可见光波段飞秒激光双光子微纳加工

基于矢量衍射理论,计算了多个可见光波段激光经紧聚焦后在焦点附近的双光子点扩散函数。计算结果表明,双光子吸收效应的作用区域随着波长的减小而减小。采用多个可见光波段飞秒激光光源进行了双光子光聚合加工,并对加工分辨率和加工阈值进行了分析.实验结果表明,在每个激光波长条件下,降低光子流密度能够提高加工分辨率;随着加工波长的减小,双光子跃迁过程逐渐满足近共振跃迁条件,双光子吸收几率逐渐增大,双光子加工的阈值逐渐降低。     

多波长飞秒激光损伤可见光滤光片的实验及机理

针对飞秒激光作用光学该实验条件下薄膜过程中损伤阈值与激光波长的关系问题,利用近红外波段波长可调谐的高重频飞秒脉冲激光,对可见光滤光片光谱通带的过渡区域进行了背向损伤实验,测量了不同波长下的平均功率密度损伤阈值,并从飞秒激光作用的雪崩电离过程出发,推导并计算了该阈值与薄膜干涉场分布的关系,理论结果较好的预测了不同波长下平均功率密度损伤阈值的发展趋势.研究表明,该实验条件下薄膜的飞秒激光损伤是整体行为,同一样品中,干涉场分布的平均值越高即膜层中瞬时驻留的激光能量越大时,相应损伤阈值越低.     

单晶金刚石飞秒激光加工的烧蚀阈值实验

采用不同功率的飞秒激光对单晶金刚石分别进行了单脉冲分离烧蚀实验和多脉冲累积烧蚀实验,计算得到了单晶金刚石材料的单脉冲烧蚀阈值和多脉冲累积烧蚀阈值,并研究了多脉冲作用下单晶金刚石烧蚀阈值的变化。结果表明:单晶金刚石的飞秒激光单脉冲烧蚀阈值为8.80 J/cm^2;随着有效脉冲数增加,烧蚀阈值逐渐减小;当有效脉冲数小于124时,烧蚀阈值随有效脉冲数的增加而急剧减小;当有效脉冲数增加到486后,烧蚀阈值减小的趋势趋于平缓。有效脉冲数486、激光平均功率10.7 W是最优的激光加工工艺参数。     

脉冲激光导致水光学击穿阈值计算的简化模型

通过对自由电子密度速率方程的简化,得到了计算光学击穿阂值的解析式。将计算结果与波长分别在可见光和近红外波段,脉宽分别为纳秒、皮秒和飞秒的激光脉冲在纯净水和含有杂质的水中实验测量的击穿阈值做了比较,吻合较好。对于纳秒激光脉冲。在纯净水中多光子电离提供初始电子,随后雪崩电离很快在电离的过程中占主导地位。对于短脉冲,多光子电离作用显得尤为重要,并且在击穿的过程中复合损失和碰撞损失对击穿阈值的影响逐渐消失。     

双光子激光的阈值行为(Ⅰ)

从简并双光子激光系统的基本方程出发,详细地分析了双光子激光的阈值行为,并讨论了弛豫比对阈值行为的影响。结果表明: 一、双光子激光存在着两个阈值——开通阈值和关断阈值。在粒子数反转增加的过程中只有当其超过开通阈值时,才能出激光。而在相反过程中,只有当其减少到关断阈值时,激光才能停止,从而,呈现出滞后现象。     

基于波前编码的消色差稀疏孔径超构透镜

光学稀疏孔径技术以其所具有的降低透镜加工面积、增大数值孔径和提升分辨率的能力被应用到超构透镜的设计和优化中。然而,目前稀疏孔径超构透镜的研究仅限于单波长,通常难以应用到宽波段成像领域。笔者基于波前编码和稀疏孔径技术设计了一种消色差稀疏孔径超构透镜。该消色差稀疏孔径超构透镜在加工面积降低至全孔径超构透镜25%的情况下,在可见光波段（400～700 nm）可实现与理想透镜一致的分辨率。该消色差稀疏孔径超构透镜既实现了对可见光波段的消色差,又解决了大孔径超构透镜的加工难题,具有加工成本低、消色差范围大、成像清晰等特点,在图像采集领域具有重要的应用价值。     

飞秒激光双光子聚合加工微纳结构

针对微/纳机电系统（MEMS/NEMS）零部件加工制造难题,研究具有亚衍射极限空间分辨率的飞秒激光双光子聚合加工方法,搭建钛蓝宝石飞秒激光微纳加工系统,对液态聚合物材料进行飞秒激光双光子聚合加工工艺试验研究。结果表明:随着激光功率的降低,单个固化点的尺寸减小,加工分辨率提高;扫描步距减小,所加工工件的表面粗糙度数值减小,但加工效率降低。基于CAD软件设计出微米墙和纳米线构成的三维微纳结构,利用飞秒激光双光子聚合加工得到该三维微纳结构实物,通过优化工艺参数加工出直径小于100 nm的纳米线,从而证明飞秒激光双光子聚合加工方法为微/纳器件的制造提供了一种有效方法。     

新型双光子引发剂光聚合行为及微器件制备

针对800 nm的激发光源设计合成了3种具有D-π-D分子构型的新型二苯乙烯衍生物(分别命名为BPSBP,BESBP和BCSBP)作为双光子引发剂.利用飞秒激光研究了该系列双光子引发剂的双光子光聚合行为,着重讨论双光子引发剂浓度对聚合阈值和双光子引发剂浓度、聚合能量及曝光时间对聚合分辨率的影响.综合影响聚合分辨率、系统加工效率和微器件表面质量的因素,以浓度为32μmol/g的BPSBP作为双光子引发剂的聚合体系,在9×105mJ/cm2的聚合能量下制作出了亚微米级的三维周期微结构等微器件,并用电镜(SEM)进行了表征.     

水雾遮蔽性能的计算和分析

水雾干扰波段宽,使用成本低,对生物和环境都不产生毒副作用,是一种新型的干扰材料。利用Mie散射理论,对粒径服从对数正态分布和正态分布的水雾在可见光波段、红外传输大气窗口和两种常用的军用激光波长处的质量消光系数进行了计算,得到了水雾在这些波段(波长)处的遮蔽性能,分析了计算结果与粒径分布参数之间的关系。     

紫外/可见皮秒条纹相机时空分辨率

从整机的角度出发，阐述了影响条纹相机空间分辨率和时间分辨率的主要因素。用不同的方法对ＺＰＴ－３Ｋ紫外／可见皮秒条纹相机在不同波段的空间分辨率进行了测量，分析了测量结果在紫外和可见光波段产生差别的原因。利用直腔式染料锁模激光器输出的超短激光脉冲，测量了条纹相机在可见波段的时间分辨率。估算了相机在紫外波段的时间分辨率，在测量条纹相机时间分辨率时，采用了光程差法，降低了测量相机时间分辨率对光源脉宽的限制，得到了较好的实验结果     

SU-8胶双光子微加工分辨率与工艺条件研究

为了提高SU-8光刻胶的微加工分辨率,利用飞秒激光双光子聚合技术研究了SU-8光刻胶微加工时的加工工艺条件与分辨率之间的关系.实验在本研究组自主研制的纳米光子学超细微加工系统上进行,以钛蓝宝石飞秒激光器发出的780 nm波长激光作为加工光源,考察了不同激光功率与曝光时间等激光加工条件和后烤与无后烤等工艺条件对SU-8聚...     

相干泵浦双光子激光的光子数起伏

本文采用朗之万量子理论和激光场的准线性表示计算相干泵浦双光子激光的光子数起伏。结果表明,具有双光子损耗机制且在近阈运行时,双光子激光不存在光子数压缩态。     

Carbazole-Based Anion Ionic Water-Soluble Two-Photon Initiator for Achieving 3D Hydrogel Structures

3D hydrogel structures fabricated by two-photon polymerization (TPP) have become attractive in biomedical fields. Generally, conventional organic solvents are toxic and the residues left in the fabricated 3D structures are harmful to cells. Hence, anion ionic carbazole-based water-soluble two-photon initiator (TPI) 3,6-bis[2-(1-methylpyridinium)vinyl]-9-methylcarbazole ditosylate (BT) is proposed to construct arbitrary 3D hydrogel structures. Cucurbit[7]uril (CB7) and BT form a host-guest complex (CB7/BT) with a binding ratio of 1:1, which further improves the water solubility, biocompatibility and nonlinear absorption property of TPI. A water-soluble photoresist consisting of photoinitiator CB7/BT and monomer poly(ethylene glycol) diacrylate is prepared to explore the TPP fabrication capacity. The electron paramagnetic resonance measurement shows that CB7/BT initiates photopolymerization by alkyl radicals. The laser threshold power of the photoresist is 6.3 mW and the feature size is 127 nm in TPP at 780 nm. The initiator with p-toluenesulfonate anion exhibits higher binding energy, larger two-photon absorption cross-section and two-photon fabrication resolution compared with the previous work using iodide as an anion, indicating a promising way to improve the fabrication capacity of water-soluble TPI through changing the anion ionic group. The proposed strategy will provide high potential for the further application in the biomedical field.     

Surface morphology of refractive-index waveguide gratings fabricated in polymer films

The characteristic modifications are reported on the surface of polymeric waveguide film in the process of volume-grating fabrication. The light from a mode-locked 76 MHz femtosecond laser with pulse duration of 200 fs and wavelength of 800 nm is focused normal to the surface of the sample. The surface morphology modifications are ascribed to a fact that surface swelling occurs during the process. Periodic micro-structure is inscribed with increasing incident power. The laser-induced swelling threshold on the grating, which is higher than that of two-photon initiated photo-polymerization (TPIP) (8 mW), is verified to be about 20 mW. It is feasible to enhance the surface smoothness of integrated optics devices for further encapsulation. The variation of modulation depth is studied for different values of incident power and scan spacing. Ablation accompanied with surface swelling appears when the power is higher. By optimizing the laser carving parameters, highly efficient grating devices can be fabricated.     

应用飞秒激光双光子吸收还原金属离子

为了探讨利用有机高分子材料的飞秒激光双光子吸收来引发金属离子还原的可行性,在自行研制的双光子微细加工系统中,采用物质的量的比为1:1的硝酸银/聚乙烯吡咯烷酮混和凝胶进行还原试验,加工出宽25μm的线条以及4mm×0.4mm的测试导线。由X射线光电子能谱分析可知,加工生成物主要元素是银,通过测试导线电阻,测算其电阻率范围在10-3Ω·m～10-5Ω·m之间。结果表明,用双光子吸收还原金属离子,可以控制反应区域,这对加工导电金属微结构是有帮助的。     

增强双光子微细加工分辨率的新技术

通过对双光子微细加工的原理分析,探讨了双光子加工中可能影响最终分辨率的各个因素,在所建立的分辨率理论模型指导下,研究了通过优化工艺参数实现双光子微细加工分辨率增强的方法,并进一步提出了使用衍射光学器件改变激励光波面分布以实现加工分辨率增强的方案.针对衍射光学器件方案进行了基于矢量衍射理论的具体设计和初步实验验证.     

200K高特征温度的1.3μm AlInGaAs应变单量子阱激光器

在20～80℃范围内连续工作条件下,非对称波导层结构的1.3μm AlInGaAs/AlInAs单量子阱激光器的特征温度为200K,这是目前国内报道的相同有源材料、相同发射波长的激光器中最高的特征温度值.因此AlInGaAs是长波长光纤激光器的理想有源区材料.研究表明非对称波导结构能降低光吸收,提高激光器的高温特性和COD阈值.     

激光模拟单粒子效应中单光子与双光子吸收诱导电荷量对比

通过理论推导和模拟试验,研究了单光子和双光子吸收分别占主导时,脉冲激光模拟试验中电荷收集效率之间的定量关系。分析不同光学参数对模拟试验中电离电荷浓度影响,确定具体激光波长、脉宽、能量及束斑等参数。根据脉冲激光在硅中单光子线性吸收和双光子非线性吸收的特点,推导单光子与双光子吸收产生电荷量比值的定量公式。通过1064 nm和1200 nm波长激光的验证试验,发现了响应脉冲及产生电荷量与脉冲激光能量或能量平方具有良好的线性关系,且在单光子吸收和双光子吸收各自占主导时,单光子吸收产生电荷率明显高于双光子吸收,证明了两种波长激光产生电荷量的比值近似等于公式计算结果。结果表明,1200 nm脉冲激光 1 nJ2 诱导电荷量等同于1064 nm脉冲激光 0.039 nJ诱导电荷量。     

双光子三维微细加工的分辨率研究

为了改善双光子加工的成型精度和微器件的质量，提高加工系统的分辨率是十分重要的。根据自由基类光聚合材料双光子加工分辨率的理论分析，提出等光强面概念，并在此基础上讨论了激发光强与系统加工分辨率之间的关系。通过不同光强条件下双光子三维加工固化单元的实验，验证了等光强面和系统分辨率之间的对应关系，并分析了出现微小差异的原因。根据上述理论模型，可以估算一定实验条件下系统可实现的加工分辨率，优化加工工艺参数。最后给出了部分微器件的成型结果。