電子技術(shù)自誕生以來就以超快的速率發(fā)展,并引領(lǐng)了人類歷史的第三次工業(yè)革命,給人類的生產(chǎn)和生活帶來了翻天覆地的變化。然而近些年來,隨著集成電路器件尺寸的進(jìn)一步減小和集成密度的進(jìn)一步增加,電子熱噪聲的影響越來越顯著,致使集成電路的發(fā)展已不符合摩爾定律的預(yù)測,速率逐漸減緩下來。人們?yōu)榱送黄七@個瓶頸嘗試了多種解決方案,而關(guān)注度較高的一個方案是集成光路。由于集成光路以光子作為載體,具有更快的傳播速率、更高的信息負(fù)載量和更低的損耗等優(yōu)勢,被認(rèn)為是未來創(chuàng)新科學(xué)技術(shù)的方向。因此集成光子芯片具有廣闊的研究前景。飛秒激光直寫技術(shù)具有高精度、高設(shè)計度和真三維的優(yōu)點,在復(fù)雜三維微納結(jié)構(gòu)的制備上具有不可替代的優(yōu)勢,因此本文主要介紹聚合物集成微納光子器件的飛秒激光制備及性能研究。在集成光子芯片中主要包含集成光源、微光學(xué)元件、光波導(dǎo)、光信息處理器件和光探測器等光子器件。本論文重點研究了可作為集成光源的有源回音壁微腔激光器的飛秒激光制備及性能,且利用飛秒激光對聚合物折射率的調(diào)制作用制備了基于折射率調(diào)制的微諧振腔、微光學(xué)透鏡和光波導(dǎo)等微光子器件,并初步探索了利用飛秒激光直寫技術(shù)制備集成聚合物光子芯片的基礎(chǔ)工作,為將來聚合物集成光子芯片的制備做研究儲備。本論文的主要創(chuàng)新點概括為以下幾點:1.利用飛秒激光直寫技術(shù)制備了四種耦合間距不同的摻羅丹明B的光子分子微諧振腔,并且在532nm皮秒脈沖激光的泵浦下產(chǎn)生了穩(wěn)定的回音壁模式(Whispering-Gallery-Mode,WGM)激光振蕩模式。在研究和比較了四種耦合間距光子分子諧振腔的激射光譜和閾值特性后得出,在兩個單盤未相交時,耦合距離越近微腔模式耦合作用越強,激光主諧振模式的增強和次諧振模式的抑制作用越強,閾值相應(yīng)地越低;在兩個單盤相交后,相交越多微腔的WGM模式被破壞得越嚴(yán)重,對激光主諧振模式的增強和次諧振模式的抑制作用越弱,閾值也相應(yīng)地升高,且在相交到一定程度時可輸出單模激光。2.提出了使用具有濕度響應(yīng)特性的PEGDA水凝膠作為微諧振腔的材料,以羅丹明B作為諧振腔激光增益介質(zhì)和雙光子聚合的光引發(fā)劑,利用飛秒激光直寫技術(shù)制備了水凝膠微盤諧振腔。水凝膠微腔具有良好的濕度響應(yīng)特性,在環(huán)境濕度增大時可以吸收水分子導(dǎo)致體積膨脹,在環(huán)境濕度降低時失水導(dǎo)致體積收縮。微腔在532nm皮秒激光泵浦下,實現(xiàn)了良好的WGM激光模式輸出,且微腔Q值達(dá)到了2.8×10~3的較高水平。由于水凝膠微腔的尺寸隨著環(huán)境濕度變化而變化,導(dǎo)致其在不同的相對濕度環(huán)境下的激光諧振波長不一樣。實驗證明了在相對濕度為25%-65%范圍內(nèi)水凝膠微腔的諧振波長隨著濕度增加近似線性地紅移,波長紅移量為1.72nm。我們利用飛秒激光直寫技術(shù)制備的PEGDA水凝膠微腔可以實現(xiàn)43.11pm/%RH的較高靈敏度的環(huán)境濕度傳感。3.研究了飛秒激光誘導(dǎo)聚合物折射率的變化量與飛秒激光掃描次數(shù)的關(guān)系,并且通過加工尺寸相同掃描次數(shù)不同的微透鏡,測量焦距后求解得到折射率改變量與激光掃描次數(shù)的粗略關(guān)系。隨著激光掃描次數(shù)增加,飛秒激光誘導(dǎo)聚合物折射率改變量增加,直到達(dá)到聚合物的最大聚合程度。我們基于飛秒激光對折射率的調(diào)控作用,加工了不同尺寸的階梯折射率(Gradient Refractive Index,GRIN)微透鏡和準(zhǔn)微環(huán)單模激光器。另我們利用大量程氣浮飛秒加工系統(tǒng)在聚合物內(nèi)部通過多次掃描制備了厘米量級的光波導(dǎo)及耦合器件,并且實現(xiàn)了良好的導(dǎo)光作用。此方法可在集成光子芯片上一步集成任意三維光子器件。4.通過實驗證明了水凝膠結(jié)構(gòu)的膨脹/收縮能力與激光掃描間距近似地呈現(xiàn)正比例的關(guān)系�；诖藢嶒灲Y(jié)果,設(shè)計了上下兩層掃描間距不同的水凝膠平凸微透鏡,并且在水中上下兩層膨脹率相同而得到單一焦點;在空氣中時,上層間距大的結(jié)構(gòu)比下層間距小的收縮率更大,致使平凸透鏡呈現(xiàn)兩個曲面而得到兩個焦點。我們利用飛秒激光制備的非均勻水凝膠微透鏡在不同環(huán)境下可智能地轉(zhuǎn)換單焦點和雙焦點兩種狀態(tài),可應(yīng)用于運動物體的實時動態(tài)成像。綜上,本論文主要是基于飛秒激光直寫技術(shù)的方法,制備了有源回音壁微腔激光器、微光學(xué)透鏡、光波導(dǎo)及耦合器等集成微納光子器件,并嘗試了在片上集成聚合物微納光子器件,為將來聚合物光子芯片的制備提供一種解決方案。
【學(xué)位單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN249
【文章目錄】：
摘要
abstract
第1章 緒論
    1.1 集成光子芯片
        1.1.1 集成光子芯片簡介
        1.1.2 集成光子器件
        1.1.3 集成光子芯片的應(yīng)用
    1.2 微諧振腔激光器
        1.2.1 微諧振腔的分類
        1.2.2 微諧振腔的特征參數(shù)
        1.2.3 微諧振腔的應(yīng)用
    1.3 飛秒激光直寫技術(shù)簡介
        1.3.1 飛秒激光加工原理
        1.3.2 飛秒激光加工的應(yīng)用
    1.4 飛秒激光直寫光子芯片
        1.4.1 飛秒激光誘導(dǎo)材料折射率改變
        1.4.2 飛秒激光直寫光/量子芯片的現(xiàn)狀
    1.5 本章小節(jié)和本文主要工作
        1.5.1 本章小結(jié)
        1.5.2 本文主要工作
第2章 聚合物光子分子微腔激光器的制備及性能研究
    2.1 光子分子回音壁微腔
    2.2 光子分子微腔的制備
        2.2.1 光刻膠的準(zhǔn)備
        2.2.2 飛秒激光直寫系統(tǒng)
        2.2.3 飛秒激光直寫技術(shù)制備光子分子微腔
    2.3 光子分子微腔的形貌表征
    2.4 微腔激射測試系統(tǒng)
    2.5 光子分子微腔的激射光譜分析
        2.5.1 不同耦合間距的光子分子微腔的激射光譜
        2.5.2 不同耦合距離的光子分子微腔的激射閾值
    2.6 本章小節(jié)
第3章 可伸縮濕度響應(yīng)PEG-DA水凝膠微諧振腔的制備及其傳感應(yīng)用
    3.1 PEG-DA水凝膠材料簡介
        3.1.1 水凝膠的分類
        3.1.2 水凝膠的交聯(lián)方式
        3.1.3 水凝膠的應(yīng)用
    3.2 水凝膠微腔的制備及表征
        3.2.1 水凝膠光刻膠的準(zhǔn)備
        3.2.2 飛秒振蕩器直寫水凝膠微腔
        3.2.3 水凝膠微腔的形貌表征
        3.2.4 水凝膠微盤的濕度響應(yīng)測試
    3.3 水凝膠微腔的激射特性研究
        3.3.1 水凝膠微腔的激射光譜
        3.3.2 水凝膠微腔的閾值特性
        3.3.3 水凝膠微腔的FSR和 Q值
    3.4 水凝膠微腔的濕度傳感特性
    3.5 本章小結(jié)
第4章 基于折射率調(diào)控的聚合物集成光子器件研究
    4.1 引言
    4.2 飛秒激光調(diào)控聚合物材料的研究
        4.2.1 飛秒激光誘導(dǎo)材料折射率改變的原理
        4.2.2 飛秒激光誘導(dǎo)折射率改變量與掃描次數(shù)的關(guān)系
    4.3 飛秒激光直寫技術(shù)制備基于折射率調(diào)控的微光子器件
        4.3.1 梯度折射率(GRIN)微透鏡
        4.3.2 準(zhǔn)微環(huán)單模激光器
    4.4 飛秒激光直寫聚合物光子芯片
        4.4.1 飛秒激光直寫聚合物光波導(dǎo)
        4.4.2 飛秒激光直寫聚合物定向耦合器
    4.5 本章小結(jié)
第5章 智能轉(zhuǎn)換的單焦點和多焦點PEGDA水凝膠微透鏡的制備及性能研究
    5.1 引言
    5.2 飛秒激光掃描間距對PEGDA水凝膠膨脹率的影響研究
        5.2.1 水凝膠膨脹率測試結(jié)構(gòu)的制備
        5.2.2 掃描間距對水凝膠結(jié)構(gòu)膨脹率的影響
    5.3 可智能轉(zhuǎn)換焦點數(shù)的水凝膠微透鏡的制備
    5.4 水凝膠微透鏡在不同環(huán)境中聚焦?fàn)顟B(tài)的研究
        5.4.1 水凝膠微透鏡在水中的聚焦?fàn)顟B(tài)
        5.4.2 水凝膠微透鏡在空氣中的聚焦?fàn)顟B(tài)
    5.5 本章小節(jié)
第6章 總結(jié)與展望
參考文獻(xiàn)
作者簡介及在學(xué)期間發(fā)表文章
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    在學(xué)期間發(fā)表文章
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本文編號：2840667