21世紀(jì)以來,信息技術(shù)的發(fā)展和人們對于寬帶網(wǎng)絡(luò)需求的增長對信息傳播和處理技術(shù)提出了更高的要求。隨著集成電路硅基半導(dǎo)體工藝逼近理論極限,發(fā)展集成光路,即以光子或光電子為信息載體,給未來信息技術(shù)提供了新的可能性。其中如何在諸如玻璃等光透明材料中精確制備微納結(jié)構(gòu),使其具有特定的光學(xué)性能,是發(fā)展集成光路技術(shù)道路上的首要課題之一。而利用飛秒激光直寫加工技術(shù)可以在材料內(nèi)部精確誘導(dǎo)各種光功能微納結(jié)構(gòu),這將極大地促進(jìn)集成光路技術(shù)的發(fā)展。本文針對飛秒激光誘導(dǎo)微納結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象和表征進(jìn)行了研究,制備了一系列含堿金屬氧化物玻璃,在其內(nèi)部誘導(dǎo)了多種微納結(jié)構(gòu),系統(tǒng)研究了這些微納結(jié)構(gòu)的性能和形成機(jī)理。本文的主要研究成果和結(jié)論如下:1、在透明玻璃內(nèi)部利用高重復(fù)頻率飛秒激光照射誘導(dǎo)出現(xiàn)微氣泡結(jié)構(gòu)。對微氣泡結(jié)構(gòu)的形貌,尺寸和空間分布進(jìn)行了表征。研究了不同加工參數(shù)對微氣泡形成與空間分布的影響。控制微氣泡產(chǎn)生的機(jī)理,認(rèn)為是飛秒激光照射過程中空氣與玻璃樣品間的折射率失配以及多種非線性效應(yīng)引起的激光焦點(diǎn)能量重新分布導(dǎo)致的。研究了微氣泡的產(chǎn)生位置與高重復(fù)頻率飛秒激光誘導(dǎo)的光場分布的關(guān)系。同時(shí),還觀察到出現(xiàn)的微氣泡在激光照射區(qū)域的定向運(yùn)動,認(rèn)為是玻璃熔體中有熱對流的存在。利用高重復(fù)頻率飛秒激光照射制備的區(qū)域選擇性微氣泡結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用于微腔激光器以及微型光開關(guān)等光學(xué)元器件。2、利用低重復(fù)頻率飛秒激光照射在不同堿金屬含量玻璃內(nèi)部誘導(dǎo)納米光柵現(xiàn)象。系統(tǒng)研究了納米光柵結(jié)構(gòu)的形貌與尺寸對飛秒激光參數(shù),照射方式的關(guān)系。對納米光柵結(jié)構(gòu)形成的機(jī)理進(jìn)行了研究,認(rèn)為是玻璃材料對飛秒激光脈沖能量的非線性吸收與半永久性缺陷相互作用的結(jié)果。利用低重復(fù)頻率飛秒激光直寫技術(shù)在特定堿金屬含量的玻璃內(nèi)部誘導(dǎo)了獨(dú)特的長周期納米光柵結(jié)構(gòu)。對納米光柵結(jié)構(gòu)的形貌和雙折射性能進(jìn)行了表征,證明玻璃樣品中堿金屬含量對上述形貌和性能有很大影響。利用低重復(fù)頻率飛秒激光照射制備的納米光柵結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用于高密度光存儲以及集成光芯片等領(lǐng)域。3、系統(tǒng)研究了不同重復(fù)頻率飛秒激光照射在不同玻璃體系內(nèi)部誘導(dǎo)的元素重新分布現(xiàn)象。在摻堿金屬氧化物的鍺酸鹽玻璃內(nèi),觀察到了飛秒激光重復(fù)頻率對玻璃微區(qū)成分和玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的影響。對其形成機(jī)理進(jìn)行了分析,認(rèn)為是不同重復(fù)頻率飛秒激光作用下以脈沖能量和溫度場的差異造成的。并且首次觀察到在低重復(fù)頻率飛秒激光誘導(dǎo)下產(chǎn)生的離子遷移現(xiàn)象。在摻稀土金屬氧化物的碲酸鹽玻璃中,在低重復(fù)頻率下也觀察到元素重新分布現(xiàn)象。在高重復(fù)頻率飛秒激光照射區(qū)域內(nèi),玻璃材料的密度發(fā)生了變化,但相對組分含量的空間分布沒有發(fā)生變化。我們認(rèn)為是碲酸鹽玻璃融體特定的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)所造成的。利用不同重復(fù)頻率飛秒激光輻照誘導(dǎo)元素重新分布,我們可以改變玻璃材料內(nèi)部微區(qū)的成分,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)光學(xué)性能等的空間選擇性操控。這對于制備光波導(dǎo)等集成光學(xué)器件具有重要的意義。
【學(xué)位單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TQ171.1
【部分圖文】：

到ＴＷ甚至ＰＷ。??啁啾豚沖放大技術(shù)是一種先將脈沖寬度進(jìn)行短暫的展寬，再將脈沖能量進(jìn)行??放大的技術(shù)。其工作原理如圖２．２所示［６］。具體的步驟如下，如圖２．４：??ｏｒｉｇｉｎｓ］?ｐｕｌｓｅｓ?ｙ??Ｌ?ｆ?ｆ?ｌ??圖２．２基于光柵組合的展寬器示意圖［６］??Ｆｉｇ．?２．２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｌａｙｏｕｔ?ｏｆ?ａ?ｇｒａｔｉｎｇ－ｂａｓｅｄ?ｓｔｒｅｔｃｈｅｒ??１?ｐ＾ｓ｜＼??Ｉ?Ｄｉｓｐｅｒｓｅｄ?ｐｕｌｓｅｓ?＼?＇??魯｜??圖２．３基于棱鏡組合的展寬器示意圖［６】??Ｆｉｇ．?２．３?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｌａｙｏｕｔ?ｏｆ?ａ?ｐｒｉｓｍ－ｂａｓｅｄ?ｓｔｒｅｔｃｈｅｒ??１、將飛秒激光振蕩器輸出的低能量的超短脈沖首先引入由正色散元件組成??的脈沖展寬器，（可以由圖２．２的光柵組合實(shí)現(xiàn)，即Ｍａｒｔｉｎｅｚ型反平行光柵對［１８］；??也可以由圖２．３的棱鏡組合實(shí)現(xiàn)），經(jīng)過展寬器以后，激光脈沖高頻率部分滯后??于低頻率部分，產(chǎn)生正啁啾，從而實(shí)現(xiàn)脈沖的展寬，其展寬系數(shù)在１〇３至１〇５之??丨、司；??＇２、經(jīng)過展寬后的激光脈沖已不會破壞增益介質(zhì)，將脈沖引入放大器中進(jìn)行??能量放大，其放大系數(shù)可以達(dá)到１〇６，甚至更高；??３、經(jīng)過能量放大后的激光脈沖再次進(jìn)入由負(fù)色散元件組成的脈沖壓縮器中??進(jìn)行壓縮（如Ｔｒｅａｃｙ型平行光柵對［１９］）

到ＴＷ甚至ＰＷ。??啁啾豚沖放大技術(shù)是一種先將脈沖寬度進(jìn)行短暫的展寬，再將脈沖能量進(jìn)行??放大的技術(shù)。其工作原理如圖２．２所示［６］。具體的步驟如下，如圖２．４：??ｏｒｉｇｉｎｓ］?ｐｕｌｓｅｓ?ｙ??Ｌ?ｆ?ｆ?ｌ??圖２．２基于光柵組合的展寬器示意圖［６］??Ｆｉｇ．?２．２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｌａｙｏｕｔ?ｏｆ?ａ?ｇｒａｔｉｎｇ－ｂａｓｅｄ?ｓｔｒｅｔｃｈｅｒ??１?ｐ＾ｓ｜＼??Ｉ?Ｄｉｓｐｅｒｓｅｄ?ｐｕｌｓｅｓ?＼?＇??魯｜??圖２．３基于棱鏡組合的展寬器示意圖［６】??Ｆｉｇ．?２．３?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｌａｙｏｕｔ?ｏｆ?ａ?ｐｒｉｓｍ－ｂａｓｅｄ?ｓｔｒｅｔｃｈｅｒ??１、將飛秒激光振蕩器輸出的低能量的超短脈沖首先引入由正色散元件組成??的脈沖展寬器，（可以由圖２．２的光柵組合實(shí)現(xiàn)，即Ｍａｒｔｉｎｅｚ型反平行光柵對［１８］；??也可以由圖２．３的棱鏡組合實(shí)現(xiàn)），經(jīng)過展寬器以后，激光脈沖高頻率部分滯后??于低頻率部分，產(chǎn)生正啁啾，從而實(shí)現(xiàn)脈沖的展寬，其展寬系數(shù)在１〇３至１〇５之??丨、司；??＇２、經(jīng)過展寬后的激光脈沖已不會破壞增益介質(zhì)，將脈沖引入放大器中進(jìn)行??能量放大，其放大系數(shù)可以達(dá)到１〇６，甚至更高；??３、經(jīng)過能量放大后的激光脈沖再次進(jìn)入由負(fù)色散元件組成的脈沖壓縮器中??進(jìn)行壓縮（如Ｔｒｅａｃｙ型平行光柵對［１９］）

?相比于長脈沖激光誘導(dǎo)微納結(jié)構(gòu)，飛秒激光在透明材料內(nèi)部誘導(dǎo)微納結(jié)構(gòu)主??要是基于非線性效應(yīng)，如圖２．５所示，因?yàn)轱w秒激光中的光子能量不足以引起材??料中的電子躍迀［２３］。為了在材料中產(chǎn)生非線性吸收，需要飛秒激光脈沖的電場??強(qiáng)度與原子中價(jià)電子的結(jié)合強(qiáng)度大致相等，大約是１０９?Ｖｍ＇這相當(dāng)于激光的??強(qiáng)度要述到５Ｍ０２０?Ｗｍ＿２。為了達(dá)到如此高的能量密度，需要很高的激光脈沖能??量以及對激光脈沖的強(qiáng)聚焦。例如，必須將一個(gè)脈沖強(qiáng)度為１?ｎＪ，脈沖持續(xù)時(shí)間??為ｌＯＯｆｓ的激光聚焦到２００?ｐｍ２的范圍內(nèi)。強(qiáng)聚焦以及非線性吸收的特點(diǎn)，使得??飛秒激光與材料相互作用過程中，可以避免材料表面對激光脈沖能量的吸收，從??而將誘導(dǎo)的微納結(jié)構(gòu)局哏在材料內(nèi)部激光聚焦區(qū)域內(nèi)，最小可誘導(dǎo)產(chǎn)生０．００８??ｐｍ３的結(jié)構(gòu)。在激光照射過程中
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