隨著近幾十年超短脈沖激光系統(tǒng)的發(fā)展與成熟,超短脈沖在材料微納加工中的各項(xiàng)研究工作也迅速開展起來,人們?nèi)〉昧素S富的成果。具體來說,有基于多光子光致聚合效應(yīng),激光誘導(dǎo)前向轉(zhuǎn)移等技術(shù)的3D增材制造;基于超短脈沖燒蝕(融化和去除)的材料切割、鉆孔,異質(zhì)焊接、表面清洗,和激光誘導(dǎo)周期表面結(jié)構(gòu);基于對透明介質(zhì)內(nèi)材料改性(折射率改變)的光波導(dǎo)直寫以及復(fù)雜光子器件制造等應(yīng)用。本論文在超短脈沖激光微納加工的范疇內(nèi),主要開展了超短脈沖激光在光學(xué)玻璃中直寫大模場、單模特性的擴(kuò)展芯微結(jié)構(gòu)光波導(dǎo),以及在熔石英玻璃表面加工無錐角、中、小縱深比(3-60)微通道兩方面的實(shí)驗(yàn)研究,主要的工作內(nèi)容和創(chuàng)新成果包括:1.提出了采用飛秒直寫技術(shù)制作單模大模場擴(kuò)展芯微結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)(Expanded-core Waveguide,ECW)方法,理論分析了ECW的光波導(dǎo)特征,在熔石英玻璃中實(shí)驗(yàn)制備了ECW波導(dǎo)和Y型ECW波導(dǎo)分束器,模場直徑～30μm、傳輸損耗～0.1 dB/cm。2.在Yb~(3+)磷酸鹽玻璃中刻寫I類單芯波導(dǎo),并于1029 nm處實(shí)現(xiàn)了最高11 mW、斜效率2%的波導(dǎo)激光輸出;將ECW概念擴(kuò)展至Yb~(3+)磷酸鹽增益玻璃中,有效提高了光子波導(dǎo)器件加工效率,獲得了模場直徑優(yōu)于單芯波導(dǎo)3倍以上的單模運(yùn)轉(zhuǎn)ECW,為實(shí)現(xiàn)高功率單模波導(dǎo)激光器奠定了基礎(chǔ)。3.在Matlab中仿真研究了入射光波的波前振幅、相位畸變、光束失準(zhǔn)直等因素對貝塞爾光束質(zhì)量的影響。4.空氣環(huán)境中使用單發(fā)脈沖的高斯-貝塞爾光束在熔石英玻璃前表面進(jìn)行了微通道加工的實(shí)驗(yàn)研究,確定了最優(yōu)的加工條件為微焦耳脈沖能量和1 ps脈沖寬度,制造了平均直徑～1μm,長度～40μm,表面質(zhì)量良好的高圓柱度微通道。該結(jié)果在微米尺度、中縱深比的表面結(jié)構(gòu)化領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。5.基于標(biāo)量菲涅爾衍射理論,數(shù)值仿真研究了環(huán)縫在截?cái)嘭惾麪柟馐股钫{(diào)控方面的能力;實(shí)驗(yàn)研究了截?cái)嘭惾麪柟馐谌凼⒉Ａ氨砻嫖⑼ǖ兰庸ぶ械膮?shù)優(yōu)化,通過掃描截?cái)嘭惾麪柟馐膮?shù),在熔石英玻璃前表面實(shí)現(xiàn)了對微通道直徑從～300 nm到～2μm、深度從～1μm到～30μm的有效調(diào)控。展示了截?cái)嘭惾麪柟馐趤單⒚壮叨取⒌涂v深比應(yīng)用中:如直寫光子晶體或超材料制造方面的潛力。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN24
【部分圖文】：

電子通過逆韌致輻射在激光電場中繼續(xù)獲得能量，之后通過碰撞其他價(jià)帶電子激發(fā)出更多的導(dǎo)帶電子，進(jìn)而形成自由電子數(shù)密度的雪崩增長（雪崩電離），產(chǎn)生微等離子體。當(dāng)?shù)入x子體（電子）密度超過臨界值 時(shí)，將強(qiáng)烈吸收激光脈沖的能量，稱此時(shí)達(dá)到了材料的光學(xué)擊穿閾值[17-20]，等離子體密度臨界值的定義為 ，其中 為激光頻率， 為真空介電常數(shù)， 和 分別為電子質(zhì)量和電荷。激光能量可以在 fs 時(shí)間尺度內(nèi)快速沉積到光學(xué)材料的電子系統(tǒng)中，其后陸續(xù)發(fā)生能量的馳豫。在大約 ps 時(shí)間尺度內(nèi)，能量將從電子系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到晶格中，等離子體（固體）的快速復(fù)合使得材料內(nèi)的局部區(qū)域迅速被加熱，同時(shí)釋放出熱彈性波。在 ns 到 ms 的尺度上，熱傳導(dǎo)開始發(fā)揮作用，這一階段流體力學(xué)和機(jī)械彈性波主導(dǎo)了輻照區(qū)材料的最終改性結(jié)果，包括：材料的致密或稀疏，無定型態(tài)或微晶產(chǎn)生，折射率增加或減小，微納自組織結(jié)構(gòu)，真空產(chǎn)生等。圖 1.1 給出了上述不同過程的特征時(shí)間分布[21]。

快激光輻照固體表面后不同時(shí)間、空間尺度下共存的燒蝕機(jī)理。(引自The coexisting ablation mechanism at different time and space scales whsurface of a general solid was irradiated by the ultrafast laser.脈沖激光聚焦在固體材料表面時(shí)，可以直接引起材料的去除或明，當(dāng)脈沖寬度小于10 ps時(shí)，材料加工可以擁有精確的燒蝕閾料中超短脈沖激光誘導(dǎo)的燒蝕機(jī)理目前仍存在廣泛的爭論，幾種主要機(jī)制有庫倫爆，解離，相爆，碎裂[23-32]，將這幾種間和不同深度列舉在圖 1.2 中。其中 I 區(qū)域非常靠近材料的表最高強(qiáng)度的激光輻照，當(dāng)光場足夠強(qiáng)時(shí)，能夠?qū)⒉牧现械碾娂す饧ぐl(fā)后最初的幾百 fs 時(shí)間內(nèi)，距離材料表面幾個(gè) nm 的爆。位于 II 區(qū)域的材料由于電子-晶格能量馳豫，達(dá)到超高此在幾十 ps（具體值和特定材料固有的電子-聲子耦合特性相

1.3 飛秒激光在玻璃中直寫波導(dǎo)的示意圖。（a）波導(dǎo)的側(cè)面顯微圖像。（b）縱向?qū)懭氩▽?dǎo)的橫截面圖像。（c）橫向?qū)懭霑r(shí)波導(dǎo)的橫截面圖像。(引自[33])gure 1.3 Schematic diagram of direct waveguide writing in glass by femtosecond laserdeview of the waveguide. (b)Cross section image of the waveguide in longitudinal writmode and (c) transverse writing mode.
【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 趙維謙;唐芳;邱麗榮;劉大禮;;軸對稱矢量光束聚焦特性研究現(xiàn)狀及其應(yīng)用[J];物理學(xué)報(bào);2013年05期

2 孫大睿,宋晏蓉,張志剛,劉永軍,柴路,王清月;用于飛秒脈沖放大器的馬丁內(nèi)茲展寬器與歐浮納展寬器性能比較[J];物理學(xué)報(bào);2003年04期

本文編號：2843152