飞秒激光在透明玻璃及金属膜中制备光功能微结构

论文摘要

随着激光技术的发展,近些年飞秒激光技术作为一种新兴的技术也越来越完善。因为飞秒激光脉冲通过多光子吸收机制能够得到免损伤、高质量的结果,飞秒激光正在逐渐成为一种在各种材料中显微加工光功能结构的强有力工具,到目前为止,通过飞秒激光直扫技术及全息加工技术,已经有很多高质量的光功能器件被加工出来,比如光波导、微光栅、光子晶体、以及一些光学衍射元件等。在本论文中,我们提出了几种加工光功能微结构的方法。同时,也给出了有关飞秒激光脉冲与材料相互作用过程的全面物理解释。具体的细节工作被总结如下所示:丰富了激光与透明玻璃相互作用的理论。使用同源脉冲在材料表面相干的技术,我们在材料表面得到了不同的微结构。使用同源双脉冲相干,不但在硅酸盐玻璃表面得到周期符合理论计算公式d =λ/[2sin（θ/2）]的常规微光栅,还得到了一种周期是常规光栅一半的非常规光栅。这种非常规光栅的深度也基本上达到常规光栅的一半。这种非常规光栅形成在常规光栅的每一个凸起槽上,我们认为非常规光栅形成是由于飞秒激光在介质中产生了非线性效应,产生了二次谐波所造成的。我们还研究了同源三脉冲在硅酸盐玻璃表面相干方面的实验,得到了二维六边形分布的周期性微结构,我们使用原子力显微镜（AFM）对这种结构进行了分析,结果显示微结构的周期与推导公式计算的结果符合得很好。使用400nm的激光直射到这个微结构上,得到的衍射结果显示出这种结构可以作为光束分束器,并且,一级衍射效率达到16.42%。当激光脉冲能量改变时,所形成的微结构的形貌也发生了改变。当脉冲能量比较高的时候,二维周期性微孔将会形成在玻璃样品的表面,然而,当脉冲能量比较低时,二维周期性中空薄圆台结构将会形成在样品表面。我们建立了一套理论模型来解释这种实验结果,这种所形成的微结构形貌随激光脉冲能量的变化是由于光压对等离子体的作用机制及激光熔融材料的马朗戈尼效应机制的共同作用的结果。提出一种实现光学涡旋的新方法,并实现光子轨道角动量叠加。提出了一种通过利用飞秒激光在硅酸盐玻璃中直写计算全息图的全新的方法,实现光学涡旋。这种通过飞秒激光诱导玻璃体内产生微爆的方法,不需要任何的材料预、后处理能够把光涡旋的计算全息图直写入透明玻璃体内。使用一束准直的He-Ne激光斜入射到所加工的计算全息图上,再现出了包括透射与反射衍射模式的光涡旋,总的衍射效率也达到了4.79%。提出一种利用飞秒激光脉冲在硅酸盐玻璃中加工组合计算全息图的新方法去实现光子轨道角动量的叠加。首先,我们先得到两个涡旋的计算全息图,再把他们按照设定的方式组合起来得到组合计算全息图。然后,利用飞秒激光脉冲把组合计算全息图直接写入到玻璃中。再使用一准直的He-Ne激光直射到组合计算全息图上,我们得到了携带不同拓扑荷的涡旋光束（包括一些新的拓扑荷）。对于新拓扑荷的产生,我们也给出了理论、实验解释。在金属膜上实现了计算全息光存储。从理论、实验上研究了飞秒激光与金属膜之间的相互作用。在飞秒脉冲与金膜相互作用的时候,金属膜上所形成的微结构形貌随着激光脉冲能量的变化而变化,当激光脉冲能量比较大的时候,能够得到金属膜上的烧蚀孔,然而,当激光脉冲的能量足够小的时候,我们在金属膜上得到了纳米锥结构。当飞秒脉冲与铝膜相互作用的时候,我们不仅在铝膜上得到烧蚀孔,而且还在玻璃基底上形成了纳米级的微孔,这也许又将提供一种纳米加工的全新途径。借助于计算全息的方法,我们使用飞秒脉冲把光信息存储在金属膜上。首先在计算机上对一物光波进行傅立叶变换,然后使用迂回相位编码方法,对所得到的复振幅分布进行编码。使用飞秒激光选择性烧蚀技术,把所得到的具有定向单元的CGH直写到沉积在玻璃基底上的金属膜上。最后,使用一束准直的He-Ne激光,物光波被很忠实的再现出来。飞秒脉冲直写在透明玻璃体内制备体光栅。高能量的飞秒激光脉冲与透明材料相互作用可以在材料内部形成多次微爆,并且能够在玻璃体内形成一条长的折射率改变痕迹。我们研究了不同能量激光脉冲、不同数量激光脉冲与玻璃相互作用所产生的微爆孔洞现象。当激光脉冲的能量达到20μJ的时候,激光脉冲在玻璃体内的作用痕迹长度基本上达到160μm,这为体光栅的加工提供了一种可能。我们研究了不同激光脉冲能量、不同激光扫描速度情况下所加工的光栅的衍射效率的变化,并在理论上解释了导致光栅衍射效率变化的物理机制。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 飞秒激光的发展
• 1.2 飞秒激光脉冲的特征及传输
• 1.2.1 飞秒激光脉冲的特征
• 1.2.2 飞秒激光脉冲的传输
• 1.3 飞秒激光与材料的相互作用及应用
• 1.3.1 飞秒激光诱导掺杂贵金属离子选择性析出及其非线性的研究
• 1.3.2 飞秒激光脉冲自组装周期性结构
• 1.3.3 飞秒激光造成材料局部晶化的研究
• 1.3.4 飞秒激光诱导在材料表面形成纳米突起结构
• 1.3.5 飞秒激光脉冲相干诱导周期性微结构
• 1.3.6 飞秒激光直扫在材料表面及内部形成光功能微结构
• 1.4 主要研究内容
• 第2章 同源飞秒激光脉冲相干诱导微结构
• 2.1 引言
• 2.2 双脉冲相干诱导微光栅的研究
• 2.2.1 双光束干涉原理
• 2.2.2 双光束干涉实验研究
• 2.2.3 半周期光栅的形成
• 2.3 同源三飞秒脉冲干涉
• 2.3.1 三光束干涉原理
• 2.3.2 同源三脉冲干涉实验研究
• 2.3.3 表面形貌随脉冲能量变化的研究
• 2.4 本章小结
• 第3章 光涡旋的产生及光子轨道角动量的叠加
• 3.1 引言
• 3.2 光涡旋的产生
• 3.2.1 光涡旋的简介
• 3.2.2 光涡旋计算全息图的编制
• 3.2.3 光涡旋计算全息图的加工
• 3.2.4 光涡旋计算全息图的再现
• 3.3 借助于飞秒激光显微加工实现光子轨道角动量的叠加
• 3.3.1 光子轨道角动量简介
• 3.3.2 光涡旋组合计算全息图的制作
• 3.3.3 光涡旋组合计算全息图的加工及其再现
• 3.3.4 光子轨道角动量叠加的理论解释及验证
• 3.4 本章小结
• 第4章 飞秒激光直写在金属膜上实现光全息存储
• 4.1 引言
• 4.2 飞秒激光脉冲与金属膜的相互作用
• 4.2.1 飞秒激光与金膜的相互作用研究
• 4.2.2 飞秒激光与铝膜的相互作用研究
• 4.3 计算全息原理
• 4.4 在金属膜上实现光全息存储
• 4.4.1 计算全息图的编制
• 4.4.2 计算全息图的加工
• 4.4.3 计算全息图的再现
• 4.5 本章小结
• 第5章 飞秒激光脉冲与硅酸盐玻璃相互作用的研究及体光栅的制备
• 5.1 引言
• 5.2 飞秒脉冲在硅酸盐玻璃中自组装点阵
• 5.3 单飞秒脉冲在硅酸盐玻璃中自组装点阵
• 5.4 飞秒激光在硅酸盐玻璃中诱导体光栅的实验研究
• 5.5 体光栅的衍射效率的研究
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间所发表的论文
• 致谢
• 个人简历