本文關(guān)鍵詞：飛秒激光刻寫(xiě)鈮酸鋰光波導(dǎo)及其光傳輸特性的研究

  更多相關(guān)文章： 飛秒激光 鈮酸鋰 光波導(dǎo) 激光重復(fù)頻率 熱積累 光傳輸性能

【摘要】：飛秒激光誘導(dǎo)透明介質(zhì)形成光波導(dǎo)的技術(shù)作為集成光學(xué)中的新興手段,近年來(lái)受到了廣泛的關(guān)注。研究者們通過(guò)改變飛秒激光條件、刻寫(xiě)方式以及基底材料已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了不同性能的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的制備,然而這些研究中對(duì)激光作用機(jī)理的研究卻很少。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室條件,本論文主要研究激光重復(fù)頻率對(duì)波導(dǎo)形成機(jī)理產(chǎn)生的影響。首先采用76 MHz和1 kHz飛秒激光對(duì)鈮酸鋰晶體進(jìn)行刻蝕實(shí)驗(yàn),其次通過(guò)研究激光作用區(qū)產(chǎn)生的微結(jié)構(gòu)變化探索其作用機(jī)理,并以數(shù)學(xué)模型的方式予以量化,最終通過(guò)優(yōu)化制備條件實(shí)現(xiàn)高性能鈮酸鋰光波導(dǎo)的制備。論文具體工作如下:(1)采用掃描電子顯微鏡(SEM)及能譜儀(EDS)分別對(duì)激光作用區(qū)域的結(jié)構(gòu)形貌及元素成分進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)兩種不同重復(fù)頻率激光對(duì)晶體刻蝕效果具有明顯差異。1 kHz飛秒激光極高的單脈沖能量對(duì)鈮酸鋰晶體造成了破壞性的損傷,作用區(qū)各組分元素比例改變;而對(duì)于76 MHz飛秒激光,極高的重復(fù)頻率使得脈沖間隔低于材料吸收時(shí)間,產(chǎn)生熱積累效應(yīng)。熱積累產(chǎn)生梯度溫度場(chǎng),驅(qū)動(dòng)熔融離子由作用中心高溫區(qū)向外擴(kuò)散、沉積。最終在激光作用中心一定半徑范圍內(nèi)形成高密度、高折射率環(huán)形波導(dǎo)區(qū),且區(qū)域半徑及折射率差與激光重復(fù)頻率有著密切關(guān)系。(2)以單個(gè)脈沖(能量約3 nJ)為源,1μs為鈮酸鋰晶體能量吸收時(shí)間,建立激光重復(fù)頻率與聚焦中心溫度分布理論模型。通過(guò)理論分析我們發(fā)現(xiàn),當(dāng)激光重復(fù)頻率達(dá)到11.8 MHz時(shí),熱積累效應(yīng)對(duì)鈮酸鋰晶體改性會(huì)起到主導(dǎo)作用;而低于這一重復(fù)頻率時(shí),其熱效應(yīng)幾乎可以忽略。在低重復(fù)頻率條件下,由于激光單脈沖能量極高,作用區(qū)產(chǎn)生微爆,引起晶體結(jié)構(gòu)變化,熱效應(yīng)低;而在高重復(fù)頻率環(huán)境下,由于脈沖間隔時(shí)間短,能量積累使作用區(qū)產(chǎn)生高溫高壓,引起晶體改性,熱效應(yīng)明顯。同時(shí),利用該模型模擬了76 MHz飛秒激光熱作用影響區(qū)域直徑為36.5μm,與我們實(shí)驗(yàn)中掃描電鏡測(cè)試結(jié)果37.4μm吻合的很好。當(dāng)將激光重復(fù)頻率改為25 MHz時(shí),作用區(qū)模擬直徑為28μm,而實(shí)驗(yàn)得到的25 MHz飛秒激光刻蝕區(qū)直徑則為27.5μm。熱積累模型很好的實(shí)現(xiàn)了激光熱影響區(qū)域半徑的模擬,為了驗(yàn)證刻蝕環(huán)形區(qū)的性質(zhì)及其光傳輸性能,進(jìn)行了直線型光波導(dǎo)的制備。(3)采用650 nm對(duì)所制備光波導(dǎo)進(jìn)行耦合及光傳輸損耗測(cè)試。研究發(fā)現(xiàn),激光作用中心出現(xiàn)了明顯的激光損傷,拉曼光譜顯示其密度小于周?chē)h(huán)形區(qū)域,這與預(yù)測(cè)結(jié)果一致;環(huán)形高密度結(jié)構(gòu)光傳輸結(jié)果顯示,只在波導(dǎo)截面的上下出現(xiàn)了傳輸耗低于1.5 dB/cm兩條低損耗波導(dǎo)結(jié)構(gòu),而其他位置傳輸損耗相對(duì)較高,這與鈮酸鋰晶體各向異性、激光入射方向及焦點(diǎn)能量分布有關(guān)。
【關(guān)鍵詞】：飛秒激光 鈮酸鋰 光波導(dǎo) 激光重復(fù)頻率 熱積累 光傳輸性能
【學(xué)位授予單位】：西南科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TN249
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 緒論10-14
• 1.1 引言10-11
• 1.2 研究現(xiàn)狀與意義11-13
• 1.2.1 研究現(xiàn)狀11-12
• 1.2.2 研究意義12-13
• 1.3 本論文的主要工作13-14
• 2 飛秒激光對(duì)鈮酸鋰晶體的改性14-27
• 2.1 實(shí)驗(yàn)條件14-18
• 2.1.1 飛秒激光14-15
• 2.1.2 鈮酸鋰材料15-18
• 2.2 激光刻寫(xiě)系統(tǒng)18-21
• 2.2.1 激光系統(tǒng)18-20
• 2.2.2 刻寫(xiě)光路20-21
• 2.2.3 電控平移臺(tái)21
• 2.3 飛秒激光與物質(zhì)作用過(guò)程21-26
• 2.3.1 激光非線性吸收21-23
• 2.3.2 折射率改變理論23-26
• 本章小結(jié)26-27
• 3 激光刻寫(xiě)與結(jié)果表征27-35
• 3.1 76MHz飛秒激光27-30
• 3.1.1 76MHz飛秒激光刻寫(xiě)系統(tǒng)27-28
• 3.1.2 刻蝕點(diǎn)表征與分析28-30
• 3.2 1KHz飛秒激光30-33
• 3.2.1 1KHz飛秒激光刻寫(xiě)系統(tǒng)30-31
• 3.2.2 刻蝕點(diǎn)表征與分析31-33
• 本章小結(jié)33-35
• 4 激光作用模型建立35-44
• 4.1 模擬結(jié)果與分析35-38
• 4.2 熱擴(kuò)散模型的驗(yàn)證38-42
• 4.2.1 理論驗(yàn)證38-40
• 4.2.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證40-42
• 本章小結(jié)42-44
• 5 波導(dǎo)的刻寫(xiě)及光傳輸性能44-52
• 5.1 波導(dǎo)外觀的表征44-46
• 5.2 波導(dǎo)光傳輸特性的研究46-48
• 5.2.1 波導(dǎo)傳輸特性46-47
• 5.2.2 波導(dǎo)區(qū)激光拉曼測(cè)試47-48
• 5.3 刻寫(xiě)條件對(duì)波導(dǎo)性能的影響48-51
• 本章小結(jié)51-52
• 結(jié)論52-54
• 致謝54-55
• 參考文獻(xiàn)55-62
• 攻讀碩士期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文及研究成果62

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本文編號(hào)：1084657