飛秒激光在固體材料上制作微結(jié)構(gòu)的研究.pdf

1、本論文主要研究利用飛秒激光對(duì)固體材料進(jìn)行微細(xì)加工及其在微結(jié)構(gòu)制作中的應(yīng)用。 1.討論了飛秒激光在寬帶隙透明固體電介質(zhì)中誘導(dǎo)的多光子電離、隧道電離和碰撞電離過(guò)程，以及飛秒激光作用區(qū)域產(chǎn)生的局域等離子體密度隨時(shí)間的變化。理論計(jì)算表明雪崩電離導(dǎo)致透明固體電介質(zhì)破壞所需的時(shí)間很短，典型值為幾十飛秒至百飛秒。另外討論了飛秒激光在透明固體電介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生的自聚焦、等離子體自散焦及成絲現(xiàn)象等非線性光學(xué)效應(yīng)引起的材料折射率改變。 2.利用鈦

2、寶石飛秒激光放大器（中心波長(zhǎng)775 nm、脈寬150 fs、重復(fù)頻率1 kHz）作為寫(xiě)入光源，分別采用橫向掃描模式和縱向掃描模式在熔融石英內(nèi)直寫(xiě)制作光學(xué)波導(dǎo)。比較了橫向掃描和縱向掃描兩種直寫(xiě)模式的優(yōu)缺點(diǎn)及各自直寫(xiě)的光波導(dǎo)的形貌，分析了橫向掃描直寫(xiě)的光波導(dǎo)的橫截面呈現(xiàn)橢圓形的原因，以及采用柱透鏡或狹縫對(duì)入射光束預(yù)先整型的改善方法。實(shí)驗(yàn)討論了飛秒激光的入射平均功率、掃描速度及重復(fù)掃描次數(shù)等參數(shù)對(duì)直寫(xiě)結(jié)果的影響，確定了直寫(xiě)良好性能光波導(dǎo)的條件

3、，并用搭建的簡(jiǎn)易測(cè)試裝置初步測(cè)試了直寫(xiě)的光波導(dǎo)的傳輸性能。 3.利用近紅外飛秒激光聚焦照射光敏玻璃FOTURAN，經(jīng)熱處理及在稀氫氟酸溶液中室溫超聲腐蝕，制作了豎直微孔、光滑微凹面及微通道等基礎(chǔ)微結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)探索了飛秒激光入射參數(shù)對(duì)制作微結(jié)構(gòu)形貌的影響，并確定了制作這些微結(jié)構(gòu)的合適激光入射條件。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)飛秒激光曝光區(qū)域?qū)す馊肷鋮?shù)（能流和脈沖數(shù)）的飽和效應(yīng)，從充分反應(yīng)消耗的角度對(duì)此進(jìn)行解釋。 4.采用聚焦的近紅外飛秒激光

4、在光纖內(nèi)逐點(diǎn)直寫(xiě)的方法，在未作增敏處理的光子晶體光纖和單模通信光纖內(nèi)直接誘導(dǎo)了周期性結(jié)構(gòu)改變。摸索了飛秒激光的入射平均功率及單點(diǎn)曝光時(shí)間對(duì)誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)改變的影響，為進(jìn)一步利用近紅外飛秒激光直寫(xiě)長(zhǎng)周期光纖光柵提供指導(dǎo)。 5.組建了一套基于摻鐿（Yb）大模面積光子晶體光纖飛秒激光放大器的微納加工系統(tǒng)，完善了該系統(tǒng)中三維微位移平臺(tái)對(duì)刻劃微圖案的運(yùn)動(dòng)控制，通過(guò)氦氖光同軸監(jiān)視的方法解決了加工時(shí)入射激光聚焦于樣品表面的定位問(wèn)題，并利用組建的加工

5、系統(tǒng)對(duì)三類典型材料：半導(dǎo)體、金屬薄膜和透明固體電介質(zhì)進(jìn)行了微納加工實(shí)驗(yàn)。在硅片及金屬薄膜（鉻、鋁）表面直接刻劃方形和圓形等微圖案的實(shí)驗(yàn)表明：刻劃制作的微圖案線條具有規(guī)整的邊緣加工效果，且有效地減少了未加工區(qū)域受到的污染和熱影響，從而保護(hù)了制作襯底。在具有高破壞閾值的熔融石英上的實(shí)驗(yàn)顯示，若以比刻劃硅片大得多的平均功率聚焦入射在其內(nèi)部掃描，可以觀察到激光聚焦點(diǎn)處的誘導(dǎo)成絲現(xiàn)象和伴隨的可見(jiàn)光輻射。 基于以上實(shí)驗(yàn)加工結(jié)果，分析了組建的