高重复频率飞秒激光诱导功能微结构

论文摘要

飞秒激光具有超短的脉冲宽度和极高的脉冲峰值功率,可与各种透明介质产生高度非线性相互作用。通过飞秒激光与透明介质相互作用的研究,飞秒激光诱导的新的现象不断地被发现和深入研究,为强场物理、等离子体物理、非线性光学和材料科学等基础学科的理论研究提供了新思路。本文对250 kHz脉冲频率的飞秒激光在各种玻璃中诱导光子学微结构等方面展开了系统的研究。研究的内容包括飞秒激光在飞秒激光在玻璃内部诱导非线性光学晶体的析出和诱导离子迁移现象等。具体可分为以下几个方面:高重复频率的飞秒激光辐照进玻璃后,由于辐照区域通过多光子非线性效应形成的等离子体能够强烈地吸收激光能量,因而能使得激光能量不断的沉积,从而在焦点区域形成一个温度梯度场。通过这种飞秒激光辐照形成的热积累效应,热影响区的玻璃温度一旦超过析晶温度Tc,玻璃便会发生相变,转化为晶体。我们利用250 kHz高重复频率飞秒激光辐照下诱导出TiO2和CaF2等非线性光功能晶体。利用飞秒激光实现了空间选择性的具有高折射率的TiO2纳米粒子的析出和控制,为构筑三维光子晶体等光学器件开辟了新的途径。还利用飞秒激光辐照在Er离子掺杂的CaF2-Al2O3-SiO2玻璃中析出Er离子掺杂的CaF2晶体,并且发现激光照射的晶化区域的在近红外激光激发下的上转换发光强度大大增加。利用这个结果,我们演示了一种以上转换荧光发射为读取信号进行三维光存储的方法。我们利用飞秒激光诱导的析晶进行信息记录,然后利用不同波长的红外激光激发在共聚焦荧光显微镜中实现存储数据的读出,并获得了很高的信噪比。此技术还在三维彩色立体显示领域有很好的应用前景。通过研究飞秒激光在硼酸盐玻璃中诱导的配位数变化,发现了高重复频率飞秒激光诱导离子迁移的新现象。进而系统研究了飞秒激光在硅酸盐玻璃中诱导的离子迁移和元素重新分布现象。发现玻璃的网络修饰体离子一般会在激光聚焦处外围形成一个“环带“形状的元素富集区域,而网络形成体离子的分布则相反。我们提出了一种形成机理,认为飞秒激光诱发的温度场的梯度在此过程中起到关键作用。进而,我们利用飞秒激光诱导的具有光学活性离子的迁移,成功实现了玻璃内部三维的微区荧光性能的改变。这一基于激光操控元素分布的微区荧光控制技术在波导制备、光学存储等应用上的广阔前景。飞秒激光在透明介质中诱导光子学微结构这一研究领域将超快光学、材料科学以及激光光谱学结合起来,是一个多学科交叉的新兴领域。开展这方面的研究一方面可以推进更新的有源或无源光子学器件的发展,另一方面可以利用飞秒激光的特性发掘材料的新功能,发现更多在普通条件下无法观察到的新奇的物理现象,促进非线性光学以及相关研究的发展。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 飞秒激光的产生和发展
• 1.2 飞秒激光加工材料
• 1.2.1 激光加工的历史
• 1.2.2 飞秒激光加工材料的机制及特点
• 1.2.3 飞秒激光在透明材料中诱导微结构的类型
• 1.3 飞秒激光对材料微加工的研究进展
• 1.3.1 飞秒激光直写光波导
• 1.3.2 飞秒激光用于光学存储
• 1.3.3 飞秒激光制备三维光子晶体
• 1.3.4 飞秒激光诱导亚波长周期性纳米结构
• 1.3.5 飞秒激光制备微通道
• 1.3.6 飞秒激光诱导析出晶体
• 1.4 本研究工作的背景、意义及主要内容
• 1.4.1 高重复频率飞秒激光微加工的特性和优势
• 1.4.2 本研究主要内容
• 第二章 实验方法
• 2.1 引言
• 2.2 样品的制备
• 2.3 飞秒激光微加工系统
• 2.4 光学显微结构观察
• 2.5 元素分析
• 2.6 激光共聚焦显微拉曼光谱分析
• 第三章 高重复频率飞秒激光在玻璃中诱导析出光学功能晶体
• 3.1 引言
• 2O₃-Bi₂O₃-TiO₂-B₂O₃玻璃内部诱导TiO₂晶体'>3.2 飞秒激光在CaO-Al₂O₃-Bi₂O₃-TiO₂-B₂O₃玻璃内部诱导TiO₂晶体
• 2晶体简介'>3.2.1 TiO₂晶体简介
• 3.2.2 实验方法
• 3.2.3 实验结果与讨论
• 2-Al₂O₃-SiO₂玻璃内部诱导Er³⁺掺杂的CaF₂晶体'>3.3 飞秒激光在CaF₂-Al₂O₃-SiO₂玻璃内部诱导Er³⁺掺杂的CaF₂晶体
• 2晶体简介'>3.3.1 CaF₂晶体简介
• 3.3.2 实验方法
• 3.3.3 实验结果与讨论
• 3.4 本章小结
• 第四章 高重复频率飞秒激光在玻璃中诱导离子迁移现象
• 4.1 引言
• 4.2 飞秒激光在硼酸盐玻璃中诱导硼离子配位数变化和离子迁移现象
• 4.2.1 实验方法
• 4.2.2 实验结果与讨论
• 4.3 飞秒激光在硅酸盐玻璃中诱导离子迁移现象
• 4.3.1 实验方法
• 4.3.2 实验结果与讨论
• 4.4 本章小结
• 第五章 总结
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文