飞秒激光加工微光学元件的研究

利用低功率飞秒激光振荡器进行材料表面加工的研究并将其应用于微光学元件的加工制作领域;对飞秒激光倍频光以及飞秒激光与光刻胶材料相互作用进行了实验;以光刻胶作为牺牲层进行表面加工获得了各种玻璃光栅及光掩模板;利用光学显微镜和原子力显微镜(AFM)对实验结果进行检测,得到微米量级的特征线宽;所得光栅的光学性能通过He-Ne激光器进行检测,实验结果与理论值一致。该研究为微光学元件的加工制作提供了新的方法。     

飞秒激光掩模版加工中的精度控制方法

飞秒激光掩模版加工和修复是近几年来微纳加工领域的研究热点之一,其中精度控制是获得高质量掩模版的关键.在飞秒激光脉冲对铬金属膜和石英基底材料破坏特性的理论基础上,利用一套输出脉宽25fs、最大功率1 W、中心波长800 nm、重复频率1 kHz的飞秒脉冲激光系统,实验研究了掩模特征单元尺寸与激光能量密度、扫描速度的关系,通过参数优化实现了最小特征尺寸为290 nm的掩模版加工;探讨了特征单元的边缘形貌和底部形貌受能量密度与扫描次数的影响规律,提出了加工参数的选取原则,最终实现了飞秒激光掩模版加工的精度控制和优化.     

凝聚态物质的近红外飞秒激光微纳制备

利用近红外飞秒激光脉冲对玻璃和聚合物等透明凝聚态物质进行微纳制备．通过飞秒激光诱导的折射率变化在石英玻璃内部制备光栅等折射率型元器件;从后表面开始钻孔并引入蒸馏水,在钠钙玻璃中加工出纵横比很大的微细直孔;改变飞秒双光子聚合中激光焦点在样品中的位置,聚合出直线型和波浪型等不同形状的线条．     

飞秒激光在钨表面制备二维周期复合结构的研究

通过控制飞秒激光脉冲分别在线偏振和角向偏振条件下的入射脉冲个数,在金属钨材料表面获得了周期性亚波长条纹和金属纳米线复合而成的新型微纳米结构。实验结果表明,线偏振激光脉冲诱导形成亚波长表面条纹结构的周期和脊面宽度随脉冲个数的增加而减小;在两种不同偏振情况下,飞秒激光脉冲在样品表面诱导形成的金属纳米线结构随激光脉冲个数的增加逐渐趋于消失,而形成微纳米结构的区域面积随激光脉冲个数逐渐增加而增大,并在飞秒激光脉冲个数为150时趋于不变。     

偏振光飞秒双脉冲微加工

利用具有纳焦能量、高重复频率的偏振光飞秒双脉冲对金属铬膜样品进行微加工,样品表面都会产生微突起状结构,它们的宽度在0～400 ps的双脉冲时延范围内没有明显的变化,但高度却都在1～10 ps的双脉冲时延范围内呈现明显的下降,在此时延范围之外并没有明显的变化。通过加工样品的扫描电子显微镜(SEM)图片发现,对于偏振光,利用双脉冲方法,可以获得更好的加工质量。并且线偏振光得到的微突起状结构比较细长,在入射光束的偏振方向上有所伸长;圆偏振光得到的微突起状结构比较接近圆形。即在低脉冲能量、高重复频率情况下,具体的微加工特征形貌与入射光束的偏振状态有关。     

激光技术与应用

利用超短脉冲激光器产生的高功率太赫兹波及其应用；量子级联激光器的现状和未来发展；利用飞秒激光器进行材料表面改性与加工；在Si基板上通过微细金属狭缝实现飞秒激光烧蚀加工；利用飞秒激光器形成周期性结构和表面功能……[编者按]     

飞秒激光诱导Si表面周期条纹结构形成的超快成像研究

正飞秒脉冲激光出现以后,飞秒激光与物质相互作用得到了广泛的研究,出现了许多新现象、利用飞秒激光照射半导体材料表面,形成了周期远小于激光波长的纳米周期结构。建立了飞秒激光超快成像系统,直接观察到了飞秒激光诱导Si表面周期条纹在3 ns时间范围内的演化过程。将一束800 nm、50fs的线偏振飞秒激光分成两束,其中一束照射Si表面诱导产生周期条纹结构;另一束光经透镜会聚至水中产生脉宽约为1 ps的白光,利用此白光作为光源对周期条纹结构成像。改变两光束间的延迟时间,可得到飞秒激光诱导周期条纹结构在不同时间尺度的图像。通过观察发现,当激光脉冲能量大于材料单脉冲烧蚀阈值时,经3个飞秒脉冲照射后,能够产生规则的周期条纹结构,条纹垂直于激光偏振方向,周期约为500 nm。在时间尺度上,800 nm飞秒脉冲照射后,材料表面反射率增强,说明由于飞秒脉冲照射激发了材料表面等离子体的产生。约20 ps后,条纹开始出现;之后随着条纹长度、深度的增加,约70 ps后,能够观察到较清晰的周期条纹;经比较,在飞秒脉冲照射后约600 ps时,周期条纹形状与材料表面凝固后所产生的条纹结构基本相同。这一研究对飞秒激光诱导表面周期结构的形成机理具有重要的意义。     

飞秒激光在金属钼表面诱导产生纳米量级周期条纹结构的研究

针对近红外(800 nm)及其二倍频(400 nm)飞秒激光脉冲在金属钼表面诱导产生周期性条纹结构的情况进行了研究,分析比较了入射激光能量、脉冲重叠数、激光中心波长和加工氛围等实验参数对金属表面自组织形成的条纹结构空间周期的影响,并利用中心波长为400 nm的飞秒激光在水环境中于单晶钼表面制备出了空间周期仅约160 nm的条纹结构。同时针对水中加工的情况,在理论上提出了入射激光与表面等离子体波发生干涉和表面等离子体波形成驻波两种机制相互竞争的物理模型,很好地解释了实验现象,对于深入理解飞秒激光在金属表面进行纳米尺度的加工制备具有重要意义。     

飞秒激光烧蚀面齿轮材料的形貌特征研究

飞秒激光加工面齿轮材料18Cr2Ni4WA是一种面齿轮精微修正的新型加工技术。首先,根据烧蚀凹坑的直径和激光功率的定量关系得到激光的烧蚀阈值,根据烧蚀凹坑的深度和激光功率的定量关系得到材料的吸收系数。然后,考虑到能量累积效应,从高斯激光的聚焦方式考虑变离焦量效应,建立材料内部的能量吸收模型。最后,通过改变脉冲数和激光功率,研究飞秒激光烧蚀凹坑直径和深度的变化规律。实验结果表明,脉冲频率为200 kHz的飞秒激光脉冲数大于20时,烧蚀凹坑的直径和深度趋于稳定,这与理论结果相吻合。随着激光功率的增大,飞秒激光的加工质量有明显下降,当激光功率为1 W时,飞秒激光的加工质量良好且烧蚀深度足够深。     

飞秒激光背部湿刻石英玻璃微通道的研究

为了获得飞秒激光背部湿刻石英玻璃微通道的最佳参量,通过分别改变飞秒激光的功率、刻蚀速率和显微物镜的放大倍数进行了实验。采用超景深显微镜对加工样品进行观察和测量,并分析了微通道的形貌。结果表明,在飞秒激光功率为50mW、刻蚀速率为0.010mm/s、20×显微物镜聚焦的实验条件下,可以制备出深度为1466μm、深宽比为32的石英玻璃微通道。此研究对3维结构维纳制造技术有一定的应用价值。     

用飞秒激光在石英玻璃体内写入光波导和光栅的研究

用飞秒激光在石英玻璃写入了光波导和光栅等结构。飞秒激光辐射照形成波导效应时的折射率改变量为0.001至0.008。折射率的改变量依赖于飞秒激光脉冲辐照的剂量和功率密度。通过Raman光谱和AFM图像,研究了波导区的物质结构变化,并对飞秒激光写入过程的物理机制进行了探讨。     

157nm激光微加工过程中激光参量对刻蚀性能的影响

为了研究157nm激光工艺参量对刻蚀件能的影响,采用157nm深紫外激光对两种宽禁带材料(石英玻璃和蓝宝石)进行微刻蚀试验,得到了理想的工艺参量范围,蓝宝石的刻蚀速率大约是石英玻璃的一半,并且蓝宝石的刻蚀表面要比石英玻璃粗糙得多.随着刻蚀深度的增加,光解生成物的脱出变得困难,从而导致刻蚀速率的降低.选用较高的扫描速率和...     

Chirped Bragg Grating Waveguides Directly Written Inside Fused Silica Glass With an Externally Modulated Ultrashort Fiber Laser

A modulated fiber laser provided burst-trains of femtosecond pulses to directly write linearly chirped Bragg grating waveguides inside bulk fused silica glass in a single process step. The results represent the first demonstration of chirped gratings embedded in bulk glass with an ultrafast laser. Simple exposure controls offer facile means for tuning spectral and dispersion responses in three-dimensional optical circuits.      

基于光子晶体光纤飞秒激光放大器的微纳加工系统

以掺镱大模面积光子晶体光纤(PCF)飞秒激光放大器为光源组建了一套结构紧凑且运行稳定的飞秒激光微纳加工系统,中心波长为1040 nm,重复频率50 MHz,最大平均功率16 W,光栅压缩后脉冲宽度85 fs。利用该套系统在硅片、金属薄膜(Cr膜、Al膜)上演示了微图案的刻划,并与采用重复频率1 kHz的固体钛宝石飞秒激光放大器的加工结果进行对比,发现利用新组建的加工系统进行微纳加工,由于单脉冲能量较小且便于调节,使得刻划微图案时边缘加工效果更容易控制,且避免了加工过程中未加工区域受到的污染,保护了制作衬底。显示了该套系统高重复频率和高平均功率的特性及其在改善微纳加工效果及明显提高加工效率方面的优势。     

基于光学参量振荡器的高分辨率CARS光谱研究

提出了一种基于三硼酸锂（LBO）晶体的飞秒绿色泵浦光学参量振荡器（OPO）,其采用飞秒525 nm绿光光纤激光器作为泵浦源。OPO产生的信号光其可调谐的光谱范围由780～940 nm,光功率可达到250 mW以上;闲频光可调谐范围从1630～1190 nm,光功率可达到300 mW以上。利用本系统可在波数为1330 cm－1和6650 cm－1之间进行相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）光谱测量。由于脉冲啁啾,光谱分辨率达到100 cm－1,与时间带宽限制脉冲激励源相比,分辨率达到后者的2.5倍。     

Self-focusing during femtosecond micromachining of silicate glasses

Many recent investigations of micromachining with lasers, in vacuum and in ambient air environments, have demonstrated the improvements possible when using femtosecond-duration laser pulses compared with long laser pulses. There are obvious practical advantages for rapid micromachining in ambient air conditions. However, the maximum laser intensity and repetition rate are then eventually limited by the avalanche breakdown and nonlinear effects in the air through which the focused laser beam must propagate both outside the work piece and within the structure that is being machined. This paper investigates these limits in femtosecond deep hole drilling at high laser intensities in silicate glasses. In particular, it shows how nonlinear optical effects, particularly self-focusing, can dramatically affect hole shape and the rate of penetration during deep hole drilling. The experiments described here demonstrate how nonlinear Kerr focusing of femtosecond laser pulses occurs during propagation of intense femtosecond laser pulses through the atmosphere within the machined channel at powers levels significantly below the critical power for self-focusing in ambient air.     

Laser ablation and micromachining with ultrashort laser pulses

The mechanisms of ultrashort-pulse laser ablation of materials are discussed, and the differences to that of long laser pulses are emphasized. Ultrashort laser pulses offer both high laser intensity and precise laser-induced breakdown threshold with reduced laser fluence. The ablation of materials with ultrashort pulses has a very limited heat-affected volume. The advantages of ultrashort laser pulses are applied in precision micromachining of various materials. Some femtosecond laser pulse micromachining results, including comparison with long pulses, are presented. Ultrashort-pulse laser micromachining may have a wide range of applications where micrometer and submicrometer feature sizes are required     

Femtosecond Laser Application to PLC Optical Devices and Packaging

Using tightly focused femtosecond laser pulses, we produce an optical waveguide and devices in transparent materials. This technique has the potential to generate not only channel waveguides, but also three‐dimensional optical devices. In this paper, an optical splitter and U‐grooves, which are used for fiber alignment, are simultaneously fabricated in a fused silica glass using near‐IR femtosecond laser pulses. The fiber‐aligned optical splitter has a low insertion loss, less than 4 dB, including an intrinsic splitting loss of 3 dB and excess loss due to the passive alignment of a single‐mode fiber. Finally, we present an output field pattern, demonstrating that the splitting ratio of the optical splitter becomes approximately 1:1.     

近红外飞秒激光在纯石英玻璃中诱导产生点缺陷结构

综述了近红外飞秒激光在纯石英玻璃中诱导产生点缺陷结构的研究进展，分析了飞秒激光诱导产生点缺陷结构的原因，并介绍了纯石英玻璃的点缺陷结构特性。