（光學(xué)專業(yè)論文）飛秒激光在玻璃、晶態(tài)內(nèi)誘導(dǎo)微結(jié)構(gòu)變化的光譜研究.pdf

上海大學(xué)碩士畢業(yè)論文 摘要 本論文概述了飛秒激光的發(fā)展以及其極高的時(shí)間分辨性在各學(xué)科領(lǐng)域中的應(yīng) 用，主要介紹飛秒激光在透明材料中誘導(dǎo)各種微結(jié)構(gòu)的變化，特別是這些變化將 成為制備新型的功能材料的方法，在高密度光存儲(chǔ)、光波導(dǎo)、光子晶體、三維顯 示器件、三維光路的制備以及透明材料的內(nèi)部雕刻等方面都有廣泛的應(yīng)用前景。 功能晶體中的頻率轉(zhuǎn)換晶體因其廣泛的應(yīng)用一直備受關(guān)注，我國(guó)在開(kāi)發(fā)新的 功能晶體方面一直處于領(lǐng)先地位。而飛秒激光為功能晶體的發(fā)展帶來(lái)新的內(nèi)容， 主要是利用飛秒激光誘導(dǎo)空間選擇性三維功能晶體的形成，這將推動(dòng)光子學(xué)元器 件三維集成的技術(shù)創(chuàng)新。 利用近一年的時(shí)間，作者在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，利用喇曼光譜研究了高重復(fù)率的 飛秒激光在硼酸鹽、鈮酸鹽等幾種玻璃內(nèi)，誘導(dǎo)功能晶體的形成。我們也對(duì)激光 誘導(dǎo)高溫相偏硼酸鋇晶體的相變進(jìn)行了研究，結(jié)果證明高溫相偏硼酸鋇在激光輻 照后，相變?yōu)榈蜏叵嗥鹚徜^晶體。從玻璃和晶體的結(jié)構(gòu)以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果出發(fā)，分 析表明：在玻璃無(wú)規(guī)則網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，存在著與晶體中相同或相近的基團(tuán)。輻照后 玻璃的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被破壞，喇曼譜中出現(xiàn)功能晶體的特征峰，這是由于功能晶體基 本結(jié)構(gòu)單元的形成，如： b ，o 。】3 - 、n b o ?！? 。和 t i o 。r 等陰離子基團(tuán)。從理論角度 分析認(rèn)為，飛秒激光與玻璃及晶體相互作用時(shí)，發(fā)生非線性效應(yīng)，如多光子電離、 受激散射、自聚焦效應(yīng)等，為微結(jié)構(gòu)重排提供了條件：在玻璃內(nèi)部形成的高溫高 壓場(chǎng)，最終驅(qū)動(dòng)玻璃微結(jié)構(gòu)遵循能量最低原理，按照晶格結(jié)構(gòu)重排。對(duì)此尚未 在別的文獻(xiàn)中發(fā)現(xiàn)類似的分析。 研究功能晶體的形成與激光的照射時(shí)間，以及激光光強(qiáng)的空間分布的關(guān)系。 著重分析了晶體的結(jié)晶程度隨輻照時(shí)間的變化過(guò)程，以及輻照焦點(diǎn)不同位置處的 結(jié)晶情況。發(fā)現(xiàn)隨著輻照時(shí)間增加，晶體的結(jié)晶程度增加。同時(shí)，比較飛秒激光 在三種玻璃硼酸鹽、鈮酸鹽和鈦酸鹽玻璃內(nèi)，誘導(dǎo)晶體形成所需時(shí)間的不同。通 過(guò)對(duì)鈮酸鹽玻璃輻照前后譜圖進(jìn)行解譜發(fā)現(xiàn)：輻照后，新的譜線出現(xiàn)，玻璃中的 t i o - 基團(tuán)所占比例減少。證明部分的【t i o 。 基團(tuán)加入到晶格結(jié)構(gòu)中，t i 離子是以 上海大學(xué)碩士畢業(yè)論文 四配位進(jìn)入晶格中，而非六配位，所以在玻璃中形成少量的b a ，t i o 。晶體。 最后，研究在低重復(fù)率飛秒激光作用下，三種光學(xué)玻璃的暗化行為。測(cè)量暗 化區(qū)的吸收光譜和喇曼光譜，認(rèn)為在暗化區(qū)形成色心。利用多光子吸收和激光光 譜加寬理論對(duì)這種現(xiàn)象給予解釋。我們也從應(yīng)用的角度分析了這種暗化點(diǎn)應(yīng)用于 三維光存儲(chǔ)方面的可行性。 關(guān)鍵詞：飛秒激光 玻璃喇曼光譜功能晶體暗化 l l 占量查蘭巫主望些堡塞 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，t h ed e v e l o p m e n ts t a t eo ft h ef e m t o s e c o n dl a s e ra n dt h ea p p l i c a t i o n s i nf i e l d sa si t sh i g ht i m er e s o l u t i o nw a sr e v i e w e d v a r i o u sk i n d so ft h em i r c o s t r u c t u r a l c h a n g e si n d u c e di n s i d et h et r a n s p a r e n tg l a s s e sb yt h ef e m t o s e c o n dp u l s el a s e r ，w e r e i n t r o d u c e di n d e t a i l ，e s p e c i a l l y t h e s e c h a n g e s w o u l db e c o m et h en o v e lm e t h o d s o b t a i n i n gt h en e w f u n c t i o nm a t e r i a l s ，a n da r ep r o m i s i n gf o ra p p l i c a t i o n si nh i g ht h r e e d i m e n s i o n a lo p t i c a lm e m o r y , o p t i c a lw a v e g u i d e s ，p h o t o n i cc r y s t a l s ，t h r e e d i m e n s i o n a l d i s p l a y , t h r e e - d i m e n s i o n a li n t e g r a t e do p t i c a lc r u i t s ，a n d s oo n t h ef r e q u e n c y c o n v e r s i o nc r y s t a l sa l w a y sw e r eh i g h l ya n t i c i p a t e db e c a u s eo fi t s e x t e n s i v e a p p l i c a t i o n t h ed e v e l o p m e n to ft h e f e m t o s e c o n dl a s e r b r i n g s t h en e w c u r r e n t sf o rt h ef u n c t i o nc r y s t a l s b yt h er a m a ns p e c t r a ，w es t u d i e dt h ef o r m a t i o no f f r e q u e n c y - c o n v e r s i o nc r y s t a l si nn i o b a t eg a l s s e s ，b o r a t eg l a s s e sa n d t i t a n a t eg l a s s e sw i t h u l t r a s h o r ti n f r a r e dl a s e rp u l s e s i na d d i t i o n ，t h ep h a s et r a n s i t i o no ft h eh i g hb b ow a s a l s os t u d i e dw i t hf e m t o s e c o n d l a s e r b y t h ea n a l y s i st h ee x p e r i m e n t sa n dt h es t r u c t u r eo f t h eg l a s s e sa n dc r y s t a l s ，t h es a m eo rc l o s eg r o u p se x i s ti nt h eg a l s s e sa n dc r y s t a l s t h e d i s o r d e rn e t w o r ko ft h eg l a s s e sw a sd e s t r u c t e da f t e rf e m t o s e c o n dl a s e ri r r a d i a t i o n ，t h e o b s e r v e dc h a r a c t e r i s t i cp e a k so ft h ef u n c t i o nc r y s t a l sw e r ee x p l a i n e dt h ef o r m a t i o no f t h es t r u c t u r a lu n i t so f t h ec r y s t a l si ng l a s s e s ，s u c ha s 【b 3 0 6 】3 - 、【! 妯0 6 】7 a n di t i 0 4 4 a n i o n u n i t s ；b yt h ea n a l y s i so nt h e o r y ，t h en o n l i n e a re f f e c t s ，s u c ha sm u k i p h o t o ni o n i z a t i o n ， a n ds e l f - f o c u s i n g ，s u p p l yt h ec o n d i t i o n sf o rt h em i c r o s t r u c t u r e r e a r r a n g e ，t h eh i g h t e m p e r a t u r ea n dh i 曲p r e s s u r ei n s i d e t h e g l a s s e s m a k et h eg l a s s e sm i c r o s t r u c t u r a l r e a r r a n g m e n ta c c o r d i n gt o t h el a t t i c es t r u c t u r e f o l l o w i n gt o t h el o w e s tp r i n c i p l eo f e n e r g y - b ya n a l y z i n g ，i tf o c u so nt h ec r y s t a l l i z i n gd e g r e ec h a n g ew i t ht h e i n c r e a s i n g i r r a d i a t i o nt i m ea n dt h es p a c ed i s t r i b u t i o no ft h ef e m t o s e c o n dl a s e rp o w e r i n t e n s i t y a t t h es a m et i m e ，t h ea u t h o r ss u m m a r i z et h ed i f i e r e n tt i m eo ft h ef o r m a t i o nc r y s t a l s b y 【i 上海大學(xué)碩士畢業(yè)論文 c o m p a r i n gt h et h r e eg l a s s e s f i n a l l y ，t h ed a r k e n i n gb e h a v i o r so ft h r e eo p t i c a lg l a s s e si r r a d i a t e db yf e m t o s e c o n d l a s e rw e r es t u d i e da n dd e s c r i b e d t h el a s e r i n d u c e d d a r k e n i n gr e s u l t sf r o mt h ec o l o r c e n t e rf o r m a t i o ni nt h eg l a s s e sw e r ei n v e s t i g a t e db ym e a n so f a b s o r p t i o ns p e c t r aa n d r a m a ns p e c t r a b yu s i n gm u l t i p h o t o na b s o r p t i o ni o n i z a t i o na n ds p e c t r u mb r o a d e n i n g t h e o r i e s ，t h em e c h a n i s mw a s e x p l a i n e d k e y w o r d s ：f e m t o s e c o n d l a s e r ，g l a s s ，r a m a ns p e c m t m ，f u n c t i o n c r y s t a l s ，d a r k e n i n g i v e 海人學(xué)碩士畢業(yè)論文 引言 光纖通信是本世紀(jì)最偉大的成就之一，它為日益激增的信息業(yè)提供了一種最佳 信息傳輸技術(shù)，被認(rèn)為是“信息高速公路”建設(shè)的重要基礎(chǔ)。為了滿足超高速、超 大容量的通信要求，人們不斷研制出新的通信模式。在光纖通信中，w d m 技術(shù) 近年來(lái)已成為十分活躍的應(yīng)用領(lǐng)域和研究熱點(diǎn)，w d m 光通信系統(tǒng)對(duì)各種光子元 器件的功能提出了更高的要求，發(fā)展全光纖光子器件以及全光纖光子集成將是一 項(xiàng)重要和關(guān)鍵的選擇。即確認(rèn)：大量的有源、無(wú)源、光纖器件將可能共同集成在 一根光纖中，使之集光波發(fā)射、傳送、路由和接收等多項(xiàng)功能于一體，成為一種 全光纖化和微型化的集成信息系統(tǒng)。同樣光盤存儲(chǔ)作為光信息處理系統(tǒng)中的一部 分，對(duì)存儲(chǔ)容量的要求也在曰益增加。 光信息處理和光通信中的光子器件的實(shí)用性要求是可集成化和可模塊化包 裝，而實(shí)現(xiàn)集成光學(xué)主要基于微結(jié)構(gòu)光學(xué)。因此微結(jié)構(gòu)光學(xué)現(xiàn)象的深入研究和光 子系統(tǒng)的微結(jié)構(gòu)化己在國(guó)際上成為信息光子學(xué)的最基本的前沿研究方向之一?；?于微結(jié)構(gòu)光學(xué)，將各種微光學(xué)器件集成從而成為具有一種或多種功能的微光學(xué)系 統(tǒng)。而設(shè)計(jì)這種微光學(xué)系統(tǒng)的主要薄弱環(huán)節(jié)是微光學(xué)系統(tǒng)功能材料，它組成了微 光學(xué)器件的主要部分。 玻璃在光學(xué)中扮演了個(gè)重要的角色，飛秒激光的發(fā)展為玻璃的研究帶來(lái)嶄 新的內(nèi)容。飛秒激光誘導(dǎo)玻璃微結(jié)構(gòu)變化已成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn)，這不僅僅是 因?yàn)檫@種現(xiàn)象是一種新的發(fā)現(xiàn)，更重要的是這種微結(jié)構(gòu)的變化都有著廣闊的應(yīng)用 前景。主要的結(jié)構(gòu)變化包括：光致破壞、光致變色、光致折射率變化、光致稀土 離子價(jià)態(tài)變化、光致玻璃顯微晶化、光致長(zhǎng)磷光產(chǎn)生等。這些變化在高密度光存 儲(chǔ)、光波導(dǎo)、光子晶體、三維顯示器件、三維光路的制各以及透明材料的內(nèi)部雕 刻等方面都有廣泛的應(yīng)用。 飛秒激光在玻璃內(nèi)誘導(dǎo)各科j 數(shù)結(jié)構(gòu)的變化，開(kāi)辟了微結(jié)構(gòu)光功能材料的新方 法?？梢詫⒏鞣N不同功能的光f 微結(jié)構(gòu)集成在玻璃內(nèi)部，為探索和研究微光學(xué)器 件的發(fā)展，起到了決定性的作用。使多功能集成器件發(fā)生了突破性進(jìn)展，推動(dòng)整 圭鲞奎蘭堡主蘭些堡壅 個(gè)信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。 由于飛秒激光誘導(dǎo)三維功能晶體的形成將會(huì)促進(jìn)壓縮型短波長(zhǎng)激光光源和光 波導(dǎo)等發(fā)展，所以對(duì)它的研究有著重要意義。目前國(guó)內(nèi)對(duì)這方面的研究較少，國(guó) 外的報(bào)道也不多。 在本論文中，利用喇曼光譜，研究硼酸鹽玻璃、鈮酸鹽玻璃、鈦酸鹽玻璃和 高溫相偏硼酸鋇晶體等樣品，被波長(zhǎng)8 0 0 r i m 、脈寬1 2 0 f s 、重復(fù)率2 0 0 k h z 、輸出 功率4 2 0 m w 的飛秒激光輻照后，結(jié)構(gòu)和基團(tuán)的變化情況。分析證明三種玻璃被激 光輻照后，焦點(diǎn)處分別形成b b a b 2 0 4 、l i n b 0 3 和b a 2 t i 0 4 三種功能晶體，而高溫 相偏硼酸鋇相變?yōu)閎 b a b 2 0 。晶體。另外，我們?cè)陲w秒激光照射時(shí)，通過(guò)c c d 觀 察到玻璃的受激散射現(xiàn)象，這說(shuō)明飛秒激光的光強(qiáng)己超出了玻璃的受激散射闖值； 隨著照射時(shí)問(wèn)的增加，受激散射現(xiàn)象消失，觀察到飛秒激光倍頻后的藍(lán)光。說(shuō)明 輻照后會(huì)有頻率轉(zhuǎn)換晶體形成。 通過(guò)對(duì)喇曼光譜的認(rèn)定和分析，證明： ( 1 ) 分析三種玻璃在被飛秒激光輻照處理后的光譜，研究了輻照后玻璃的結(jié)構(gòu)以 及基團(tuán)的變化情況。無(wú)論在4 75 b a o ：5 a 1 2 0 3 ：4 75 8 2 0 3 ( t 0 0 1 ) 硼酸鹽玻璃還是 3 25 l i 2 0 ：2 7 5 n b 2 0 5 ：4 0 s i 0 2 ( t o o l ) 鈮酸鹽玻璃中，輻照一定肘間后，歸屬于玻 璃各基團(tuán)的寬的r a m a n 振動(dòng)譜線消失，表明玻璃的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被破壞。出現(xiàn)8 一b a b 2 0 4 晶體的強(qiáng)指紋峰6 3 7c 【1 1 1 峰和l i n b 0 3 晶體的指紋峰2 3 7a f l - 1 峰，它們分 n i ) 3 n i = b 3 0 6 3 。六元環(huán)和 n b 0 6 】7 八面體基團(tuán)的振動(dòng)，而 b 3 0 6 3 - 和 n b 0 6 】7 基團(tuán) 分別為b b a b 2 0 。和l i n b o ，晶體的基本結(jié)構(gòu)單元。這種情況說(shuō)明輻照后玻璃結(jié)構(gòu) 出現(xiàn)了實(shí)質(zhì)性的變化，向晶體轉(zhuǎn)變。 ( 2 ) 對(duì)3 2 5 b a o ：3 2 5 t 1 0 2 ：3 5 s 1 0 2 ( t o o l ) 玻璃被飛秒激光輻照處理后喇曼譜的 研究，進(jìn)一步證實(shí)了輻照后玻璃中選擇性形成某種晶體。通過(guò)高波數(shù)的解譜發(fā)現(xiàn)， 玻璃中存在著 t i 0 6 】八面體、 t i 0 4 和 s i 0 4 四面體基團(tuán)；而輻照后，玻璃的網(wǎng)絡(luò) 結(jié)構(gòu)沒(méi)有完全被破壞，仍然存在 t i 0 6 八面體、 t i o 。l * n s i o 。 四面體基團(tuán)，但明 顯的出現(xiàn)一個(gè)新的尖峰，該峰歸屬于b a e t i 0 4 晶體，其原由玻璃中 t i 0 4 i n n 本n 占比例減少，部分t i 離子以四配位的形式進(jìn)入品格，形成b a 2 t i 0 4 微晶，根據(jù)類 橫模的移動(dòng)量可估計(jì)晶粒的大小。 ( 3 ) 本文探討了輻照時(shí)間對(duì)形成晶體影響，以及輻照相同時(shí)間不同位置處的結(jié) 上街人學(xué)碩士畢業(yè)論文 晶情況。通過(guò)對(duì)輻照不同時(shí)問(wèn)的各焦點(diǎn)處的喇曼光譜進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)硼酸鹽玻璃 和鈮酸鹽玻璃存在的共同的特點(diǎn)是：在輻照時(shí)削長(zhǎng)的焦點(diǎn)處，原有的譜線強(qiáng)度明 顯增加，譜寬也明顯變窄，顯示與晶體喇曼散射譜相同的特點(diǎn)，且出現(xiàn)了更多新 的峰值，這些峰都?xì)w屬于晶體振動(dòng)峰。這說(shuō)明隨著輻照時(shí)間增加，晶體的結(jié)晶程 度增加。 ( 4 ) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)飛秒激光在三種玻璃內(nèi)誘導(dǎo)晶體所需時(shí)間存在差別。l i n b o ， 晶體的形成只需2 0 秒：硼酸鹽玻璃被輻照1 0 分鐘后，就會(huì)有1 3 b a b ，o 。晶體的 特征峰出現(xiàn)：鈦酸鹽玻璃輻照2 0 分鐘后b a ：t i o 。晶體的特征峰會(huì)明顯出現(xiàn)。其原 因可能是與玻璃和晶體的結(jié)構(gòu)有關(guān)。 ( 5 ) 分析高溫相偏硼酸鋇晶體被飛秒激光輻照后的喇曼譜。低頻區(qū)譜線發(fā)生的 突變，是由于晶體中b a 2 + 離子和( b ，o 。) 3 環(huán)發(fā)生了一定位移。譜線認(rèn)定結(jié)果證明 a b a b 2 0 4 晶體相變?yōu)榈蜏叵嗄縝 a b ：o 。晶體。 ( 6 ) 研究表明：玻璃中有著與晶態(tài)一樣或相近的結(jié)構(gòu)基團(tuán)( 微觀結(jié)構(gòu)) ，晶態(tài)既 存在長(zhǎng)程有序、又存在短程有序：玻璃的排列結(jié)構(gòu)是短程有序、長(zhǎng)程無(wú)序：玻璃 微結(jié)構(gòu)的重排反映了結(jié)構(gòu)基團(tuán)的變化和排列情況。輻照后三種功能晶體的生長(zhǎng)基 元 b ，o 。r 、 n b o ?！? 平口 t i o ?！? 的出現(xiàn)，驗(yàn)證了晶體生長(zhǎng)的基元理論。從激光與物 質(zhì)相互作用的角度，初步探討了微結(jié)構(gòu)變化的機(jī)理。分析認(rèn)為，飛秒激光在輻照 時(shí)形成的高溫高壓場(chǎng)、以及發(fā)生的多光子電離等非線性效應(yīng)為微結(jié)構(gòu)重排提供了 條件。 ( 7 ) 研究三種常見(jiàn)的光學(xué)玻璃被波長(zhǎng)8 0 0 r i m ，脈寬1 2 0 f s ，重復(fù)率1 k h z 的飛秒 激光輻照后的暗化行為。通過(guò)測(cè)量輻照前后玻璃的吸收光譜和喇曼光譜，發(fā)現(xiàn)玻 璃的結(jié)構(gòu)并未被破壞，只是在暗化區(qū)產(chǎn)生色心。利用多光子吸收和光譜加寬理論， 對(duì)暗化機(jī)理進(jìn)行初步解釋。從不同角度探討了玻璃的暗化點(diǎn)作為三維信息存儲(chǔ)點(diǎn) 可能性，使存儲(chǔ)密度突破衍射效應(yīng)限制的極限值，達(dá)到1 0l ，b i t s 硎3 。 飛秒激光誘導(dǎo)玻璃微結(jié)構(gòu)的變化，在焦點(diǎn)處形成頻率轉(zhuǎn)換晶體，以及誘導(dǎo)晶 體發(fā)生相變這些發(fā)現(xiàn)，將會(huì)形成一種全新材料的制備方法。由于飛秒激光可以在 玻璃內(nèi)部任意一個(gè)部位進(jìn)行比光斑更小的三維加工，所以將會(huì)推動(dòng)光學(xué)元件器件 三維集成。 上簿大學(xué)碩士畢業(yè)淪文 第一章飛秒激光技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用 自從脈沖激光器問(wèn)世以來(lái)，激光脈沖的峰值功率已經(jīng)提高了十二個(gè)量級(jí)。與 此相應(yīng)的是脈沖的寬度也降低了6 個(gè)數(shù)量級(jí)，從調(diào)q 脈沖的幾個(gè)納秒，到鎖模脈沖 的幾個(gè)飛秒。如此短的脈沖激光正在超快物理、超快化學(xué)和超高速通信等領(lǐng)域中 發(fā)揮著不可替代的作用。 自然界中存在著許多以前受測(cè)量手段的時(shí)間分辨限制，而無(wú)法認(rèn)識(shí)的超快現(xiàn) 象，超短脈沖激光的產(chǎn)生使人類探索未知領(lǐng)域及發(fā)現(xiàn)新的物理規(guī)律的夢(mèng)想成為現(xiàn) 實(shí)。到9 0 年代，超短激光脈沖的產(chǎn)生和放大獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展，研究者運(yùn)用克 爾透鏡鎖模原理以及色散補(bǔ)償技術(shù)，已能輕易地獲得小于l o f s 的光脈沖?，F(xiàn)在， 飛秒激光技術(shù)己被廣泛應(yīng)用在物理、化學(xué)、生物等方面研究各種瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)過(guò)程。 這是由于它具有持續(xù)時(shí)間短、峰值功率大等特點(diǎn)，使我們可以研究光與物質(zhì)相互 作用過(guò)程中的各種超快現(xiàn)象，特別是發(fā)生在亞皮秒及飛秒時(shí)域的超快過(guò)程。 同時(shí)，由于飛秒激光超強(qiáng)和超快的特性將從根本上改變了激光和物質(zhì)相互作 用的機(jī)制。各種材料，例如半導(dǎo)體、金屬、介電材料等，在這種高功率密度激光 脈沖的作用下，將產(chǎn)生許多新的現(xiàn)象。其中光學(xué)元件的破壞問(wèn)題已被廣泛關(guān)注【4 ls l ， 激光峰值功率密度極高，在峰值附近的功率密度超出光學(xué)元件的暗化閾值或破壞 閩值，都將影響光學(xué)元件的性能。另外，因?yàn)槌瑥?qiáng)激光在光學(xué)介質(zhì)中傳播時(shí)，各 種非線性效應(yīng)都不能忽略例如多光子吸收、雪崩電離、自聚焦效應(yīng)等都會(huì)損壞 光學(xué)元件，影響系統(tǒng)的正常工作。所以研究由超短脈沖引起的光學(xué)介質(zhì)的破壞機(jī) 制有重要意義。 而近年來(lái)，研究者利用超短脈沖激光與物質(zhì)相衛(wèi)：作用時(shí)產(chǎn)生的多種非線性效 應(yīng)，在各種玻璃材料中誘導(dǎo)出多種微結(jié)構(gòu)變化”，這些結(jié)構(gòu)變化將在高密度三維 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、光波導(dǎo)、三維微區(qū)功能材料的制備等領(lǐng)域有廣闊的發(fā)展前景，并最終 推動(dòng)微電子、計(jì)算機(jī)、光通信、生物醫(yī)學(xué)等高技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展。 1 1 飛秒激光技術(shù)的發(fā)展 飛秒激光技術(shù)始于7 0 年代- 虬1 9 8 1 年，染料激光器中碰撞鎖模技術(shù)川的提 出，使超快現(xiàn)象的研究進(jìn)入飛干少領(lǐng)域。1 9 8 5 年莢國(guó)密執(zhí)安大學(xué)的g m o u r o u 教授f 提出的啁啾脈沖壓縮概念，它? 咖女人過(guò)程中用的是寬脈沖，從而克服了超短光脈 沖在放大過(guò)程中，由于非線性效應(yīng)一j i 起的問(wèn)題，放大之后又將寬脈沖壓縮至飛秒 量級(jí)，從而獲得高的峰值功率魯i 度】o ”1 0 2 0 w c i i r 2 。 以前以染料介質(zhì)為核心的飛秒激光技術(shù)在穩(wěn)定性及重復(fù)性方面均不盡理想， 進(jìn)入9 0 年代后，由于晶體生長(zhǎng)技術(shù)的日趨成熟，出現(xiàn)了摻鈦寶石等多種物化特 性優(yōu)良的固體增益介質(zhì)，從而使固作飛秒激光器開(kāi)始成為激光技術(shù)的重要發(fā)展方 向。在1 9 9 1 年，de s p e n c e 等人利用氬離子激光作泵浦源，用s f l 4 棱鏡補(bǔ)償腔 內(nèi)色散，首次研制成功了以摻鈦寶石晶體為增益介質(zhì)的飛秒自鎖模激光器】，它 的問(wèn)世標(biāo)志者飛秒激光進(jìn)入固體階段。由于該介質(zhì)具有比染料更寬的譜帶，更大 的飽和強(qiáng)度和更穩(wěn)定的光學(xué)性質(zhì)。因此，能提供更寬的波長(zhǎng)可調(diào)諧范圍( 4 0 0 n m ) 和更窄的脈沖寬度。目前，直接從鈦寶石振蕩器輸出的光脈沖經(jīng)過(guò)腔外壓縮后， 脈寬已達(dá)到4 5 f s 【”】，在市場(chǎng)上已有幾十f s 或幾百f s 的飛秒激光器出售。 今天飛秒激光技術(shù)已被人們廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域中，作為比飛秒激光更短的 阿秒脈沖，將會(huì)有同樣重要的應(yīng)用。如能夠觀測(cè)電子圍繞原子的運(yùn)動(dòng)，原子的電 離和離子鍵的形成。同時(shí)阿秒脈沖將由于其超短的脈寬和超寬的頻譜而廣泛應(yīng)用 于許多新的領(lǐng)域，并開(kāi)拓出新的應(yīng)用。然而，要突破現(xiàn)今3 7 f s ，這樣一個(gè)對(duì)8 0 0 n m 波長(zhǎng)的激光來(lái)說(shuō)不到兩個(gè)光學(xué)周期的脈寬界限，無(wú)論從理論上還是實(shí)驗(yàn)上都面臨 巨大的挑戰(zhàn)。因此，極端條件下的非線性光學(xué)和阿秒科學(xué)將是未來(lái)幾年里超快光 子學(xué)中最熱門的研究課題】。 我國(guó)很重視飛秒脈沖技術(shù)n 勺發(fā)展，在西安光學(xué)精密機(jī)械研究所和中山大學(xué)分 別設(shè)立了國(guó)家重點(diǎn)瞬態(tài)過(guò)程實(shí)驗(yàn)室和超快光潛實(shí)驗(yàn)室，跟蹤國(guó)際飛秒技術(shù)的發(fā) 展。北京物理所，長(zhǎng)春物理所，天津大學(xué)，北京工業(yè)大學(xué)等單位也有飛秒光譜和飛秒 脈沖激光器的研究。西安光學(xué)柑密機(jī)械研究所曾作出過(guò)15 f s t 的鈦寶石鎖模脈沖。 上海光學(xué)精密機(jī)械研究所作出過(guò)4 5 ( s 放大壓縮后的脈沖，并在鈦寶石激光材料和 其它固體激光材料方面有獨(dú)特的貢| c j ：。 1 2 飛秒激光技術(shù)在各學(xué)科中的應(yīng)用 由于飛秒激光持續(xù)時(shí)問(wèn)短、峰值功率大等特點(diǎn)，已成為研究自然界中各種超 快動(dòng)力學(xué)過(guò)稚的弛! 人 具。 e 秒激圮技術(shù)的直接用途就是時(shí)間分辨光譜學(xué)。利用 時(shí)間分辨光嘴技術(shù)，研究激發(fā)i 點(diǎn)砒1 一馳豫過(guò)稚：發(fā)生在納秒和皮秒時(shí)間域的電子 土塑奎堂堡主望些笙莖 和質(zhì)子的轉(zhuǎn)化過(guò)程：研究化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中的氫原子的轉(zhuǎn)移：同分異構(gòu)反應(yīng)和連續(xù) 鍵的斷裂等。 利用飛秒脈沖研究材料的非線性光學(xué)性質(zhì)和超快響應(yīng)過(guò)程的技術(shù)主要有：四 波混頻( f w m ) 、光學(xué)克爾效應(yīng)、泵浦一探測(cè)( p u m p p r o b e ) 、z 一掃描( z - - s c a n ) 和三倍頻( t h g ) ( 1 5 1 等技術(shù)。 ( 1 ) 飛秒物理”1 主要利用飛秒激光技術(shù)研究半導(dǎo)體量子阱和金屬團(tuán)簇中的非平衡熱電子馳 豫、電子一聲子相互作用及非局域電子云的極化過(guò)程：研究半導(dǎo)體和金屬納米顆 粒的超快非線性光學(xué)性質(zhì)及相干聲子過(guò)程；研究軟x 射線波段高次諧波產(chǎn)生和與 光纖通信有關(guān)超快光電子器件。 高能量的飛秒脈沖激光與等離子體相互作用可產(chǎn)生高次諧波及x 射線，并有 可能用于受控核聚變。利用飛秒相干特性來(lái)控制半導(dǎo)體中光生載流子的壽命和輸 運(yùn)特性飛秒相干控制技術(shù)意味著未來(lái)半導(dǎo)體光開(kāi)關(guān)最終能達(dá)到的速度僅受量 子物理原理限制。 ( 2 ) 飛秒化學(xué) 在超短脈沖出現(xiàn)以前，化學(xué)實(shí)驗(yàn)集中在研究反應(yīng)物或產(chǎn)物，而對(duì)于反應(yīng)原子 在勢(shì)能面上的重新組合過(guò)程( 或稱為過(guò)渡態(tài)) 無(wú)法研究，因?yàn)檫@種原子的重排在 l o - 1 1 1 0 “4 s 范圍。有了飛秒激光器，就可以對(duì)過(guò)渡態(tài)實(shí)時(shí)探測(cè)。要實(shí)時(shí)觀察過(guò) 渡態(tài)，需要在短于分子振動(dòng)周期( 1 0 1 1 0 4 s ) 和轉(zhuǎn)動(dòng)周期( 1 0 ”s ) 的時(shí)間范 圍內(nèi)將分子振動(dòng)激發(fā)或轉(zhuǎn)動(dòng)取向。 1 9 9 9 年，2 0 世紀(jì)末的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予了美國(guó)埃及裔科學(xué)家a h m e dz e w a i l m 1 ，表彰他在超快光譜和飛秒化學(xué)方面所作的開(kāi)拓性工作。1 9 8 6 年，他首次利用 飛秒激光研究了 c n 分子的解離過(guò)程：i c n + 匕j i c n q i + c n ，發(fā)現(xiàn)i c n 解離過(guò)程為亞皮秒時(shí)間尺度，其中存在一個(gè)過(guò)渡態(tài) i c n 。他利用飛秒脈沖的抽 運(yùn)探測(cè)技術(shù)成功地控制了化學(xué)鍵的斷裂和成鍵，同時(shí)制造了一種飛秒量級(jí)的分子 “照相機(jī)”，以實(shí)時(shí)檢測(cè)化學(xué)反應(yīng)，觀察由反應(yīng)物到生成物的中間態(tài)。飛秒化學(xué) 就是利用飛秒激光研究各種化學(xué)反應(yīng)中的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，諸如化學(xué)鍵的形成和斷 裂，質(zhì)子的傳遞與電子的轉(zhuǎn)移，分子的解離，反應(yīng)的中間產(chǎn)物及絡(luò)和物的速度、 角度和態(tài)分布，分子中的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)化學(xué)反應(yīng)的影響等。 上海大學(xué)碩士畢業(yè)論文 ( 3 ) 飛秒生物 飛秒技術(shù)為研究生物體中的超快光物理、光化學(xué)及光生物學(xué)過(guò)程提供了可能。 利用飛秒技術(shù)可以研究反應(yīng)中心的能量傳遞、內(nèi)轉(zhuǎn)換、電子退相及電荷分離和傳 遞等過(guò)程，而這些過(guò)程發(fā)生在飛秒至皮秒的時(shí)間尺度。另外，s h a n k t ”1 等利用藍(lán) 綠飛秒激光系統(tǒng)研究視覺(jué)過(guò)程中的光致異構(gòu)化過(guò)程，獲得了4 9 0 n m - - 6 9 0 n m 的t a 譜。最近，w a n 等利用飛秒瞬態(tài)吸收觀察到了d n a 中的超快c t 過(guò)程。f i e b i g 則 利用飛秒瞬態(tài)吸收和熒光上轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)時(shí)研究了d n a 中堿基對(duì)突變體中雙質(zhì)子 傳遞的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。 飛秒脈沖可作共焦顯微鏡的光源，來(lái)作生物樣品的三維圖象。另外，用飛秒 脈沖作光源的光學(xué)相干斷層掃描可觀察活體細(xì)胞的三維圖象。 以上是飛秒技術(shù)在超快光物理、飛秒化學(xué)、飛秒生物學(xué)三個(gè)方面的應(yīng)用。飛 秒激光技術(shù)在高速光通信中有著更加廣泛的意義。利用飛秒脈沖的整形與合成并 輔以時(shí)分多路復(fù)用技術(shù)，能獲得1 t b i t s s 的數(shù)據(jù)傳輸速率，這將使光纖通信進(jìn)入 一個(gè)新的密集階段。 1 3 飛秒激光在三維微細(xì)體系中的應(yīng)用 由于飛秒激光脈沖持續(xù)時(shí)間極短，與物質(zhì)的熱擴(kuò)散時(shí)間相比，可以在極短 的時(shí)間內(nèi)注入能量，激光輻照區(qū)淀積的能量難以通過(guò)熱擴(kuò)散的途徑逸出，激光與 物質(zhì)相互作用的范圍被嚴(yán)格限定。 1 3 1 利用非線性效應(yīng)進(jìn)行局部加工 對(duì)于透明材料，飛秒激光的吸收是通過(guò)雙光子或多光子吸收過(guò)程，由于多光 予吸收系數(shù)與光強(qiáng)i 的1 1 次方呈正比，在材料的閾值附近，激光強(qiáng)度的極小差異 也會(huì)帶來(lái)很大的變化。般激光呈高斯型空間強(qiáng)度分布，用這樣的激光脈沖聚焦 照射透明材料時(shí)，光束內(nèi)只有有限的區(qū)域達(dá)到閾值強(qiáng)度，吸收過(guò)程只發(fā)生在焦點(diǎn) 處很小的體積內(nèi)。因此，可以在三維空間內(nèi)的任意部位進(jìn)行比光斑更小的加工呻】。 而且，通過(guò)掃描光束，原理上三維加工也是可能的。 基于上述原因，飛秒微加工能獲得常規(guī)長(zhǎng)脈沖無(wú)法比擬的高精度和低損傷， 這一特點(diǎn)非常適合于超精細(xì)切割。 密西根大學(xué)k e l l o g g 眼科中心的r k u r t z 和i n t r a l a s e 公司的t j u h a s z 建立起一 上海大學(xué)碩士畢業(yè)論文 臺(tái)用于促進(jìn)近視眼、青光眼及白內(nèi)障手術(shù)的超快激光系統(tǒng)【2 0 】。在飛秒激光技術(shù)日 益成熟的今天，飛秒激光系統(tǒng)引起的微制備已受到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域研究者的廣泛關(guān)注。 1 3 2 透明介質(zhì)材料在飛秒激光作用下的新現(xiàn)象及其應(yīng)用 透明介質(zhì)材料在高功率激光下的變化，已經(jīng)得到了廣泛而又深入的研究。因 為高功率激光系統(tǒng)本身就包含有大量的由透明介電材料制成的光學(xué)元件，如工作 物質(zhì)、各種透鏡、薄膜等。這些光學(xué)元件在高功率激光作用下發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，將 會(huì)影響到高功率激光系統(tǒng)本身的性能。 研究者通過(guò)顯微鏡物鏡將激光聚焦到透明材料的內(nèi)部，這是因?yàn)轱w秒激光的 電場(chǎng)強(qiáng)度高達(dá)1 0 0 丁冊(cè)2 ，足以在透明材料內(nèi)部誘導(dǎo)非線性效應(yīng)。當(dāng)脈沖的寬 度為1 0 0 f s 時(shí)，單個(gè)脈沖的能量為l 。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，飛秒激光與玻璃相互作 用后，玻璃的微結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，這些結(jié)構(gòu)的變化可以在玻璃內(nèi)形成新型的功能 材料。主要結(jié)構(gòu)變化有： 1 光致玻璃變色 眾所周知，玻璃在太陽(yáng)光照射下，會(huì)產(chǎn)生色心。后來(lái)，發(fā)現(xiàn)川堿硅玻璃 在紫外光( 2 0 0 - 2 3 0 r i m ) 照射下會(huì)產(chǎn)生色心。最近om e f i m o v 2 2 1 利用8 5 0 n m 1 0 0 f s 脈沖激光輻照各種玻璃，發(fā)現(xiàn)玻璃有明顯的暗化，并發(fā)現(xiàn)這種暗化在經(jīng)過(guò)熱處理 后，玻璃恢復(fù)原來(lái)的透明態(tài)。說(shuō)明玻璃沒(méi)有發(fā)生不可逆結(jié)構(gòu)破壞，這種變色是在 激光功率低于玻璃的破壞閩值下產(chǎn)生的。在未被激光輻照前，玻璃在可見(jiàn)光譜區(qū) 是透明的；輻照后，在可見(jiàn)光譜區(qū)的吸收明顯的增加。 研究者通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)分析認(rèn)為，玻璃的變色是由于玻璃對(duì)光吸收，將價(jià) 帶電子激發(fā)到導(dǎo)帶，并在價(jià)帶上留下空穴，自由電子和空穴被玻璃內(nèi)部的一些缺 陷態(tài)所俘獲，產(chǎn)生大量的色心。使得玻璃在近紫外、可見(jiàn)光和近紅外光譜范圍內(nèi) 的吸收大大增加。 e f i m o v 吲等人認(rèn)為，8 5 0 n m 的脈沖激光在玻璃中傳播時(shí)，發(fā)生了光譜增寬。 實(shí)驗(yàn)中采用的玻璃樣品禁帶寬度為6 e v ，約等于4 個(gè)光子( 1 4 6 e v ) 能量。在接近 玻璃的前表面處，沒(méi)有產(chǎn)生色心，說(shuō)明沒(méi)有多光子吸收過(guò)程發(fā)生：經(jīng)過(guò)一段距離 后，由于光譜增寬，發(fā)生雙光子吸收，產(chǎn)生色心：光譜繼續(xù)加寬，最后發(fā)生單光 子吸收，塞_ t g 晚明光譜已擴(kuò)展到紫外區(qū)?？傊?，x , j 寸暗化機(jī)理的研究還處于初級(jí) 上海大學(xué)碩士畢業(yè)論文 階段，有待于進(jìn)一步探討。 色一i l , 的產(chǎn)生會(huì)使玻璃的破壞閩值降低，但同時(shí)我們可利用色心在加熱處理下 消失的特性，將光致玻璃的暗化用于可擦寫光存儲(chǔ)。玻璃暗化點(diǎn)的尺寸隨入射激 光的功率和照射時(shí)間而變化。如果采用合適的激光照射參數(shù)，激光寫入點(diǎn)的尺寸 可以通過(guò)自聚焦效應(yīng)而達(dá)到激光波長(zhǎng)的一半【2 4 】。光斑的尺寸d d ：o 5 6 生 ( 1 1 ) n a ，其中a 為入射激光的波長(zhǎng)，n a 為鏡頭的數(shù)值孔徑。通過(guò)增加數(shù)值孔徑的方法可 進(jìn)一步減小暗化點(diǎn)的尺寸，提高了光存儲(chǔ)的密度。使用飛秒激光寫入數(shù)據(jù)時(shí)，由 于脈寬極短，可以在很短得時(shí)間內(nèi)完成數(shù)據(jù)的寫入。這將使光存儲(chǔ)進(jìn)入超高密度、 超快存儲(chǔ)技術(shù)成為可能。 2 微爆炸 近幾年來(lái)，哈佛大學(xué)由em a z u r 2 5 1 領(lǐng)導(dǎo)的小組研究了飛秒激光在光學(xué)玻璃、 熔融石英、單晶藍(lán)寶石等透明介質(zhì)內(nèi)引起的體內(nèi)微爆炸現(xiàn)象。采用的是鈦寶石克 爾鎖模再生放大飛秒激光器，激光參數(shù)為：波長(zhǎng)7 8 0 n t o ，脈寬1 0 0 f s ，利用顯微 鏡物鏡( n a = 0 6 ) 將光束聚焦在玻璃表面下5 0 - - 2 0 0 刪處，采用原子力顯微鏡 ( a f m ) 和掃描電子顯微鏡( s f m ) 進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在激光聚焦點(diǎn)處形成圓點(diǎn)， 點(diǎn)的尺寸 0 5 , u m ，圓點(diǎn)的核心是空腔。尺寸可小至2 0 0 - - 3 0 0 n r n ，為激光波長(zhǎng) 的三分之一至四分之一，相鄰空腔的間隔為2 。由超短脈沖形成的空腔不同于 由長(zhǎng)脈沖2 0 0 p s 和1 0 n s 產(chǎn)生的破壞點(diǎn)。比起由超短脈沖產(chǎn)生的空腔，長(zhǎng)脈沖產(chǎn)生 的破壞點(diǎn)非常大，而且形狀是無(wú)規(guī)則的，會(huì)在徑向上產(chǎn)生裂紋。 他們研究表明，飛秒強(qiáng)激光在透明介質(zhì)材料中引起的自聚焦效應(yīng)，使得激光 焦斑小于衍射極限川。自聚焦效應(yīng)是由于徑向折射率的強(qiáng)度變化”( r ) = 十f 1 2 ，( ，) 引起的，其中，是真空中的折射率，n ：與三階極化率z ( 3 有關(guān)。當(dāng)納秒激光在 介質(zhì)中傳播時(shí)，自聚焦效應(yīng)可以忽略，但當(dāng)1 0 0 f s 激光在介質(zhì)傳播時(shí)，自聚焦效 應(yīng)不能忽略。在超短脈沖持續(xù)時(shí)| i f j 內(nèi)，超強(qiáng)光場(chǎng)能形成高密度超強(qiáng)熱高壓等離子 體，等離子體在小于l o p s 的時(shí)間內(nèi)將能量傳遞給受輻射區(qū)材料。以熔融石英為例， e 海大學(xué)碩士畢業(yè)論文 熔融石英的比熱容為17 5 j g x ，密度為2 2 9 c m3 ，假定單個(gè)脈沖的能量0 5 , u j 中只有3 0 被0 1 z m3 體積吸收，則輻射區(qū)材料的溫升將達(dá)到約1 0 6 k ，沖擊波的 實(shí)驗(yàn)證明”6 1 熔融石英要產(chǎn)生5 0 的體積壓縮，需要3 5 g p a 。他們利用等容溫升進(jìn) 行估算，石英內(nèi)部壓力隨溫度變化的速率為2 1 05 p a k ，則1 0 6 k 溫升將導(dǎo)致石 英內(nèi)壓力達(dá)到2 0 0 g p a 。在高溫高壓下，原子力顯微鏡( a f m 圖l l 所示) 研究和 光學(xué)衍射實(shí)驗(yàn)表明，輻射區(qū)很小的范圍內(nèi)產(chǎn)生微爆炸，微腔周圍的材料因壓縮而 致密。 圖i 聚焦飛秒激光在熔融石英中微爆炸所形成 微腔時(shí)原子力顯微境a fm 照片 ( 微腔直徑約為30 0l m 小于光學(xué)衍射極限) 利用飛秒激光在多種玻璃體內(nèi)引起微爆炸形成的亞微米點(diǎn)可用于高密度三維 存儲(chǔ)。過(guò)去已經(jīng)利用雙光子吸收和高緊密聚焦，在光聚合物中使三維存儲(chǔ)密度達(dá) 到1 6 1 0 ”b i t c m 7 1 ；利用線性吸收在光折變物質(zhì)中使存儲(chǔ)密度達(dá)到 4 2 1 0 9 b i t c m 3 2 8 1 。而利用微爆炸形成的亞微米點(diǎn)，可使存儲(chǔ)密度提高到 1 0 ”b i t c m 3 ，并且不存在光聚合物由于縮小和溢出所帶來(lái)的扭曲變形，和光折變 物質(zhì)難以制備大尺寸晶體等問(wèn)題。提供了三維光存儲(chǔ)一種廉價(jià)的方法，還可以利 用微爆炸形成的點(diǎn)制備三維衍射光學(xué)元件、光纖中的圖案光柵和增密增硬的材 料。 3 折射率變化 利用飛秒激光在透明材料l | l 引起折射率變化的現(xiàn)象，己受到人們極大的重 上海大學(xué)碩七畢業(yè)它文 視。京都大學(xué)的k h i r a o l 8 i 等人將波長(zhǎng)為8 1 0 n t o 、脈寬為1 2 0 f s 、脈沖重復(fù)率為2 0 0 k h z 的鎖模鈦藍(lán)寶石激光經(jīng)過(guò)2 0 倍的顯微鏡聚焦到摻鍺石英玻璃、硼硅玻璃、硫化 物玻璃中，在平行于光軸和垂直于光軸方向上，分別以2 0 b m s 的掃描速度在玻 璃內(nèi)繪制出微米級(jí)的折射率變化線，如圖2 所示。焦點(diǎn)處的峰值功率密度達(dá)l o ”w c m2 ，通過(guò)非線性吸收機(jī)制，焦點(diǎn)區(qū)域形成可見(jiàn)的激光損傷，折射率增加，最高 可達(dá)o0 3 5 。且中心的折射率和線直徑會(huì)隨著平均功率增大而增大：隨脈寬的減 小中心折射率會(huì)增大，而線直徑減??；隨著通過(guò)的脈沖個(gè)數(shù)增加，中心折射率會(huì) 增大，而線直徑不會(huì)改變【2 ”，從這些變化可分析出中心折射率變化與峰值功率有 關(guān)。因?yàn)?，平均功率增加和脈寬的減小都會(huì)使峰值功率增加：線直徑可能與高斯 光強(qiáng)分布中，大于玻璃破壞閾值的線寬有關(guān)。通過(guò)分析照射前后的e s r 譜哪l ，表 明在玻璃內(nèi)部產(chǎn)生大量的s ie ?？趃 ee 心以及非橋氧空位，這可能是玻璃折射率 增加的原因。 圖2飛秒激光任摻雜璃璃內(nèi)直寫光波導(dǎo)及其傳輸特性 ( 左圖分別為石英玻璃、硎硅璃璃和硫化物聵璃中寫入的光波導(dǎo) 標(biāo)尺盼最小分度m l n 為iol t m 右圖為這些光波導(dǎo)傳輸b d o 。 光lp o 模，lp ，。模和l p 、模日i 照片) 飛秒激光繪制出的微米級(jí)折刺率變化線，其折射率分布是中心高，邊緣低， 這一特點(diǎn)可用于制搿梯度折射二莩型的光波導(dǎo) 9 。中心折射率為1 5 0 2 ，邊緣折射率為 1 4 9 9 ，線直徑為8 m ，1 7 , u m ，2 5 ，的波導(dǎo)，分別能傳輸8 0 0 r i m 光的l p o i 模， l p ，模和l p ：模，如圖2 所示。由于波導(dǎo)直徑可通過(guò)調(diào)解激光參數(shù)來(lái)控制，可以 根據(jù)傳輸要求來(lái)選擇寫入波導(dǎo)的直徑。 利用飛秒激光在玻璃內(nèi)制備光波導(dǎo)，將會(huì)應(yīng)用于集成光學(xué)和三維全光電路領(lǐng) 域，尤其是在集成的、全固態(tài)激光器、放大器和光開(kāi)關(guān)等方面的應(yīng)用。 4 b b o 晶體的形成 最近，km i u r a 等人1 利用飛秒激光在硼酸鹽玻璃內(nèi)誘導(dǎo)出頻率轉(zhuǎn)化晶體 8 b a b 2 0 。他們采用鈦寶石脈沖激光器，參數(shù)為：波長(zhǎng)8 0 0 n t o 、脈寬1 3 0 f s 、 重復(fù)率為2 0 0 k h z ，單個(gè)脈沖的能量為4 # j ，利用5 0 ( n a = 08 ) 顯微鏡物鏡， 將光束聚焦到b a o - - b ：0 ，- - a 1 ：0 ，玻璃上，照射一定的時(shí)間后，通過(guò)分析照射區(qū) 的x 衍射圖( 如圖3 所示) ，發(fā)現(xiàn)衍射峰與b b a b ：0 。晶體的相吻合，表明在玻 璃內(nèi)已形成b b a b 2 0 4 晶體。另外，當(dāng)激光以1 0 0u m s 和1 0u m s 的速度在玻璃 內(nèi)部移動(dòng)時(shí)，形成晶體的區(qū)域也會(huì)隨著移動(dòng)，并且觀察到不同移動(dòng)速度在玻璃內(nèi) 形成晶體的品質(zhì)有所差異。 d i f f r a c t i o r i2e ( d e g ) 圖3 飛秒激光輻照后焦點(diǎn)區(qū)域的x 衍射 他們認(rèn)為在玻璃內(nèi)形成晶體的原因是，飛秒激光照射玻璃時(shí)，能量沉積在焦 點(diǎn)處很小的區(qū)域，使這一區(qū)域的溫度急劇上升，遠(yuǎn)超出玻璃的晶化溫度。在玻璃 內(nèi)首先形成晶核，最后形成b b o 晶體。 利用飛秒激光在玻璃內(nèi)形成功能晶體，不僅會(huì)推動(dòng)微型短波長(zhǎng)相干光源的發(fā) 展，而且由于玻璃與晶體的折射率不同，可在玻璃內(nèi)制備波導(dǎo)型非線性光學(xué)頻率 轉(zhuǎn)化系統(tǒng)。 5 稀土離子價(jià)態(tài)變化 上海大學(xué)碩士畢業(yè)淪義 摻雜稀土價(jià)態(tài)離子的玻璃在激光、光放大和光存儲(chǔ)等方面有廣闊應(yīng)用前景。 最近，研究發(fā)現(xiàn)摻雜稀土離子的光學(xué)玻璃在被飛秒激光輻照后，出現(xiàn)了一些新的 現(xiàn)象。 邱建榮等人0 2 h 哿8 0 0 h m 的飛秒激光聚焦到摻雜s m 2 + 價(jià)態(tài)的玻璃內(nèi)，照射后， 焦點(diǎn)處的玻璃變?yōu)槌壬ＡУ陌l(fā)光光譜中出現(xiàn)了歸屬于s m 2 + 價(jià)態(tài)離子的4 f - 4 f 躍遷峰；測(cè)量照射前后的e s r 譜發(fā)生了明顯的變化，照射前沒(méi)有明顯的共振信 號(hào)，照射后，出現(xiàn)了很強(qiáng)的共振信號(hào)，這說(shuō)明輻照后焦點(diǎn)處有大量的色心形成。 其色心形成的原因主要是由于飛秒激光輻照時(shí)，焦點(diǎn)處由于多光子電離、焦耳 加熱和碰撞電離，產(chǎn)生了大量的激活電子和空穴，空穴被非橋氧離子和四配位硼 原子所俘獲，而自由電子則被s m ”離子俘獲，還原為s m 2 + 離子。反應(yīng)表達(dá)式為 下式： 一哪 昔三o n a + t i f 一! 囊。、) + n a + + 0 - - b 。 c 一聲皆。)u o h 靜一阜一b o ：簿+ r 。毒。弋0 ?j 0 i o ) 、0 摻e u ”離子的氟鋁酸鹽玻璃被激光輻照后，焦點(diǎn)處的e s r 譜中出現(xiàn)了與摻e u ：+ 玻璃1 3 3 】1 相似的信號(hào)。這說(shuō)明摻e u “離子的玻璃被輻照后，焦點(diǎn)處的e u n 離子還原 為e u 2 + 離子。 g | e z e r t 2 5 1 報(bào)道了飛秒激光誘導(dǎo)折射率的改變可以用于三維光存儲(chǔ)，使存儲(chǔ)密 度達(dá)到l o ”b i t c m 3 。同樣可以利用稀土離子價(jià)態(tài)變化作為光存儲(chǔ)點(diǎn)，而且利用發(fā) 光的方法讀取信息可提高信躁比。另外，由于摻稀土離子e u 2 1 的玻璃與摻e u ，+ 離 子的玻璃有著明顯不同的光學(xué)性能，如磁光性能，可以利用此方法制備光波導(dǎo)型 的微光學(xué)器件。 ，址 小、 、， 上海大學(xué)碩士畢業(yè)淪文 6 光致長(zhǎng)磷光產(chǎn)生 用飛秒激光照射含稀土離子的玻璃時(shí)，可咀觀察到長(zhǎng)磷光現(xiàn)象。通過(guò)改變玻 璃的成分和稀土離子的種類，可以在玻璃內(nèi)部有選擇地寫入各種顏色的三維立體 圖象。 用飛秒激光聚焦含e u 2 + 離子的無(wú)色鈣鋁硅酸鹽玻璃0 4 1 。照射1 0 秒后，遮斷 激光，在暗處可以觀察到焦點(diǎn)處發(fā)出明亮的藍(lán)光，而且可以持續(xù)1 0 小時(shí)之久， 發(fā)光強(qiáng)度隨時(shí)間減弱。同樣，照射摻c e 3 + 的鈣鋁硅晶體可以用肉眼看到焦點(diǎn)處明 亮的藍(lán)光，通過(guò)分析照射后的吸收和發(fā)射光譜，認(rèn)為藍(lán)光主要是由于稀土價(jià)態(tài)離 子發(fā)生了5 d 一4 ，能級(jí)間的躍遷。 分析長(zhǎng)磷光產(chǎn)生的機(jī)制：飛秒激光照射摻雜稀土離子的玻璃時(shí)，由于多光子 吸收會(huì)在焦點(diǎn)處產(chǎn)生激活電子和空穴，在室溫下這些被缺陷中心俘獲的電子和空 穴不穩(wěn)定，重新被釋放出來(lái)，相互復(fù)合后釋放出的能量激發(fā)了鄰近處稀土離子的 基態(tài)電子到激發(fā)態(tài)。當(dāng)電子最終回到基態(tài)時(shí)，就產(chǎn)生了長(zhǎng)磷光。另外通過(guò)顯微鏡 物鏡將波長(zhǎng)8 0 0 h m ，脈寬1 2 0 f s ，重復(fù)率2 0 0 k h z ，輸出功率4 0 0 r o w 的飛秒激