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。因為飛秒激光脈沖通過多光子吸收機制能夠得到免損傷、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，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)，我們在材料表面得到了不同的微結(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)光柵的每一個凸起槽上，我們認為非常規(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驗，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)對這種結(jié)構(gòu)進行了分析，結(jié)果顯示微結(jié)構(gòu)的周期與推導(dǎo)公式計算的結(jié)果符合得很好。使用400nm的激光直射到這個微結(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，一級衍射效率達到16.42％。當(dāng)激光脈沖能量改變時，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候，二維周期性微孔將會形成在玻璃樣品的表面，然而，當(dāng)脈沖能量比較低時，二維周期性中空薄圓臺結(jié)構(gòu)將會形成在樣品表面。我們建立了一套理論模型來解釋這種實驗結(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等離子體的作用機制及激光熔融材料的馬朗戈尼效應(yīng)機制的共同作用的結(jié)果。
　　提出一種實現(xiàn)光學(xué)渦旋的新方法，并實現(xiàn)光子軌道角動量疊加。提出了一種通過利用飛秒激光在硅酸鹽玻璃中直寫計算全息圖的全新的方法，實

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算全息圖直寫入透明玻璃體內(nèi)。使用一束準直的He-Ne激光斜入射到所加工的計算全息圖上，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算全息圖的新方法去實現(xiàn)光子軌道角動量的疊加。首先，我們先得到兩個渦旋的計算全息圖，再把他們按照設(shè)定的方式組合起來得到組合計算

6、全息圖。然后，利用飛秒激光脈沖把組合計算全息圖直接寫入到玻璃中。再使用一準直的He-Ne激光直射到組合計算全息圖上，我們得到了攜帶不同拓撲荷的渦旋光束(包括一些新的拓撲荷)。對于新拓撲荷的產(chǎn)生，我們也給出了理論、實驗解釋。
　　在金屬膜上實現(xiàn)了計算全息光存儲。從理論、實驗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候，我們在金屬膜上得到了納米錐結(jié)構(gòu)。當(dāng)飛秒脈沖與鋁膜相互作用的時候，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。
　　借助于計算全息的方法，我們使用飛秒脈沖把光信息存儲在金屬膜上。首先在計算機上對一物光波進行傅立葉變換，然后使用迂回相位編碼方法，對所得到的復(fù)振幅分布進行編碼。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，使用一束準直的He-Ne激光，物光波被很忠實的再現(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)激光脈沖的能量達到20μJ的時候，激光脈沖在玻璃體內(nèi)的作用痕跡長度基本上達到160μm，