飛秒激光在透明介質(zhì)中誘導光子學微結(jié)構(gòu).pdf

1、光子學是當今一個飛速發(fā)展的學科領域，它主要研究作為信息和能量載體的光子行為及其應用。使用光子作為信息載體，其信息容量比電子相比要大出3～4個量級，并且具有極快的響應能力和良好的空間相容性，因此開拓新的思路和技術(shù)對發(fā)展光子學具有十分重要的現(xiàn)實意義，并能促進材料科學、物理和信息等多個學科的發(fā)展。特別是近年來，利用飛秒激光在材料中寫入功能化的光子學微結(jié)構(gòu)得到越來越多的關注。飛秒激光由于具有超短的脈沖寬度和極高的脈沖峰值功率，使得其與材料的相互

2、作用主要是非線性過程占主導，并且這種非線性過程有著閾值場強的限制，因而飛秒激光在材料中能夠空間選擇性的誘導各種微結(jié)構(gòu)。 本文就1kHz和250kHz兩種不同脈沖頻率的飛秒激光在多種透明介質(zhì)中誘導光子學微結(jié)構(gòu)等方面展開系統(tǒng)的研究，并取得具有創(chuàng)新性的成果。研究的內(nèi)容包括發(fā)現(xiàn)玻璃中摻雜的Ce3+會影響飛秒激光誘導的銀納米顆粒的沉積、飛秒激光在Ag+摻雜的硅酸鹽玻璃中誘導出具有熒光特性的銀納米顆粒、飛秒激光在玻璃和晶體等透明介質(zhì)中誘導自

3、組裝周期孔洞結(jié)構(gòu)以及飛秒激光在玻璃內(nèi)部誘導出非線性光學晶體等幾個領域。 1.通過分析樣品輻照前后及不同熱處理溫度的吸收光譜，發(fā)現(xiàn)在Ag+-Ce3+高濃度共摻雜的硅酸鹽玻璃中，Ce3+在飛秒激光輻照下會通過多光子電離等非線性效應釋放一個自由電子，該自由電子能同玻璃基體橋氧鍵斷裂釋放的自由電子一同還原Ag+轉(zhuǎn)變?yōu)锳g0，因此摻雜了Ce3+的玻璃在輻照參數(shù)相同的條件下，銀納米顆粒生長的速度快于未摻雜Ce3+的玻璃。在較高溫度的熱處理下

4、，已經(jīng)氧化的Ce4+又會被還原成Ce3+，從而消耗銀原子，影響銀納米顆粒的生長。研究表明，在硅酸鹽玻璃中高濃度摻雜的Ce3+會影響飛秒激光誘導的銀納米顆粒的沉積。 2.利用飛秒激光誘導和熱處理相結(jié)合，在Ag+摻雜的硅酸鹽玻璃內(nèi)部，成功地誘導出了具有熒光特性的銀納米顆粒。通過吸收和熒光光譜的分析，這種熒光銀納米顆粒來源于局域形成的高濃度Agnm+離子原子混合體。這種混合體所發(fā)射的熒光波長會隨著激發(fā)波長的增加而出現(xiàn)紅移現(xiàn)象，這一特征

5、非常相似于半導體量子點的光致發(fā)光特性。這些熒光銀納米顆粒有很好的穩(wěn)定性，在室溫條件下放置6個月，沒有出現(xiàn)明顯的變化。 3.研究了飛秒激光在玻璃和晶體等透明介質(zhì)中誘導自組裝周期孔洞微結(jié)構(gòu)的物理現(xiàn)象，并對這個結(jié)構(gòu)的形成提出了機理解釋。實驗結(jié)果顯示這種孔洞的周期和尺寸能隨著激光輻照參數(shù)的變化而變化，這種結(jié)構(gòu)來源于克爾自聚焦和等離子體自散焦共同作用形成的多次重復聚焦效應，在每個聚焦點由微爆炸而形成孔洞。研究還表明，空氣和介質(zhì)的折射率失配引起的界

6、面球差效應也會對這種孔洞微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。 4.首次在Ba2TiSi2O8系列玻璃內(nèi)部空間選擇性地誘導出了非線性光學晶體。研究表明，具有與非線性晶體相似組分的玻璃，如Ba2TiSi2O8、Sr2TiSi2O8和Ba2TiGe2O8，在250kHz高重復頻率飛秒激光輻照下都能誘導出非線性晶體，這些晶體展示了十分優(yōu)異的光學倍頻性質(zhì)。這些晶體形成的主要原因是高重復頻率的飛秒激光輻照進玻璃后由于多光子效應形成等離子體強烈地吸收激光能量，從

7、而在焦點區(qū)域形成熱積累效應，隨著溫度的不斷升高，玻璃便會逐漸轉(zhuǎn)化為晶體。此外，玻璃中還可以摻雜不同的稀土離子，利用入射激光誘導出的晶體發(fā)出的倍頻光激發(fā)這些稀土離子可以得到特定波長的激發(fā)光，這項技術(shù)能應用于多色顯示，三維存儲等領域。 飛秒激光在透明介質(zhì)中誘導光子學微結(jié)構(gòu)這一研究領域?qū)⒊旃鈱W、材料科學以及激光光譜學結(jié)合起來，是一個多學科交叉的新興領域。特別是國際上對飛秒激光加工光子學微結(jié)構(gòu)的研究時間還比較短，研究還不夠深入，缺乏系