飞秒激光与透明晶体作用机理及微加工可行性研究

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1、的冷加工。如图1.1给出了飞秒、皮秒与纳秒激光在钢表面打孔结果的对比照片【3】。（-）加工尺度小图1・2飞秒激光加工实现小于聚焦光斑尺度的材料烧蚀示意图由于衍射规律的限制，一般激光加工的横向尺寸要大于激光的波长。虽然飞秒激光也受衍射规律的限制，但是由于它的峰值功率极高，和物质相互作用时主要是多光子吸收过程，此时材料对能量的吸收是与光强的n次方成正比的。聚焦后的激光强度在空间上一般呈高斯或类高斯分布一焦斑中心部位的强度最大，越往外强度则越小。如果调节入射激光束的功率，使得只有焦斑中心的强度刚好超过材料的多光子

2、电离阈值，那么加工过程中的能量吸收与作用范围就可以被限制在焦斑中心位置处相当小的一部分体积之内，而不是整个焦斑所辐照的范围，从而使得加工尺度远远小于焦斑，突破光束衍射极限的限制，并达到亚微米甚至是纳米级。图1.2是飞秒激光加工突破光束衍射极限的示意图。（三）稳定的加工阈值使用飞秒激光脉冲烧蚀各种不同的材料时，都表现出了稳定的损伤阈值。在飞秒激光加工材料的过程屮，只有当激光的能流密度超过某一特定的值时，才能对材料造成不可逆转的烧蚀，这一临界能流密度就是材料的烧蚀阈值，也称为材料的激光损伤阈值。长脉冲与材料的作

3、用机制主要是雪崩电离，由于引发雪崩电离的种子电子主要來源于物质本身的不纯性，从而使得长脉冲烧蚀材料的烧蚀阈值带有一定的统计特性。而超短脉冲与材料的作用机制主要是多光子电离，这种电离过程是由材料的禁带宽度所决定的，种子电子也是由多光子电离产生，材料本身的不纯性对烧蚀阈值的影响很小，所以其损伤阈值也更加稳定。（四）实现精确三维空间加工飞秒激光的入射波长通常处于某些透明材料的吸收范围之外，当把聚焦强度位于阈值附近的激光打入透明材料内部时，由于穿过材料表而的激光光强较低，满足不了材料多光子非线性吸收的要求，因此，当

4、飞秒激光光束的焦点到达材料内部时，其光强几乎毫无衰减。而入射激光只有在焦点位置才可以获得较高的功率密度，并发生多光子吸收和电离，最终在透明材料内部任意部位实现三维超精细加工。（五）加工材料范围广飞秒激光与各种材料的相互作用以多光子非线性吸收为主，这就会造成材料的加工过程高度的依赖激光强度的变化。由于多光子吸收程度和电离阈值与材料中的自由电子浓度无关，只依赖于材料本身的原子特性，故当脉冲的持续时间足够的短，峰值功率足够的高时，飞秒激光就能够实现对任何材料的精密微细加工，并且与材料的种类和特性没有关系。飞秒激光

5、可以精细加工各种电介质材料、玻璃、各种半导体、陶瓷、聚合物、金属以及生物材料甚至生物组织等。1.2飞秒激光加工透明材料研究现状与进展飞秒激光独特的加工优势引起了人们广泛的关注【4】，并开创了材料低损伤、空间三维超精细加工的新领域。Rizvi.N.H总结了飞秒激光对玻璃、金属、金刚石以及各种聚合物等材料微加工的进展情况，证实了飞秒激光是进行材料微加工的一种理想光源⑸。近些年来，人们利用超短脉冲激光与透明电介质材料相互作用时所引发的多种非线性效应，从各种透明电介质材料中诱导出了多种微结构变化，而这些微结构变化在

6、光波导、高密度三维数据存储和功能材料的制备等领域有着广阔的应用前景，并将最终推动光通信、微电子、计算机以及生物医学等高技术领域的发展。研究者们开展了大量关于飞秒脉冲激光烧蚀透明电介质材料的实验与工艺研究工作，主要有以下几个方面：（1）制作光波导1996年，日本的Davis.K.M等人首次报道了利用再生放大的掺钛蓝宝石激光器聚焦在各种玻璃中诱导折射率增加的现象，成功地在各种玻璃内直写入光波导【6】，揭开了使用飞秒激光脉冲制作光波导的序幕。2001年，哈佛大学C.B.Schaffer等人将从飞秒激光振荡器输出的

7、未经放大的纳焦能量的飞秒激光脉冲直接聚焦在Corning0231玻璃内，成功地写入了光波导，不仅大大提高了加工速度，同吋也降低了系统成本⑺。随着飞秒加工技术地不断发展与日益成熟，制作光波导的工艺也不断得到改进。2005年，口本的TetsayyaNagata等人使用两个脉冲能量不同的飞秒激光在熔融石英玻璃中制作光波导【8],发现使用这种方法加工出的波导可以有效的减少光波的传输损耗，并测量出其损耗低于0.8dB/cm。图1.3是利用飞秒激光在透明塑料中刻岀的环状图1.3飞秒激光在透明塑料中刻出的环状波导图。（2

8、）制作光耦合器2001年，康宁公司StreltsovAM等人第一次使用掺钛蓝宝石飞秒激光器输出的纳焦飞秒激光脉冲在硅酸硼玻璃内部加工得到定向耦合器[9】。KoaruMinoshima于2002年利用开展式腔的飞秒激光器制造了耦合系数和相互作用长度均不同的方向耦合器。通过改变入射激光脉冲的能量和焦点的大小及其扫描速度，可以制作岀不同模式结构、不同尺寸的光波导。为了验证耦合模式理论，加工了一系列具有不同作用距离L和波