飞秒激光刻写铌酸锂光波导及其光传输特性的研究

发布时间：2017-10-23 18:06

  本文关键词：飞秒激光刻写铌酸锂光波导及其光传输特性的研究

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【摘要】：飞秒激光诱导透明介质形成光波导的技术作为集成光学中的新兴手段,近年来受到了广泛的关注。研究者们通过改变飞秒激光条件、刻写方式以及基底材料已经实现了不同性能的光波导结构的制备,然而这些研究中对激光作用机理的研究却很少。根据实验室条件,本论文主要研究激光重复频率对波导形成机理产生的影响。首先采用76 MHz和1 kHz飞秒激光对铌酸锂晶体进行刻蚀实验,其次通过研究激光作用区产生的微结构变化探索其作用机理,并以数学模型的方式予以量化,最终通过优化制备条件实现高性能铌酸锂光波导的制备。论文具体工作如下:(1)采用扫描电子显微镜(SEM)及能谱仪(EDS)分别对激光作用区域的结构形貌及元素成分进行了分析,发现两种不同重复频率激光对晶体刻蚀效果具有明显差异。1 kHz飞秒激光极高的单脉冲能量对铌酸锂晶体造成了破坏性的损伤,作用区各组分元素比例改变;而对于76 MHz飞秒激光,极高的重复频率使得脉冲间隔低于材料吸收时间,产生热积累效应。热积累产生梯度温度场,驱动熔融离子由作用中心高温区向外扩散、沉积。最终在激光作用中心一定半径范围内形成高密度、高折射率环形波导区,且区域半径及折射率差与激光重复频率有着密切关系。(2)以单个脉冲(能量约3 nJ)为源,1μs为铌酸锂晶体能量吸收时间,建立激光重复频率与聚焦中心温度分布理论模型。通过理论分析我们发现,当激光重复频率达到11.8 MHz时,热积累效应对铌酸锂晶体改性会起到主导作用;而低于这一重复频率时,其热效应几乎可以忽略。在低重复频率条件下,由于激光单脉冲能量极高,作用区产生微爆,引起晶体结构变化,热效应低;而在高重复频率环境下,由于脉冲间隔时间短,能量积累使作用区产生高温高压,引起晶体改性,热效应明显。同时,利用该模型模拟了76 MHz飞秒激光热作用影响区域直径为36.5μm,与我们实验中扫描电镜测试结果37.4μm吻合的很好。当将激光重复频率改为25 MHz时,作用区模拟直径为28μm,而实验得到的25 MHz飞秒激光刻蚀区直径则为27.5μm。热积累模型很好的实现了激光热影响区域半径的模拟,为了验证刻蚀环形区的性质及其光传输性能,进行了直线型光波导的制备。(3)采用650 nm对所制备光波导进行耦合及光传输损耗测试。研究发现,激光作用中心出现了明显的激光损伤,拉曼光谱显示其密度小于周围环形区域,这与预测结果一致;环形高密度结构光传输结果显示,只在波导截面的上下出现了传输耗低于1.5 dB/cm两条低损耗波导结构,而其他位置传输损耗相对较高,这与铌酸锂晶体各向异性、激光入射方向及焦点能量分布有关。
【关键词】：飞秒激光 铌酸锂 光波导 激光重复频率 热积累 光传输性能
【学位授予单位】：西南科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN249
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 绪论10-14
• 1.1 引言10-11
• 1.2 研究现状与意义11-13
• 1.2.1 研究现状11-12
• 1.2.2 研究意义12-13
• 1.3 本论文的主要工作13-14
• 2 飞秒激光对铌酸锂晶体的改性14-27
• 2.1 实验条件14-18
• 2.1.1 飞秒激光14-15
• 2.1.2 铌酸锂材料15-18
• 2.2 激光刻写系统18-21
• 2.2.1 激光系统18-20
• 2.2.2 刻写光路20-21
• 2.2.3 电控平移台21
• 2.3 飞秒激光与物质作用过程21-26
• 2.3.1 激光非线性吸收21-23
• 2.3.2 折射率改变理论23-26
• 本章小结26-27
• 3 激光刻写与结果表征27-35
• 3.1 76MHz飞秒激光27-30
• 3.1.1 76MHz飞秒激光刻写系统27-28
• 3.1.2 刻蚀点表征与分析28-30
• 3.2 1KHz飞秒激光30-33
• 3.2.1 1KHz飞秒激光刻写系统30-31
• 3.2.2 刻蚀点表征与分析31-33
• 本章小结33-35
• 4 激光作用模型建立35-44
• 4.1 模拟结果与分析35-38
• 4.2 热扩散模型的验证38-42
• 4.2.1 理论验证38-40
• 4.2.2 实验验证40-42
• 本章小结42-44
• 5 波导的刻写及光传输性能44-52
• 5.1 波导外观的表征44-46
• 5.2 波导光传输特性的研究46-48
• 5.2.1 波导传输特性46-47
• 5.2.2 波导区激光拉曼测试47-48
• 5.3 刻写条件对波导性能的影响48-51
• 本章小结51-52
• 结论52-54
• 致谢54-55
• 参考文献55-62
• 攻读硕士期间发表的学术论文及研究成果62

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本文编号：1084657