飞秒激光诱导碱金属氧化物玻璃微纳结构的研究

发布时间：2020-11-16 12:09

　　 21世纪以来,信息技术的发展和人们对于宽带网络需求的增长对信息传播和处理技术提出了更高的要求。随着集成电路硅基半导体工艺逼近理论极限,发展集成光路,即以光子或光电子为信息载体,给未来信息技术提供了新的可能性。其中如何在诸如玻璃等光透明材料中精确制备微纳结构,使其具有特定的光学性能,是发展集成光路技术道路上的首要课题之一。而利用飞秒激光直写加工技术可以在材料内部精确诱导各种光功能微纳结构,这将极大地促进集成光路技术的发展。本文针对飞秒激光诱导微纳结构的现象和表征进行了研究,制备了一系列含碱金属氧化物玻璃,在其内部诱导了多种微纳结构,系统研究了这些微纳结构的性能和形成机理。本文的主要研究成果和结论如下:1、在透明玻璃内部利用高重复频率飞秒激光照射诱导出现微气泡结构。对微气泡结构的形貌,尺寸和空间分布进行了表征。研究了不同加工参数对微气泡形成与空间分布的影响。控制微气泡产生的机理,认为是飞秒激光照射过程中空气与玻璃样品间的折射率失配以及多种非线性效应引起的激光焦点能量重新分布导致的。研究了微气泡的产生位置与高重复频率飞秒激光诱导的光场分布的关系。同时,还观察到出现的微气泡在激光照射区域的定向运动,认为是玻璃熔体中有热对流的存在。利用高重复频率飞秒激光照射制备的区域选择性微气泡结构可以应用于微腔激光器以及微型光开关等光学元器件。2、利用低重复频率飞秒激光照射在不同碱金属含量玻璃内部诱导纳米光栅现象。系统研究了纳米光栅结构的形貌与尺寸对飞秒激光参数,照射方式的关系。对纳米光栅结构形成的机理进行了研究,认为是玻璃材料对飞秒激光脉冲能量的非线性吸收与半永久性缺陷相互作用的结果。利用低重复频率飞秒激光直写技术在特定碱金属含量的玻璃内部诱导了独特的长周期纳米光栅结构。对纳米光栅结构的形貌和双折射性能进行了表征,证明玻璃样品中碱金属含量对上述形貌和性能有很大影响。利用低重复频率飞秒激光照射制备的纳米光栅结构可以应用于高密度光存储以及集成光芯片等领域。3、系统研究了不同重复频率飞秒激光照射在不同玻璃体系内部诱导的元素重新分布现象。在掺碱金属氧化物的锗酸盐玻璃内,观察到了飞秒激光重复频率对玻璃微区成分和玻璃网络结构的影响。对其形成机理进行了分析,认为是不同重复频率飞秒激光作用下以脉冲能量和温度场的差异造成的。并且首次观察到在低重复频率飞秒激光诱导下产生的离子迁移现象。在掺稀土金属氧化物的碲酸盐玻璃中,在低重复频率下也观察到元素重新分布现象。在高重复频率飞秒激光照射区域内,玻璃材料的密度发生了变化,但相对组分含量的空间分布没有发生变化。我们认为是碲酸盐玻璃融体特定的结构特点所造成的。利用不同重复频率飞秒激光辐照诱导元素重新分布,我们可以改变玻璃材料内部微区的成分,进而实现光学性能等的空间选择性操控。这对于制备光波导等集成光学器件具有重要的意义。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ171.1
【部分图文】：

到ＴＷ甚至ＰＷ。??啁啾豚冲放大技术是一种先将脉冲宽度进行短暂的展宽，再将脉冲能量进行??放大的技术。其工作原理如图２．２所示［６］。具体的步骤如下，如图２．４：??ｏｒｉｇｉｎｓ］?ｐｕｌｓｅｓ?ｙ??Ｌ?ｆ?ｆ?ｌ??图２．２基于光栅组合的展宽器示意图［６］??Ｆｉｇ．?２．２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｌａｙｏｕｔ?ｏｆ?ａ?ｇｒａｔｉｎｇ－ｂａｓｅｄ?ｓｔｒｅｔｃｈｅｒ??１?ｐ＾ｓ｜＼??Ｉ?Ｄｉｓｐｅｒｓｅｄ?ｐｕｌｓｅｓ?＼?＇??鲁｜??图２．３基于棱镜组合的展宽器示意图［６】??Ｆｉｇ．?２．３?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｌａｙｏｕｔ?ｏｆ?ａ?ｐｒｉｓｍ－ｂａｓｅｄ?ｓｔｒｅｔｃｈｅｒ??１、将飞秒激光振荡器输出的低能量的超短脉冲首先引入由正色散元件组成??的脉冲展宽器，（可以由图２．２的光栅组合实现，即Ｍａｒｔｉｎｅｚ型反平行光栅对［１８］；??也可以由图２．３的棱镜组合实现），经过展宽器以后，激光脉冲高频率部分滞后??于低频率部分，产生正啁啾，从而实现脉冲的展宽，其展宽系数在１〇３至１〇５之??丨、司；??＇２、经过展宽后的激光脉冲已不会破坏增益介质，将脉冲引入放大器中进行??能量放大，其放大系数可以达到１〇６，甚至更高；??３、经过能量放大后的激光脉冲再次进入由负色散元件组成的脉冲压缩器中??进行压缩（如Ｔｒｅａｃｙ型平行光栅对［１９］）

到ＴＷ甚至ＰＷ。??啁啾豚冲放大技术是一种先将脉冲宽度进行短暂的展宽，再将脉冲能量进行??放大的技术。其工作原理如图２．２所示［６］。具体的步骤如下，如图２．４：??ｏｒｉｇｉｎｓ］?ｐｕｌｓｅｓ?ｙ??Ｌ?ｆ?ｆ?ｌ??图２．２基于光栅组合的展宽器示意图［６］??Ｆｉｇ．?２．２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｌａｙｏｕｔ?ｏｆ?ａ?ｇｒａｔｉｎｇ－ｂａｓｅｄ?ｓｔｒｅｔｃｈｅｒ??１?ｐ＾ｓ｜＼??Ｉ?Ｄｉｓｐｅｒｓｅｄ?ｐｕｌｓｅｓ?＼?＇??鲁｜??图２．３基于棱镜组合的展宽器示意图［６】??Ｆｉｇ．?２．３?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｌａｙｏｕｔ?ｏｆ?ａ?ｐｒｉｓｍ－ｂａｓｅｄ?ｓｔｒｅｔｃｈｅｒ??１、将飞秒激光振荡器输出的低能量的超短脉冲首先引入由正色散元件组成??的脉冲展宽器，（可以由图２．２的光栅组合实现，即Ｍａｒｔｉｎｅｚ型反平行光栅对［１８］；??也可以由图２．３的棱镜组合实现），经过展宽器以后，激光脉冲高频率部分滞后??于低频率部分，产生正啁啾，从而实现脉冲的展宽，其展宽系数在１〇３至１〇５之??丨、司；??＇２、经过展宽后的激光脉冲已不会破坏增益介质，将脉冲引入放大器中进行??能量放大，其放大系数可以达到１〇６，甚至更高；??３、经过能量放大后的激光脉冲再次进入由负色散元件组成的脉冲压缩器中??进行压缩（如Ｔｒｅａｃｙ型平行光栅对［１９］）

?相比于长脉冲激光诱导微纳结构，飞秒激光在透明材料内部诱导微纳结构主??要是基于非线性效应，如图２．５所示，因为飞秒激光中的光子能量不足以引起材??料中的电子跃迀［２３］。为了在材料中产生非线性吸收，需要飞秒激光脉冲的电场??强度与原子中价电子的结合强度大致相等，大约是１０９?Ｖｍ＇这相当于激光的??强度要述到５Ｍ０２０?Ｗｍ＿２。为了达到如此高的能量密度，需要很高的激光脉冲能??量以及对激光脉冲的强聚焦。例如，必须将一个脉冲强度为１?ｎＪ，脉冲持续时间??为ｌＯＯｆｓ的激光聚焦到２００?ｐｍ２的范围内。强聚焦以及非线性吸收的特点，使得??飞秒激光与材料相互作用过程中，可以避免材料表面对激光脉冲能量的吸收，从??而将诱导的微纳结构局哏在材料内部激光聚焦区域内，最小可诱导产生０．００８??ｐｍ３的结构。在激光照射过程中
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本文编号：2886211