飛秒激光在透明介質(zhì)中誘導(dǎo)光子學(xué)微結(jié)構(gòu).pdf

1、光子學(xué)是當(dāng)今一個(gè)飛速發(fā)展的學(xué)科領(lǐng)域，它主要研究作為信息和能量載體的光子行為及其應(yīng)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(gè)量級(jí)，并且具有極快的響應(yīng)能力和良好的空間相容性，因此開拓新的思路和技術(shù)對(duì)發(fā)展光子學(xué)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義，并能促進(jìn)材料科學(xué)、物理和信息等多個(gè)學(xué)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(xué)微結(jié)構(gòu)得到越來越多的關(guān)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(dǎo)，并且這種非線性過程有著閾值場(chǎng)強(qiáng)的限制，因而飛秒激光在材料中能夠空間選擇性的誘導(dǎo)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(dǎo)光子學(xué)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(huì)影響飛秒激光誘導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)出非線性光學(xué)晶體等幾個(gè)領(lǐng)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(huì)通過多光子電離等非線性效應(yīng)釋放一個(gè)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(zhǎng)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(huì)被還原成Ce3+，從而消耗銀原子，影響銀納米顆粒的生長(zhǎng)。研究表明，在硅酸鹽玻璃中高濃度摻雜的Ce3+會(huì)影響飛秒激光誘導(dǎo)的銀納米顆粒的沉積。 2.利用飛秒激光誘導(dǎo)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(dǎo)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(zhǎng)會(huì)隨著激發(fā)波長(zhǎng)的增加而出現(xiàn)紅移現(xiàn)象，這一特征

5、非常相似于半導(dǎo)體量子點(diǎn)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(gè)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(dǎo)自組裝周期孔洞微結(jié)構(gòu)的物理現(xiàn)象，并對(duì)這個(gè)結(jié)構(gòu)的形成提出了機(jī)理解釋。實(shí)驗(yàn)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(fù)聚焦效應(yīng)，在每個(gè)聚焦點(diǎn)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(yīng)也會(huì)對(duì)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(dǎo)出了非線性光學(xué)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(fù)頻率飛秒激光輻照下都能誘導(dǎo)出非線性晶體，這些晶體展示了十分優(yōu)異的光學(xué)倍頻性質(zhì)。這些晶體形成的主要原因是高重復(fù)頻率的飛秒激光輻照進(jìn)玻璃后由于多光子效應(yīng)形成等離子體強(qiáng)烈地吸收激光能量，從

7、而在焦點(diǎn)區(qū)域形成熱積累效應(yīng)，隨著溫度的不斷升高，玻璃便會(huì)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(dǎo)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(zhǎng)的激發(fā)光，這項(xiàng)技術(shù)能應(yīng)用于多色顯示，三維存儲(chǔ)等領(lǐng)域。 飛秒激光在透明介質(zhì)中誘導(dǎo)光子學(xué)微結(jié)構(gòu)這一研究領(lǐng)域?qū)⒊旃鈱W(xué)、材料科學(xué)以及激光光譜學(xué)結(jié)合起來，是一個(gè)多學(xué)科交叉的新興領(lǐng)域。特別是國(guó)際上對(duì)飛秒激光加工光子學(xué)微結(jié)構(gòu)的研究時(shí)間還比較短，研究還不夠深入，缺乏系