本文選題：飛秒激光加工　切入點(diǎn)：金屬微腔　出處：《吉林大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：光學(xué)微諧振腔能夠把光場限制在一個(gè)極小的區(qū)域內(nèi)。當(dāng)諧振腔內(nèi)存在增益介質(zhì)時(shí),光波在其中傳播時(shí)將與增益介質(zhì)相互作用,使得光強(qiáng)不斷增加,形成穩(wěn)定的駐波振蕩,實(shí)現(xiàn)具有較低閾值的激光輸出。相比于法布里-珀羅或光子晶體等微腔結(jié)構(gòu),回音壁模式微腔由于具有較高品質(zhì)因數(shù)、較小模式體積,不僅在腔量子電動(dòng)力學(xué)等基礎(chǔ)理論研究領(lǐng)域,而且在實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)如傳感、探測、濾波等方面都得到了廣泛的關(guān)注�；匾舯谀Ｊ轿⒅C振腔的結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱,其產(chǎn)生的激光在各個(gè)方向具有相同的輸出能力,因此存在激光利用率低等問題。為了滿足光電子器件中所遇到得如增加光收集效率、提升元件的集成度、增加器件的靈敏度、延長器使用壽命等要求,以回音壁微腔為基礎(chǔ)的各種變形微諧振腔的研究日益增多。傳統(tǒng)微腔制備技術(shù),如紫外光刻,主要適用于平面微腔的制備,在三維微腔制備中只能通過層狀方法一層一層加工,這顯著限制了立體變形微腔形貌選擇和應(yīng)用。近年來,飛秒激光加工技術(shù)逐漸興起,該技術(shù)可以通過逐點(diǎn)掃描的方式制備具有復(fù)雜空間構(gòu)型微納器件制備,并具有超高空間分辨率,加工材料適用范圍廣等特點(diǎn)。因此,本論文工作主要是研究利用飛秒激光加工技術(shù)制備具有復(fù)雜構(gòu)型的有源三維變形微腔,并研究它們的激射特性。我們選用化學(xué)、生物兼容性良好以及成本低廉的軟質(zhì)聚合物膠體作為主要腔體材料,將激光染料作為增益介質(zhì)摻入到光刻膠中,首先利用自組裝方法制備了金屬半球微腔,實(shí)現(xiàn)了回音壁模式激射,并研究微腔中回音壁振蕩模式與金屬SPP模式耦合對(duì)微腔諧振模式的影響;我們隨后利用飛秒激光加工方法制備出帶有支撐底座的螺旋圓盤變形微諧振腔,實(shí)現(xiàn)了低激光閾值單向輸出。我們進(jìn)一步利用飛秒激光加工制備制備出含有變形腔與回音壁腔豎直堆疊的立體復(fù)雜構(gòu)型的復(fù)合微諧振腔,并利用微腔間的耦合作用實(shí)現(xiàn)了具有單一模式和單一方向的激光輸出。最后,我們研究了如何利用飛秒激光遠(yuǎn)程、快速制備微納結(jié)構(gòu)的可行性,并在硅晶體表面制備出具有多孔微結(jié)構(gòu)的寬帶低反射黑硅表面。本論文主要?jiǎng)?chuàng)新工作總結(jié)如下:1.在具有超疏水層的襯底表面,利用液滴自身重力與表面張力的平衡制備了表面光滑的、穩(wěn)定的半球微腔。通過對(duì)室溫下的激射光譜的分析,產(chǎn)生的激光諧振來自半球微腔內(nèi)的回音壁振蕩模式。另外,通過真空蒸鍍的方法,在其表面覆蓋一層銀膜制備了金屬半球微腔。由于回音壁與金屬SPP模式耦合,使得諧振腔模產(chǎn)生了藍(lán)移的現(xiàn)象,形成的激光閾值明顯提升。我們隨后理論分析了表面銀膜對(duì)微腔諧振模式以及光場能量分布產(chǎn)生的影響。2.利用飛秒激光加工技術(shù)制備了曲率不斷增加的螺旋圓盤微腔。通過對(duì)形變參數(shù)的控制可以制備出不同尺寸的螺旋端口。利用皮秒激光器作為泵浦光源,搭建了微諧振腔的泵浦系統(tǒng)。我們也搭建了光譜儀探測系統(tǒng),并利用該系統(tǒng)探測了初始半徑為15μm,端口尺寸為1μm的螺旋圓盤的激射光譜,獲得了激射功率閾值。我們進(jìn)一步通過測量不同旋轉(zhuǎn)角度下的激射強(qiáng)度,得到了激光遠(yuǎn)場強(qiáng)度分布情況,表明該螺旋微腔在沿著端口方向具有較強(qiáng)的激光定向出射能力。3.利用飛秒激光加工技術(shù)直接在高反襯底表面制備了不同的微腔激光器。對(duì)單個(gè)圓盤微腔、圓環(huán)微腔和螺旋環(huán)微腔的激光光譜和激射閾值能量的對(duì)比,制備了兩種垂直耦合的復(fù)合微腔。測試其激光遠(yuǎn)場的強(qiáng)度分布,表明都具有沿著螺旋端口方向定向出射激光的能力。通過對(duì)激射模式、Q值和激射閾值的對(duì)比和分析,發(fā)現(xiàn)在復(fù)合微腔中,底層WGM模式微腔提供激光振蕩,頂層螺旋環(huán)微腔提供激光定向出射窗口的作用,并且只有同時(shí)滿足上下兩層微腔的諧振條件的模式才能被放大最終形成激光輸出。在螺旋環(huán)與圓環(huán)垂直堆疊的復(fù)合微腔中,我們實(shí)現(xiàn)了具有單一波長、較低閾值能量和具有一定方向性的激光輸出。4.利用飛秒激光光絲在單晶硅表面實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程、快速的微納結(jié)構(gòu)制備。飛秒激光光絲通道內(nèi)超高的激光強(qiáng)度可以在硅片表面制備出多孔無規(guī)則分布的微納結(jié)構(gòu),通過光絲與硅片的相互作用過程中,在其表面引入了一定的氧元素以及產(chǎn)生了大量的無定型硅,并且在波長為200nm到2500nm的寬譜范圍內(nèi),顯著提升了其對(duì)光的限制能力。使用不同焦距會(huì)聚透鏡成絲,均可在硅片表面制備出類似的微納結(jié)構(gòu),并且展示出相似的光吸收率,表明飛秒激光光絲微加工具有較好的快捷性、遠(yuǎn)程性、重復(fù)性和穩(wěn)定性。
[Abstract]:In order to meet the requirements of high quality factor and small mode volume , the micro - cavity with complex structure can be prepared by using femtosecond laser processing technology . A micro - cavity laser with different sizes is prepared by using femtosecond laser processing technology .

【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TN25;TN249

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本文編號(hào)：1676140