Strahlprofil für Vϕ, VV und V45° einen ausgeprägten Peak 4 mit einer Seitenkeule 3. Für VH verschwindet Lobe 3 und Peak 4 verschiebt sich nach rechts. Das Strahlprofil für Vϕ wird durch Addition der Profile VV und VH rekonstruiert (Abb. 7(c) und 7(d)) wie bei LiNbO3.

Abb. 8 (a) zeigt das Strahlprofil, das mit Hϕ-, HH- und H45° -Konfigurationen erhalten wurde. Für Hϕ gibt es zwei Seitenlappen, 1 und 3. Für HH und H45 ° verschwindet der Lappen 1, aber es gibt eine gewisse Führung, die dem Lappen 3 entspricht. Profile an der horizontalen Achse, Fig. 8(b) zeigen den intensiven Peak 5 mit zwei lateralen Lappen 4 und 6 für alle Anordnungen von P1 und P2. Für HV in beiden Achsen teilt sich Peak 2 in zwei Peaks. Das Strahlprofil für Hϕ wird ebenfalls rekonstruiert, indem die HV- und HH-Profile addiert werden (Abb. 8 c) und 8 d).