激光诱导贵金属掺杂玻璃的微结构变化机理

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1、浙江大学硕‘}学位论文摘要超快超强的飞秒激光在材料三维微结构的制备和材料显微改性方面显示了独特优势，并已放用来制备光波导、光存储、光栅、光耦合器和光子晶体等三维光功能微结构和器件。另一方面金属(Au，Ag等)纳米粒子掺杂的玻璃具有高的三阶光学非线性系数、超快非线性光响应等特点，是近年光学功能材料研究的热点。而要实现可集成的开关，则需要能实现纳米粒子的空间选择性析出和控制。近年来，Qiu等发明了一种可以在含金属离子的透明材料中空间选择性析出金属纳米颗粒的有效的方法，即飞秒激光的照射加上后续的热处理。采用这种方法可以几乎在玻璃中的任何一个位置析出尺寸为几个纳米的纳米颗粒。但研究仅局

2、限在典型的钠钙硅玻璃。BK7玻璃是应用最广泛的光学玻璃材料之一，广泛应用于各种光学仪器，研究掺杂贵金属纳米颗粒的BK7玻璃的光学特性，具有重要的参考价值。本文利用飞秒激光与玻璃的相互作用，在贵金属掺杂的BK7玻璃内部写入了一个光栅，诱导会属纳米粒子在玻璃内部空间选择性析出，采用吸收光谱、光学显微镜等分析测试手段分析了微结构的变化，并测量了光栅的衍射效率。论文研究主要分为以下四个部分：一是飞秒激光照射银离子掺杂的BK7光学玻璃的显微结构变化以及机理分析；二是纳秒激光照射贵金属离子掺杂的BK7光学玻璃的显微结构变化并与飞秒激光作比较：三是进一步分析激光诱导贵会属纳米粒子析出的机理。

3、在第一部分我们选用掺杂会离子或银离子的BK7玻璃作为样品，系统地研究了飞秒激光诱导贵金属离子掺杂的BK7玻璃的微观结构，在玻璃内部扫描形成了一个光栅。用光学显微镜对激光扫描的微结构进行了观察，并测量了光栅的衍射效率。观察了微结构以及光栅的衍射效率随着热处理温度的升高而逐渐产生的变化，并利用吸收光谱等手段分析了产生变化的原因。研究发现飞秒激光照射贵金属离子掺杂的BK7玻璃形成的光栅的衍射效率随着热处理温度的升高，先是迅速减少然后又逐渐增加，这种变化对应于玻璃内部飞秒激光诱导产生的色心随热处理温度的升高而减少和高于一定温度时贵金属纳米粒子的析出。我们可以通过控制热处理温度来控制光栅

4、的衍射效率。表明可以通过飞秒激光照射和热处浙江大学硕t学位论文理调控材料的微观特性，制作微光栅等光学集成元件。本研究结果有望应用于制作超快全光开关以及超高密度信息存储等领域。在第三部分，我们采用纳秒激光照射贵金属掺杂的BK7玻璃，并对照射前后的样品做了吸收光谱，对激光扫描过的区域拍了光学显微镜照片，并与飞秒激光扫描后的贵金属掺杂的BK7玻璃的吸收光谱和光学显微镜照片做了比较，研究发现，纳秒激光也可以在BK7玻璃中诱导微结构变化，产生色心，还原贵金属离子，通过热处理产生贵金属纳米粒子，不同的是诱导微结构的精度没有飞秒激光高，在聚焦点的周围有很多不规则的裂纹出现，而飞秒激光聚焦点的

5、周围比较平整。说明可以在精度要求不是很高的情况下用纳秒激光代替飞秒激光。在第四部分提出并验证了，激光诱导产生的裂纹也是导致贵金属纳米粒子析出的重要因素。关键词：BK7玻璃；飞秒激光；照射；衍射效率Ⅱ浙江大学硕L学位论文AbstractFemtosecondlasershaveshownpredominantadvantagesinthespace-selectivemicroscopicprocessingandformationofthethree-dimension(3D)modifiedmicrostructures．Variouskindsofintegratedfun

6、ctionalopticaldevicesincluding3Dopticalwaveguide，opticalmemory，grating，couplerandphotoniccrystaletc．havebeenfabricatedbythefemtosecondlaserprocessing．Ontheotherhand，glassesdopedwithnoblemetallicnanoparticleshaveattractedconsiderableattentionfortheirultrafastnonlinearresponseandlargethird—ord

7、ernonlinearsusceptibility．Fortheapplicationsrelatedtointegratedoptoelectronics，awell—definedassemblyandspatialdistributionofnanoparticlesinmartialsareessential．Recently，Qiuet．a1．havereportedthatmetallicnanoparticlescouldbeprecipitatednearthefocalpo