聚合物微纳光子器件的飞秒激光制备及研究

发布时间：2020-10-14 12:34

　　 电子技术自诞生以来就以超快的速率发展,并引领了人类历史的第三次工业革命,给人类的生产和生活带来了翻天覆地的变化。然而近些年来,随着集成电路器件尺寸的进一步减小和集成密度的进一步增加,电子热噪声的影响越来越显著,致使集成电路的发展已不符合摩尔定律的预测,速率逐渐减缓下来。人们为了突破这个瓶颈尝试了多种解决方案,而关注度较高的一个方案是集成光路。由于集成光路以光子作为载体,具有更快的传播速率、更高的信息负载量和更低的损耗等优势,被认为是未来创新科学技术的方向。因此集成光子芯片具有广阔的研究前景。飞秒激光直写技术具有高精度、高设计度和真三维的优点,在复杂三维微纳结构的制备上具有不可替代的优势,因此本文主要介绍聚合物集成微纳光子器件的飞秒激光制备及性能研究。在集成光子芯片中主要包含集成光源、微光学元件、光波导、光信息处理器件和光探测器等光子器件。本论文重点研究了可作为集成光源的有源回音壁微腔激光器的飞秒激光制备及性能,且利用飞秒激光对聚合物折射率的调制作用制备了基于折射率调制的微谐振腔、微光学透镜和光波导等微光子器件,并初步探索了利用飞秒激光直写技术制备集成聚合物光子芯片的基础工作,为将来聚合物集成光子芯片的制备做研究储备。本论文的主要创新点概括为以下几点:1.利用飞秒激光直写技术制备了四种耦合间距不同的掺罗丹明B的光子分子微谐振腔,并且在532nm皮秒脉冲激光的泵浦下产生了稳定的回音壁模式(Whispering-Gallery-Mode,WGM)激光振荡模式。在研究和比较了四种耦合间距光子分子谐振腔的激射光谱和阈值特性后得出,在两个单盘未相交时,耦合距离越近微腔模式耦合作用越强,激光主谐振模式的增强和次谐振模式的抑制作用越强,阈值相应地越低;在两个单盘相交后,相交越多微腔的WGM模式被破坏得越严重,对激光主谐振模式的增强和次谐振模式的抑制作用越弱,阈值也相应地升高,且在相交到一定程度时可输出单模激光。2.提出了使用具有湿度响应特性的PEGDA水凝胶作为微谐振腔的材料,以罗丹明B作为谐振腔激光增益介质和双光子聚合的光引发剂,利用飞秒激光直写技术制备了水凝胶微盘谐振腔。水凝胶微腔具有良好的湿度响应特性,在环境湿度增大时可以吸收水分子导致体积膨胀,在环境湿度降低时失水导致体积收缩。微腔在532nm皮秒激光泵浦下,实现了良好的WGM激光模式输出,且微腔Q值达到了2.8×10~3的较高水平。由于水凝胶微腔的尺寸随着环境湿度变化而变化,导致其在不同的相对湿度环境下的激光谐振波长不一样。实验证明了在相对湿度为25%-65%范围内水凝胶微腔的谐振波长随着湿度增加近似线性地红移,波长红移量为1.72nm。我们利用飞秒激光直写技术制备的PEGDA水凝胶微腔可以实现43.11pm/%RH的较高灵敏度的环境湿度传感。3.研究了飞秒激光诱导聚合物折射率的变化量与飞秒激光扫描次数的关系,并且通过加工尺寸相同扫描次数不同的微透镜,测量焦距后求解得到折射率改变量与激光扫描次数的粗略关系。随着激光扫描次数增加,飞秒激光诱导聚合物折射率改变量增加,直到达到聚合物的最大聚合程度。我们基于飞秒激光对折射率的调控作用,加工了不同尺寸的阶梯折射率(Gradient Refractive Index,GRIN)微透镜和准微环单模激光器。另我们利用大量程气浮飞秒加工系统在聚合物内部通过多次扫描制备了厘米量级的光波导及耦合器件,并且实现了良好的导光作用。此方法可在集成光子芯片上一步集成任意三维光子器件。4.通过实验证明了水凝胶结构的膨胀/收缩能力与激光扫描间距近似地呈现正比例的关系。基于此实验结果,设计了上下两层扫描间距不同的水凝胶平凸微透镜,并且在水中上下两层膨胀率相同而得到单一焦点;在空气中时,上层间距大的结构比下层间距小的收缩率更大,致使平凸透镜呈现两个曲面而得到两个焦点。我们利用飞秒激光制备的非均匀水凝胶微透镜在不同环境下可智能地转换单焦点和双焦点两种状态,可应用于运动物体的实时动态成像。综上,本论文主要是基于飞秒激光直写技术的方法,制备了有源回音壁微腔激光器、微光学透镜、光波导及耦合器等集成微纳光子器件,并尝试了在片上集成聚合物微纳光子器件,为将来聚合物光子芯片的制备提供一种解决方案。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN249
【文章目录】：
摘要
abstract
第1章 绪论
    1.1 集成光子芯片
        1.1.1 集成光子芯片简介
        1.1.2 集成光子器件
        1.1.3 集成光子芯片的应用
    1.2 微谐振腔激光器
        1.2.1 微谐振腔的分类
        1.2.2 微谐振腔的特征参数
        1.2.3 微谐振腔的应用
    1.3 飞秒激光直写技术简介
        1.3.1 飞秒激光加工原理
        1.3.2 飞秒激光加工的应用
    1.4 飞秒激光直写光子芯片
        1.4.1 飞秒激光诱导材料折射率改变
        1.4.2 飞秒激光直写光/量子芯片的现状
    1.5 本章小节和本文主要工作
        1.5.1 本章小结
        1.5.2 本文主要工作
第2章 聚合物光子分子微腔激光器的制备及性能研究
    2.1 光子分子回音壁微腔
    2.2 光子分子微腔的制备
        2.2.1 光刻胶的准备
        2.2.2 飞秒激光直写系统
        2.2.3 飞秒激光直写技术制备光子分子微腔
    2.3 光子分子微腔的形貌表征
    2.4 微腔激射测试系统
    2.5 光子分子微腔的激射光谱分析
        2.5.1 不同耦合间距的光子分子微腔的激射光谱
        2.5.2 不同耦合距离的光子分子微腔的激射阈值
    2.6 本章小节
第3章 可伸缩湿度响应PEG-DA水凝胶微谐振腔的制备及其传感应用
    3.1 PEG-DA水凝胶材料简介
        3.1.1 水凝胶的分类
        3.1.2 水凝胶的交联方式
        3.1.3 水凝胶的应用
    3.2 水凝胶微腔的制备及表征
        3.2.1 水凝胶光刻胶的准备
        3.2.2 飞秒振荡器直写水凝胶微腔
        3.2.3 水凝胶微腔的形貌表征
        3.2.4 水凝胶微盘的湿度响应测试
    3.3 水凝胶微腔的激射特性研究
        3.3.1 水凝胶微腔的激射光谱
        3.3.2 水凝胶微腔的阈值特性
        3.3.3 水凝胶微腔的FSR和 Q值
    3.4 水凝胶微腔的湿度传感特性
    3.5 本章小结
第4章 基于折射率调控的聚合物集成光子器件研究
    4.1 引言
    4.2 飞秒激光调控聚合物材料的研究
        4.2.1 飞秒激光诱导材料折射率改变的原理
        4.2.2 飞秒激光诱导折射率改变量与扫描次数的关系
    4.3 飞秒激光直写技术制备基于折射率调控的微光子器件
        4.3.1 梯度折射率(GRIN)微透镜
        4.3.2 准微环单模激光器
    4.4 飞秒激光直写聚合物光子芯片
        4.4.1 飞秒激光直写聚合物光波导
        4.4.2 飞秒激光直写聚合物定向耦合器
    4.5 本章小结
第5章 智能转换的单焦点和多焦点PEGDA水凝胶微透镜的制备及性能研究
    5.1 引言
    5.2 飞秒激光扫描间距对PEGDA水凝胶膨胀率的影响研究
        5.2.1 水凝胶膨胀率测试结构的制备
        5.2.2 扫描间距对水凝胶结构膨胀率的影响
    5.3 可智能转换焦点数的水凝胶微透镜的制备
    5.4 水凝胶微透镜在不同环境中聚焦状态的研究
        5.4.1 水凝胶微透镜在水中的聚焦状态
        5.4.2 水凝胶微透镜在空气中的聚焦状态
    5.5 本章小节
第6章 总结与展望
参考文献
作者简介及在学期间发表文章
    作者简介
    教育背景
    在学期间发表文章
    在学期间参加会议
致谢

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