飛秒激光誘導(dǎo)玻璃中離子遷移.pdf

1、飛秒激光具有極短的脈沖寬度和超高的脈沖峰值功率，可利用其對(duì)透明介質(zhì)進(jìn)行空間有選擇性的微結(jié)構(gòu)改性，實(shí)現(xiàn)光子器件在透明介質(zhì)內(nèi)部的集成。通過(guò)飛秒激光對(duì)透明介質(zhì)微加工的研究，透明介質(zhì)新的光電功能特性不斷地被發(fā)現(xiàn)和深入研究，為材料科學(xué)、強(qiáng)場(chǎng)物理、非線性光學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科的理論研究提供了新思路。
　　本文對(duì)250kHz脈沖頻率的飛秒激光在誘導(dǎo)各種玻璃材料中離子遷移等方面展開(kāi)了系統(tǒng)的研究。研究的內(nèi)容包括飛秒激光在玻璃內(nèi)部誘導(dǎo)離子遷移、離子價(jià)態(tài)改變和

2、光學(xué)性能改性等現(xiàn)象。具體可分為以下幾個(gè)方面:
　　高重復(fù)頻率的飛秒激光輻照玻璃時(shí)，輻照區(qū)域通過(guò)非線性光電離形成的等離子體能夠強(qiáng)烈地吸收激光能量，使得激光能量不斷在焦點(diǎn)區(qū)域沉積并向外擴(kuò)散而形成一個(gè)溫度梯度場(chǎng)。通過(guò)這種飛秒激光輻照形成的熱積累效應(yīng)，熱影響區(qū)的玻璃溫度達(dá)到幾千度，玻璃熔化，化學(xué)鍵發(fā)生斷裂。在溫度梯度作用下，玻璃中各種離子就會(huì)由激光聚焦中心向溫度較低的邊界區(qū)域遷移。我們利用250kHz高重復(fù)頻率飛秒激光輻照Bi2O3-Ge

3、O2玻璃產(chǎn)生激光輻照區(qū)域殘余應(yīng)力和元素的重新分布。發(fā)現(xiàn)殘余熱應(yīng)力從未輻照區(qū)域到焦點(diǎn)區(qū)域逐漸增加，Bi元素在“內(nèi)部結(jié)構(gòu)”邊界區(qū)域富集，Ge元素主要分布在“內(nèi)部結(jié)構(gòu)”的中心區(qū)域?；瘜W(xué)組成及殘余應(yīng)力能改變玻璃中折射率的分布，為通過(guò)飛秒激光直寫入及激光束能量改變進(jìn)行光波導(dǎo)三維加工提供了理論依據(jù)。
　　我們通過(guò)飛秒激光輻照Ag離子摻雜的磷酸鹽玻璃實(shí)現(xiàn)了誘導(dǎo)區(qū)域Ag離子價(jià)態(tài)和局域熒光性能的改變。發(fā)現(xiàn)飛秒激光輻照過(guò)程中Ag離子捕獲電子形成Ag原

4、子且在高的溫度梯度場(chǎng)作用下發(fā)生了遷移與團(tuán)聚，此外，發(fā)現(xiàn)“內(nèi)部結(jié)構(gòu)”中Na離子和Al離子的重新分布將會(huì)導(dǎo)致激光誘導(dǎo)區(qū)域玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化。這一基于激光操控離子價(jià)態(tài)和元素分布變化的微區(qū)熒光控制技術(shù)在光波導(dǎo)制備、高密度光學(xué)存儲(chǔ)和超快非線性響應(yīng)光開(kāi)關(guān)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
　　我們還選取了單摻K2O、單摻CS2O以及兩者共摻的鈣硅酸鹽玻璃作為研究對(duì)象，以具有相同參數(shù)的飛秒激光對(duì)三種玻璃樣品進(jìn)行微加工。發(fā)現(xiàn)激光誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)的尺寸變化與樣品的

5、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度有關(guān)，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度越高，激光誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)的尺寸越小。同樣作為網(wǎng)絡(luò)改變體，K元素在“內(nèi)部結(jié)構(gòu)”邊界區(qū)域的相對(duì)含量高于中心區(qū)域，而Cs元素則呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)。這為飛秒激光誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)的尺寸控制及元素重新分布實(shí)現(xiàn)透明介質(zhì)性能的顯微控制提供了新思路。
　　飛秒激光誘導(dǎo)透明介質(zhì)中光子學(xué)微結(jié)構(gòu)這一研究領(lǐng)域?qū)⒉牧峡茖W(xué)、超快光學(xué)以及激光光譜學(xué)結(jié)合起來(lái)，是一個(gè)多學(xué)科交叉的新興領(lǐng)域。開(kāi)展這方面的研究一方面可以利用飛秒激光的特性發(fā)掘材料的新功能，