飞秒激光制造微型FP光纤传感器机理与技术研究

论文摘要

飞秒激光提供了一种极强的电场能够超过价带电子的束缚力,使分子、原子的电子体系发生巨大变化,其与介质作用产生了许多有别于长脉冲激光的独特性质,如作用区域小、热效应小、空间选择性等,利用这些的特点,几乎可以对所有的材料进行加工,开创了激光加工技术的新领域,具有重要的应用价值。过去大部分工作主要集中在透明材料内部的修改及应用,如折射率变化、相变、荧光或磷光产生等,关于表面微器件加工的报道很少。论文总结了飞秒激光在绝缘体表面刻蚀的物理机制,阐述了微透镜和微FP腔的制作。理论方面,总结了飞秒激光在不导电的玻璃表面消除材料的机理:库仑爆和相位爆,前者过程首先是材料通过多光子过程吸收部分激光能量电离,强电离的结果导致电子全部溢出,剩下带正电荷的离子,由于正电荷之间的库仑斥力将离子、离子团推出,形成的损伤坑;相位爆是由于高浓度电子-空穴等离子体造成格子变化为气态或液态,这个过程在1ps之内。这两个过程消耗了大部分激光能量;而热传输时间在皮秒量级,因此,这种方式的加工没有热效应。实验方面,利用超短脉冲激光微加工制作了非本征型和在线式的光纤F-P传感器,讨论了飞秒激光加工的表面光洁度、FP腔平行度、如何提高信噪比等问题,通过控制激光脉冲能量和改进加工方法,研制出对比度高达20dB以上的高灵敏度微型光纤传感器,该技术手段克服了传统光纤法布里珀罗传感器制作和性能上的各种缺陷,有可能解决一直以来存在的高温下应变精确测量的难题。另外,飞秒激光与介质表面作用,从非线性吸收开始,最终通过库仑力和相位爆将材料消除,我们的研究表明,消除部分的外型与入射光脉冲空间分布相关。利用该原理,我们在石英玻璃表面制作了高斯面型的微凹透镜阵列,并通过氢氟酸腐蚀的方法提高表面光洁度,并通过塑性铸模的方法用PMMA实现了该微透镜的复制。这种制作技术的优点是能够通过控制飞秒激光脉冲空间外形分布来实现控制微透镜面型。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 飞秒激光技术的应用
• 1.2 飞秒激光精细加工技术的应用
• 1.3 论文的组织安排
• 参考文献
• 第二章 透明介质和飞秒激光相互作用机理
• 2.1 电介质对飞秒脉冲激光的吸收机理
• 2.1.1 非线性光电离
• 2.1.2 雪崩电离
• 2.1.3 等离子体的自由载流子吸收
• 2.1.4 等离子体离焦
• 2.2 飞秒激光与透明介质作用的库伦爆炸
• 2.2.1 库仑爆
• 2.2.2 飞秒激光脉冲引起介质结构改变
• 2.3 飞秒激光与透明介质作用的理论模型
• 参考文献
• 第三章 飞秒激光和酸刻蚀方法制作凹面微透镜阵列
• 3.1 引言
• 3.2 微透镜制作的工艺过程
• 3.2.1 飞秒激光光刻
• 3.2.2 HF溶液刻蚀
• 3.2.3 表面轮廓仪检测
• 3.2.4 面型与激光脉冲空间分布外形的关系
• 3.3 铸塑复制
• 3.4 结论
• 参考文献
• 第四章 飞秒激光制造微型FP光纤传感器机理和技术研究
• 4.1 引言
• 4.1.1 光纤传感器的基本原理
• 4.1.2 FP光纤传感器
• 4.1.3 新型的微型光纤法布里—珀罗干涉（MEFPI）传感器
• 4.2 实验装置图
• 4.3 飞秒激光制造微型FP光纤干涉型传感器的新方案
• 4.4 应力和温度分析
• 4.5 拓展
• 参考文献
• 第五章 展望与建议
• 总结
• 展望
• 发表文章和专利
• 致谢