激光誘導(dǎo)貴金屬摻雜玻璃的微結(jié)構(gòu)變化機(jī)理.pdf

1、超快超強(qiáng)的飛秒激光在材料三維微結(jié)構(gòu)的制備和材料顯微改性方面顯示了獨(dú)特優(yōu)勢(shì),并已被用來制備光波導(dǎo)、光存儲(chǔ)、光柵、光耦合器和光子晶體等三維光功能微結(jié)構(gòu)和器件.另一方面金屬(Au,Ag等)納米粒子摻雜的玻璃具有高的三階光學(xué)非線性系數(shù)、超快非線性光響應(yīng)等特點(diǎn),是近年光學(xué)功能材料研究的熱點(diǎn).而要實(shí)現(xiàn)可集成的開關(guān),則需要能實(shí)現(xiàn)納米粒子的空間選擇性析出和控制.近年來,Qiu等發(fā)明了一種可以在含金屬離子的透明材料中空間選擇性析出金屬納米顆粒的有效的方法

2、,即飛秒激光的照射加上后續(xù)的熱處理.采用這種方法可以幾乎在玻璃中的任何一個(gè)位置析出尺寸為幾個(gè)納米的納米顆粒.但研究?jī)H局限在典型的鈉鈣硅玻璃.BK7玻璃是應(yīng)用最廣泛的光學(xué)玻璃材料之一,廣泛應(yīng)用于各種光學(xué)儀器,研究摻雜貴金屬納米顆粒的BK7玻璃的光學(xué)特性,具有重要的參考價(jià)值. 本文利用飛秒激光與玻璃的相互作用,在貴金屬摻雜的BK7玻璃內(nèi)部寫入了一個(gè)光柵,誘導(dǎo)金屬納米粒子在玻璃內(nèi)部空間選擇性析出,采用吸收光譜、光學(xué)顯微鏡等分析測(cè)試手段

3、分析了微結(jié)構(gòu)的變化,并測(cè)量了光柵的衍射效率.論文研究主要分為以下四個(gè)部分:一是飛秒激光照射銀離子摻雜的BK7光學(xué)玻璃的顯微結(jié)構(gòu)變化以及機(jī)理分析;二是納秒激光照射貴金屬離子摻雜的BK7光學(xué)玻璃的顯微結(jié)構(gòu)變化并與飛秒激光作比較;三是進(jìn)一步分析激光誘導(dǎo)貴金屬納米粒子析出的機(jī)理. 在第一部分我們選用摻雜金離子或銀離子的BK7玻璃作為樣品,系統(tǒng)地研究了飛秒激光誘導(dǎo)貴金屬離子摻雜的BK7玻璃的微觀結(jié)構(gòu),在玻璃內(nèi)部掃描形成了一個(gè)光柵.用光學(xué)顯

4、微鏡對(duì)激光掃描的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察,并測(cè)量了光柵的衍射效率.觀察了微結(jié)構(gòu)以及光柵的衍射效率隨著熱處理溫度的升高而逐漸產(chǎn)生的變化,并利用吸收光譜等手段分析了產(chǎn)生變化的原因.研究發(fā)現(xiàn)飛秒激光照射貴金屬離子摻雜的BK7玻璃形成的光柵的衍射效率隨著熱處理溫度的升高,先是迅速減少然后又逐漸增加,這種變化對(duì)應(yīng)于玻璃內(nèi)部飛秒激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的色心隨熱處理溫度的升高而減少和高于一定溫度時(shí)貴金屬納米粒子的析出.我們可以通過控制熱處理溫度來控制光柵的衍射效率.表

5、明可以通過飛秒激光照射和熱處理調(diào)控材料的微觀特性,制作微光柵等光學(xué)集成元件.本研究結(jié)果有望應(yīng)用于制作超快全光開關(guān)以及超高密度信息存儲(chǔ)等領(lǐng)域. 在第三部分,我們采用納秒激光照射貴金屬摻雜的BK7玻璃,并對(duì)照射前后的樣品做了吸收光譜,對(duì)激光掃描過的區(qū)域拍了光學(xué)顯微鏡照片,并與飛秒激光掃描后的貴金屬摻雜的BK7玻璃的吸收光譜和光學(xué)顯微鏡照片做了比較,研究發(fā)現(xiàn),納秒激光也可以在BK7玻璃中誘導(dǎo)微結(jié)構(gòu)變化,產(chǎn)生色心,還原貴金屬離子,通過熱