飛秒激光在透明玻璃及金屬膜中制備光功能微結(jié)構(gòu).pdf

1、隨著激光技術(shù)的發(fā)展，近些年飛秒激光技術(shù)作為一種新興的技術(shù)也越來越完善。因?yàn)轱w秒激光脈沖通過多光子吸收機(jī)制能夠得到免損傷、高質(zhì)量的結(jié)果，飛秒激光正在逐漸成為一種在各種材料中顯微加工光功能結(jié)構(gòu)的強(qiáng)有力工具，到目前為止，通過飛秒激光直掃技術(shù)及全息加工技術(shù)，已經(jīng)有很多高質(zhì)量的光功能器件被加工出來，比如光波導(dǎo)、微光柵、光子晶體、以及一些光學(xué)衍射元件等。在本論文中，我們提出了幾種加工光功能微結(jié)構(gòu)的方法。同時(shí)，也給出了有關(guān)飛秒激光脈沖與材料相互作用過

2、程的全面物理解釋。具體的細(xì)節(jié)工作被總結(jié)如下所示：
　　豐富了激光與透明玻璃相互作用的理論。使用同源脈沖在材料表面相干的技術(shù)，我們?cè)诓牧媳砻娴玫搅瞬煌奈⒔Y(jié)構(gòu)。使用同源雙脈沖相干，不但在硅酸鹽玻璃表面得到周期符合理論計(jì)算公式d=λ/[2 sin(θ/2)]的常規(guī)微光柵，還得到了一種周期是常規(guī)光柵一半的非常規(guī)光柵。這種非常規(guī)光柵的深度也基本上達(dá)到常規(guī)光柵的一半。這種非常規(guī)光柵形成在常規(guī)光柵的每一個(gè)凸起槽上，我們認(rèn)為非常規(guī)光柵形成是由于

3、飛秒激光在介質(zhì)中產(chǎn)生了非線性效應(yīng)，產(chǎn)生了二次諧波所造成的。
　　我們還研究了同源三脈沖在硅酸鹽玻璃表面相干方面的實(shí)驗(yàn)，得到了二維六邊形分布的周期性微結(jié)構(gòu)，我們使用原子力顯微鏡(AFM)對(duì)這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示微結(jié)構(gòu)的周期與推導(dǎo)公式計(jì)算的結(jié)果符合得很好。使用400nm的激光直射到這個(gè)微結(jié)構(gòu)上，得到的衍射結(jié)果顯示出這種結(jié)構(gòu)可以作為光束分束器，并且，一級(jí)衍射效率達(dá)到16.42％。當(dāng)激光脈沖能量改變時(shí)，所形成的微結(jié)構(gòu)的形貌也發(fā)生了改

4、變。當(dāng)脈沖能量比較高的時(shí)候，二維周期性微孔將會(huì)形成在玻璃樣品的表面，然而，當(dāng)脈沖能量比較低時(shí)，二維周期性中空薄圓臺(tái)結(jié)構(gòu)將會(huì)形成在樣品表面。我們建立了一套理論模型來解釋這種實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這種所形成的微結(jié)構(gòu)形貌隨激光脈沖能量的變化是由于光壓對(duì)等離子體的作用機(jī)制及激光熔融材料的馬朗戈尼效應(yīng)機(jī)制的共同作用的結(jié)果。
　　提出一種實(shí)現(xiàn)光學(xué)渦旋的新方法，并實(shí)現(xiàn)光子軌道角動(dòng)量疊加。提出了一種通過利用飛秒激光在硅酸鹽玻璃中直寫計(jì)算全息圖的全新的方法，實(shí)

5、現(xiàn)光學(xué)渦旋。這種通過飛秒激光誘導(dǎo)玻璃體內(nèi)產(chǎn)生微爆的方法，不需要任何的材料預(yù)、后處理能夠把光渦旋的計(jì)算全息圖直寫入透明玻璃體內(nèi)。使用一束準(zhǔn)直的He-Ne激光斜入射到所加工的計(jì)算全息圖上，再現(xiàn)出了包括透射與反射衍射模式的光渦旋，總的衍射效率也達(dá)到了4.79%。
　　提出一種利用飛秒激光脈沖在硅酸鹽玻璃中加工組合計(jì)算全息圖的新方法去實(shí)現(xiàn)光子軌道角動(dòng)量的疊加。首先，我們先得到兩個(gè)渦旋的計(jì)算全息圖，再把他們按照設(shè)定的方式組合起來得到組合計(jì)算

6、全息圖。然后，利用飛秒激光脈沖把組合計(jì)算全息圖直接寫入到玻璃中。再使用一準(zhǔn)直的He-Ne激光直射到組合計(jì)算全息圖上，我們得到了攜帶不同拓?fù)浜傻臏u旋光束(包括一些新的拓?fù)浜?。對(duì)于新拓?fù)浜傻漠a(chǎn)生，我們也給出了理論、實(shí)驗(yàn)解釋。
　　在金屬膜上實(shí)現(xiàn)了計(jì)算全息光存儲(chǔ)。從理論、實(shí)驗(yàn)上研究了飛秒激光與金屬膜之間的相互作用。在飛秒脈沖與金膜相互作用的時(shí)候，金屬膜上所形成的微結(jié)構(gòu)形貌隨著激光脈沖能量的變化而變化，當(dāng)激光脈沖能量比較大的時(shí)候，能夠得

7、到金屬膜上的燒蝕孔，然而，當(dāng)激光脈沖的能量足夠小的時(shí)候，我們?cè)诮饘倌ど系玫搅思{米錐結(jié)構(gòu)。當(dāng)飛秒脈沖與鋁膜相互作用的時(shí)候，我們不僅在鋁膜上得到燒蝕孔，而且還在玻璃基底上形成了納米級(jí)的微孔，這也許又將提供一種納米加工的全新途徑。
　　借助于計(jì)算全息的方法，我們使用飛秒脈沖把光信息存儲(chǔ)在金屬膜上。首先在計(jì)算機(jī)上對(duì)一物光波進(jìn)行傅立葉變換，然后使用迂回相位編碼方法，對(duì)所得到的復(fù)振幅分布進(jìn)行編碼。使用飛秒激光選擇性燒蝕技術(shù)，把所得到的具有定向

8、單元的CGH直寫到沉積在玻璃基底上的金屬膜上。最后，使用一束準(zhǔn)直的He-Ne激光，物光波被很忠實(shí)的再現(xiàn)出來。
　　飛秒脈沖直寫在透明玻璃體內(nèi)制備體光柵。高能量的飛秒激光脈沖與透明材料相互作用可以在材料內(nèi)部形成多次微爆，并且能夠在玻璃體內(nèi)形成一條長的折射率改變痕跡。我們研究了不同能量激光脈沖、不同數(shù)量激光脈沖與玻璃相互作用所產(chǎn)生的微爆孔洞現(xiàn)象。當(dāng)激光脈沖的能量達(dá)到20μJ的時(shí)候，激光脈沖在玻璃體內(nèi)的作用痕跡長度基本上達(dá)到160μm，