飞秒激光制作体光栅及新型光纤传感器件的实验研究

摘要

飞秒激光微加工由于加工精度高、质量好以及可实现三维加工等优点，被广泛应用于对各种材料的加工处理。由于脉冲时间极短（<1ps），在飞秒激光作用下，脉冲能量能够在极短的时间内注入焦点区域的材料内，有效抑制了加工过程中热效应的影响。利用飞秒激光微加工的这些独特优点，可以在多种材料表面或内部制作新颖的微型光器件。本论文开展了飞秒激光微加工硅晶片、石英玻璃及光纤材料的实验研究。结合理论分析与数值模拟，基于飞秒激光三维加工在石英玻璃内部制作了体光栅；利用飞秒激光烧蚀在光纤内部制作了几种新型光纤传感器件并实验研究了它们的传感特性。全文的主要研究内容如下：
　　 (1) 以飞秒激光微加工硅晶片为例详细介绍了飞秒激光材料微加工的方法和过程，结合光学显微镜、扫描电子显微镜（SEM）及电子能谱仪（EDX）等技术与仪器，分析了飞秒激光对硅晶片进行钻孔与切割的形貌特征、烧蚀速率以及表面氧化特性，并采用优化的加工参数制备了应用于微机电系统（MEMS）的微型硅模具。
　　 (2) 实验研究了飞秒激光对石英玻璃的烧蚀阈值及体内光学损伤阈值，以及飞秒激光在石英玻璃内部直写体光栅的加工工艺，并结合有限元方法（FEM）的模拟结果分析了体光栅的衍射特性。
　　 (3) 开展了基于飞秒激光微细加工方法在单模光纤（SMF-28）上制备微孔折射率传感器件的实验研究，结合一个几何光学模型以及时域有限差分方法（FDTD）数值模拟，详细阐释了微孔折射率传感器的透射谱特性与工作原理。
　　 (4)基于飞秒激光钻孔方法，在单模光纤以及光子晶体光纤（LMA-10）上制备了微孔结构的长周期光纤光栅（LPFG），并结合有限元方法（FEM）模拟与局部耦合模理论计算分析了此类微孔结构长周期光纤光栅的透射谱特性；使用可调谐激光器及红外CCD 观测了微孔结构长周期光纤光栅的模场形貌，并利用PDL 测试仪分析了微孔结构长周期光纤光栅的偏振相关损耗（PDL）；通过填充标准折射率匹配液（Cargille），研究了单模光纤上的微孔结构长周期光纤光栅对折射率的灵敏度。
　　 (5)基于飞秒激光烧蚀，在单根单模光纤上制备了微米尺度的Mach-Zehnder 干涉仪，根据双光束干涉公式分析了此类干涉仪的透射谱特性及其对折射率与温度的灵敏度，并实验研究了此类干涉仪对折射率以及温度的响应，证明这是一种具有极高灵敏度的折射率传感器件以及较高灵敏度的高温传感器件。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

2 飞秒激光脉冲烧蚀硅晶片的特性研究

3 飞秒激光在石英玻璃中制备体光栅的实验研究

4 飞秒激光制作光纤微孔折射率传感器

5 飞秒激光制作微型光纤在线Mach-Zehnder 干涉仪

6 飞秒激光制作微孔结构的长周期光纤光栅

7 总结与展望

致 谢

参考文献

附录