超短脉冲激光直写玻璃扩展芯波导和表面微通道研究
发布时间：2020-10-16 10:48
随着近几十年超短脉冲激光系统的发展与成熟,超短脉冲在材料微纳加工中的各项研究工作也迅速开展起来,人们取得了丰富的成果。具体来说,有基于多光子光致聚合效应,激光诱导前向转移等技术的3D增材制造;基于超短脉冲烧蚀(融化和去除)的材料切割、钻孔,异质焊接、表面清洗,和激光诱导周期表面结构;基于对透明介质内材料改性(折射率改变)的光波导直写以及复杂光子器件制造等应用。本论文在超短脉冲激光微纳加工的范畴内,主要开展了超短脉冲激光在光学玻璃中直写大模场、单模特性的扩展芯微结构光波导,以及在熔石英玻璃表面加工无锥角、中、小纵深比(3-60)微通道两方面的实验研究,主要的工作内容和创新成果包括:1.提出了采用飞秒直写技术制作单模大模场扩展芯微结构光波导(Expanded-core Waveguide,ECW)方法,理论分析了ECW的光波导特征,在熔石英玻璃中实验制备了ECW波导和Y型ECW波导分束器,模场直径～30μm、传输损耗～0.1 dB/cm。2.在Yb~(3+)磷酸盐玻璃中刻写I类单芯波导,并于1029 nm处实现了最高11 mW、斜效率2%的波导激光输出;将ECW概念扩展至Yb~(3+)磷酸盐增益玻璃中,有效提高了光子波导器件加工效率,获得了模场直径优于单芯波导3倍以上的单模运转ECW,为实现高功率单模波导激光器奠定了基础。3.在Matlab中仿真研究了入射光波的波前振幅、相位畸变、光束失准直等因素对贝塞尔光束质量的影响。4.空气环境中使用单发脉冲的高斯-贝塞尔光束在熔石英玻璃前表面进行了微通道加工的实验研究,确定了最优的加工条件为微焦耳脉冲能量和1 ps脉冲宽度,制造了平均直径～1μm,长度～40μm,表面质量良好的高圆柱度微通道。该结果在微米尺度、中纵深比的表面结构化领域有广阔的应用前景。5.基于标量菲涅尔衍射理论,数值仿真研究了环缝在截断贝塞尔光束焦深调控方面的能力;实验研究了截断贝塞尔光束在熔石英玻璃前表面微通道加工中的参数优化,通过扫描截断贝塞尔光束的参数,在熔石英玻璃前表面实现了对微通道直径从～300 nm到～2μm、深度从～1μm到～30μm的有效调控。展示了截断贝塞尔光束在亚微米尺度、低纵深比应用中:如直写光子晶体或超材料制造方面的潜力。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN24
【部分图文】：
电子通过逆韧致辐射在激光电场中继续获得能量，之后通过碰撞其他价带电子激发出更多的导带电子，进而形成自由电子数密度的雪崩增长（雪崩电离），产生微等离子体。当等离子体（电子）密度超过临界值 时，将强烈吸收激光脉冲的能量，称此时达到了材料的光学击穿阈值[17-20]，等离子体密度临界值的定义为 ，其中 为激光频率， 为真空介电常数， 和 分别为电子质量和电荷。激光能量可以在 fs 时间尺度内快速沉积到光学材料的电子系统中，其后陆续发生能量的驰豫。在大约 ps 时间尺度内，能量将从电子系统转移到晶格中，等离子体（固体）的快速复合使得材料内的局部区域迅速被加热，同时释放出热弹性波。在 ns 到 ms 的尺度上，热传导开始发挥作用，这一阶段流体力学和机械弹性波主导了辐照区材料的最终改性结果，包括：材料的致密或稀疏，无定型态或微晶产生，折射率增加或减小，微纳自组织结构，真空产生等。图 1.1 给出了上述不同过程的特征时间分布[21]。
快激光辐照固体表面后不同时间、空间尺度下共存的烧蚀机理。(引自The coexisting ablation mechanism at different time and space scales whsurface of a general solid was irradiated by the ultrafast laser.脉冲激光聚焦在固体材料表面时，可以直接引起材料的去除或明，当脉冲宽度小于10 ps时，材料加工可以拥有精确的烧蚀阈料中超短脉冲激光诱导的烧蚀机理目前仍存在广泛的争论，几种主要机制有库伦爆，解离，相爆，碎裂[23-32]，将这几种间和不同深度列举在图 1.2 中。其中 I 区域非常靠近材料的表最高强度的激光辐照，当光场足够强时，能够将材料中的电激光激发后最初的几百 fs 时间内，距离材料表面几个 nm 的爆。位于 II 区域的材料由于电子-晶格能量驰豫，达到超高此在几十 ps（具体值和特定材料固有的电子-声子耦合特性相
1.3 飞秒激光在玻璃中直写波导的示意图。（a）波导的侧面显微图像。（b）纵向写入波导的横截面图像。（c）横向写入时波导的横截面图像。(引自[33])gure 1.3 Schematic diagram of direct waveguide writing in glass by femtosecond laserdeview of the waveguide. (b)Cross section image of the waveguide in longitudinal writmode and (c) transverse writing mode.
【参考文献】
本文编号：2843152
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN24
【部分图文】：
电子通过逆韧致辐射在激光电场中继续获得能量，之后通过碰撞其他价带电子激发出更多的导带电子，进而形成自由电子数密度的雪崩增长（雪崩电离），产生微等离子体。当等离子体（电子）密度超过临界值 时，将强烈吸收激光脉冲的能量，称此时达到了材料的光学击穿阈值[17-20]，等离子体密度临界值的定义为 ，其中 为激光频率， 为真空介电常数， 和 分别为电子质量和电荷。激光能量可以在 fs 时间尺度内快速沉积到光学材料的电子系统中，其后陆续发生能量的驰豫。在大约 ps 时间尺度内，能量将从电子系统转移到晶格中，等离子体（固体）的快速复合使得材料内的局部区域迅速被加热，同时释放出热弹性波。在 ns 到 ms 的尺度上，热传导开始发挥作用，这一阶段流体力学和机械弹性波主导了辐照区材料的最终改性结果，包括：材料的致密或稀疏，无定型态或微晶产生，折射率增加或减小，微纳自组织结构，真空产生等。图 1.1 给出了上述不同过程的特征时间分布[21]。
快激光辐照固体表面后不同时间、空间尺度下共存的烧蚀机理。(引自The coexisting ablation mechanism at different time and space scales whsurface of a general solid was irradiated by the ultrafast laser.脉冲激光聚焦在固体材料表面时，可以直接引起材料的去除或明，当脉冲宽度小于10 ps时，材料加工可以拥有精确的烧蚀阈料中超短脉冲激光诱导的烧蚀机理目前仍存在广泛的争论，几种主要机制有库伦爆，解离，相爆，碎裂[23-32]，将这几种间和不同深度列举在图 1.2 中。其中 I 区域非常靠近材料的表最高强度的激光辐照，当光场足够强时，能够将材料中的电激光激发后最初的几百 fs 时间内，距离材料表面几个 nm 的爆。位于 II 区域的材料由于电子-晶格能量驰豫，达到超高此在几十 ps（具体值和特定材料固有的电子-声子耦合特性相
1.3 飞秒激光在玻璃中直写波导的示意图。（a）波导的侧面显微图像。（b）纵向写入波导的横截面图像。（c）横向写入时波导的横截面图像。(引自[33])gure 1.3 Schematic diagram of direct waveguide writing in glass by femtosecond laserdeview of the waveguide. (b)Cross section image of the waveguide in longitudinal writmode and (c) transverse writing mode.
【参考文献】
相关期刊论文 前2条
1 赵维谦;唐芳;邱丽荣;刘大礼;;轴对称矢量光束聚焦特性研究现状及其应用[J];物理学报;2013年05期
2 孙大睿,宋晏蓉,张志刚,刘永军,柴路,王清月;用于飞秒脉冲放大器的马丁内兹展宽器与欧浮纳展宽器性能比较[J];物理学报;2003年04期
本文编号：2843152
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