石英玻璃中飞秒激光三维加工阈值的研究及其应用

论文摘要

飞秒激光加工具有精度高、质量好以及空间选择性强等特点,尤其是在透明材料体内进行三维处理方面具有得天独厚的优势。为了实现高质量可控微加工,必须依据折射率变化阈值和损伤阈值选择合适的激光能量。我们发现阈值大小依赖于多种激光参数和聚焦条件,但是目前尚缺乏系统的研究。本文详细研究了石英玻璃体内飞秒激光微加工中,聚焦深度、数值孔径、脉冲宽度和偏振等对于体内阈值的综合影响,并在研究结果的指导下制备了单模光波导、多模光波导、波导阵列、光子带隙结构、波导光栅等器件。论文主要内容包括:实验上发现了体内光致折射率变化阈值、损伤阈值均随着聚焦深度的增大而增大,两者之间的差值也逐渐增大。当聚焦深度为200μm时,折射率变化阈值为100nJ,体内损伤阈值为110nJ,两者之差值为10nJ。而在2100μm深处,折射率变化阈值为300nJ,体内损伤阈值为450nJ,两者之差达到150nJ。经分析发现,折射率失配导致的表面球差是产生这种变化的主要原因。由于球差的引入,聚焦深度大的地方,波导端面明显拉长,因此可以通过改变聚焦深度有效地控制波导端面的纵横比。实验上发现入射激光的偏振状态、脉冲宽度对石英玻璃体内损伤阈值的影响强烈依赖于聚焦情况。紧聚焦情况下（NA>0.4）,圆偏振光体内损伤阈值大于线偏振光体内损伤阈值,而松聚焦情况下（NA<0.4）则相反。两种情况下外部聚焦和内部自聚焦的差异使得破坏过程不同,导致了不同的阈值差别;多脉冲叠加制备波导的情况下,当线偏振光振动方向平行于波导方向时,体内损伤阈值小于振动方向垂直于波导方向时的体内损伤阈值,而在单脉冲入射情况下差别极小。飞秒激光和材料相互作用时形成的自组织光栅是导致这种差别的原因;在脉冲宽度大于260飞秒的情况下,负啁啾的激光脉冲体内损伤阈值明显小于正啁啾情况下的体内损伤阈值。综合考虑多种参数,控制波导端面的纵横比,制备了多种导波光学器件。单模直波导折射率变化约为2.47×10-3,波导的传输损耗小于0.57dB/cm;采用横向扫描的方法分别制备了宽度为30μm和48μm的多模干涉波导,氦氖激光入射到输入端面中心后,输出端分别得到3个和5个光斑,实验结果和理论模拟一致; 3×3波导阵列有效实现了不同波导间的光束耦合;光子带隙结构对入射光束具有明显的约束作用。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 飞秒激光加工特点
• 1.2 飞秒激光系统
• 1.3 飞秒激光加工机理
• 1.3.1 非线性传输
• 1.3.2 自聚焦
• 1.3.3 非线性光电离
• 1.3.4 雪崩电离
• 1.4 飞秒激光加工进展
• 1.4.1 飞秒激光诱导折射率变化效应制备器件
• 1.4.2 飞秒激光微爆炸、表面烧蚀效应制备器件
• 1.4.3 飞秒激光制备自组织光栅
• 1.5 本论文的工作
• 第二章 体内阈值对聚焦参数的依赖关系
• 2.1 飞秒激光加工阈值
• 2.1.1 表面烧蚀阈值
• 2.1.2 体内阈值
• 2.1.3 阈值的测定方法
• 2.1.4 实验装置
• 2.2 体内阈值对聚焦深度的依赖关系
• 2.2.1 体内阈值随聚焦深度的变化规律
• 2.2.2 机理分析
• 2.3 体内阈值对聚焦透镜数值孔径的依赖关系
• 2.3.1 体内损伤阈值随NA 的变化规律
• 2.3.2 机理分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 脉冲参数对体内损伤阈值的影响
• 3.1 激光偏振对于体内损伤阈值的影响
• 3.1.1 多脉冲叠加情况下激光偏振状态对体内损伤阈值的影响
• 3.1.2 单脉冲入射情况下激光偏振状态对体内损伤阈值的影响
• 3.1.3 不同NA 聚焦情况下激光偏振状态对体内损伤阈值的影响
• 3.1.4 机理分析
• 3.2 激光脉冲宽度对于体内损伤阈值的影响
• 3.2.1 脉冲宽度对于体内阈值的影响
• 3.2.2 机理分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 飞秒激光制备光波导及相关器件
• 4.1 波导端面纵横比的控制
• 4.1.1 飞秒激光加工方法
• 4.1.2 端面纵横比与入射光强分布的关系
• 4.1.3 端面纵横比与脉宽的关系
• 4.1.4 端面纵横比与聚焦透镜数值孔径的关系
• 4.1.5 端面纵横比与聚焦深度的关系
• 4.2 飞秒激光制备单模光波导
• 4.2.1 单模光波导的制备
• 4.2.2 波导折射率的测定
• 4.2.3 波导损耗的测定
• 4.3 飞秒激光制备多模干涉波导
• 4.3.1 多模干涉波导分束器的设计和制备
• 4.3.2 横向扫描方法制备MMI
• 4.3.3 多模干涉分束器
• 4.4 飞秒激光制备波导阵列
• 4.4.1 3×3 波导阵列的制备
• 4.4.2 制备均匀波导阵列
• 4.5 飞秒激光制备光子带隙结构
• 4.6 飞秒激光制备波导光栅
• 4.7 本章小结
• 第五章 总结
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的文章目录
• 致谢