三维变形微谐振腔的飞秒激光制备、结构表征和激射特性研究

发布时间：2018-03-28 11:31

本文选题：飞秒激光加工　切入点：金属微腔　出处：《吉林大学》2017年博士论文

【摘要】：光学微谐振腔能够把光场限制在一个极小的区域内。当谐振腔内存在增益介质时,光波在其中传播时将与增益介质相互作用,使得光强不断增加,形成稳定的驻波振荡,实现具有较低阈值的激光输出。相比于法布里-珀罗或光子晶体等微腔结构,回音壁模式微腔由于具有较高品质因数、较小模式体积,不仅在腔量子电动力学等基础理论研究领域,而且在实际应用领域内如传感、探测、滤波等方面都得到了广泛的关注。回音壁模式微谐振腔的结构旋转对称,其产生的激光在各个方向具有相同的输出能力,因此存在激光利用率低等问题。为了满足光电子器件中所遇到得如增加光收集效率、提升元件的集成度、增加器件的灵敏度、延长器使用寿命等要求,以回音壁微腔为基础的各种变形微谐振腔的研究日益增多。传统微腔制备技术,如紫外光刻,主要适用于平面微腔的制备,在三维微腔制备中只能通过层状方法一层一层加工,这显著限制了立体变形微腔形貌选择和应用。近年来,飞秒激光加工技术逐渐兴起,该技术可以通过逐点扫描的方式制备具有复杂空间构型微纳器件制备,并具有超高空间分辨率,加工材料适用范围广等特点。因此,本论文工作主要是研究利用飞秒激光加工技术制备具有复杂构型的有源三维变形微腔,并研究它们的激射特性。我们选用化学、生物兼容性良好以及成本低廉的软质聚合物胶体作为主要腔体材料,将激光染料作为增益介质掺入到光刻胶中,首先利用自组装方法制备了金属半球微腔,实现了回音壁模式激射,并研究微腔中回音壁振荡模式与金属SPP模式耦合对微腔谐振模式的影响;我们随后利用飞秒激光加工方法制备出带有支撑底座的螺旋圆盘变形微谐振腔,实现了低激光阈值单向输出。我们进一步利用飞秒激光加工制备制备出含有变形腔与回音壁腔竖直堆叠的立体复杂构型的复合微谐振腔,并利用微腔间的耦合作用实现了具有单一模式和单一方向的激光输出。最后,我们研究了如何利用飞秒激光远程、快速制备微纳结构的可行性,并在硅晶体表面制备出具有多孔微结构的宽带低反射黑硅表面。本论文主要创新工作总结如下:1.在具有超疏水层的衬底表面,利用液滴自身重力与表面张力的平衡制备了表面光滑的、稳定的半球微腔。通过对室温下的激射光谱的分析,产生的激光谐振来自半球微腔内的回音壁振荡模式。另外,通过真空蒸镀的方法,在其表面覆盖一层银膜制备了金属半球微腔。由于回音壁与金属SPP模式耦合,使得谐振腔模产生了蓝移的现象,形成的激光阈值明显提升。我们随后理论分析了表面银膜对微腔谐振模式以及光场能量分布产生的影响。2.利用飞秒激光加工技术制备了曲率不断增加的螺旋圆盘微腔。通过对形变参数的控制可以制备出不同尺寸的螺旋端口。利用皮秒激光器作为泵浦光源,搭建了微谐振腔的泵浦系统。我们也搭建了光谱仪探测系统,并利用该系统探测了初始半径为15μm,端口尺寸为1μm的螺旋圆盘的激射光谱,获得了激射功率阈值。我们进一步通过测量不同旋转角度下的激射强度,得到了激光远场强度分布情况,表明该螺旋微腔在沿着端口方向具有较强的激光定向出射能力。3.利用飞秒激光加工技术直接在高反衬底表面制备了不同的微腔激光器。对单个圆盘微腔、圆环微腔和螺旋环微腔的激光光谱和激射阈值能量的对比,制备了两种垂直耦合的复合微腔。测试其激光远场的强度分布,表明都具有沿着螺旋端口方向定向出射激光的能力。通过对激射模式、Q值和激射阈值的对比和分析,发现在复合微腔中,底层WGM模式微腔提供激光振荡,顶层螺旋环微腔提供激光定向出射窗口的作用,并且只有同时满足上下两层微腔的谐振条件的模式才能被放大最终形成激光输出。在螺旋环与圆环垂直堆叠的复合微腔中,我们实现了具有单一波长、较低阈值能量和具有一定方向性的激光输出。4.利用飞秒激光光丝在单晶硅表面实现了远程、快速的微纳结构制备。飞秒激光光丝通道内超高的激光强度可以在硅片表面制备出多孔无规则分布的微纳结构,通过光丝与硅片的相互作用过程中,在其表面引入了一定的氧元素以及产生了大量的无定型硅,并且在波长为200nm到2500nm的宽谱范围内,显著提升了其对光的限制能力。使用不同焦距会聚透镜成丝,均可在硅片表面制备出类似的微纳结构,并且展示出相似的光吸收率,表明飞秒激光光丝微加工具有较好的快捷性、远程性、重复性和稳定性。
[Abstract]:In order to meet the requirements of high quality factor and small mode volume , the micro - cavity with complex structure can be prepared by using femtosecond laser processing technology . A micro - cavity laser with different sizes is prepared by using femtosecond laser processing technology .

【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN25;TN249

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