飞秒激光双光子三维微细加工和超快检测技术的研究

摘要

飞秒激光具备独特的超强与超快特性，其超强特性使我们能以较低的脉冲能量获得极高的峰值光强，诱发的双光子吸收区局限在焦点核心很小的体积内，控制焦点的运动可实现高精度三维加工；利用其超快特性，可以在飞秒级时间分辨下研究各类超快动力学过程。飞秒激光双光子三维微细加工和超快检测技术是飞秒激光研究领域的热点。 根据双光子光聚合原理，从自由基的角度建立了双光子光聚合模型，结合高斯光束的强度分布函数，推导了横向与轴向分辨率的表达式。建立了包括光源、显微镜和精密移动轴在内的飞秒激光三维微细加工系统，开发了数控加工软件。 在ORMOCER材料内实现了双光子光聚合，最高加工精度达到0.7μm，突破了衍射极限。研究了加工分辨率对加工参数的依赖关系，采用油镜能达到最高分辨率，线宽随功率增加而增加，随加工速度增加而减小，确定了微细加工系统的最佳加工参数。对实验结果进行了拟合，确定了波束腰为0.413μm，双光子吸收截面为2×10-54cm4s。波束腰展宽和成像精度等因素影响加工分辨率。 采用双光子光聚合技术，制备了线宽0.72μm的CHINA模型；加工了微米级的光束分裂器、光波导、光栅和微透镜阵列等光学微器件。研究表明覆盖率为50％左右，薄板的加工质量较高，在此基础上制备了齿宽为5μm实体微型齿轮。对光子晶体进行了初步研究，加工了间距为5μm、高度为10μm的光子晶体光纤；制备了四层的三维木堆型光子晶体结构，杆间距和层间距均为5μm，分辨率为1.1μm，在国内首次实现了用飞秒双光子光聚合技术制备光子晶体结构。 自行设计的飞秒激光三维微细加工系统不仅实现了微米级的加工分辨率，甚至可以突破衍射极限的限制，而且实现了真正意义上的三维加工。 建立飞秒激光泵浦探测实验装置，开发了泵浦探测应用软件，实验的时间分辨率达67fs。实验表明，GaAs的载流子弛豫曲线由100fs的初始散射，2ps的晶格热平衡和500ps的回复过程组成。分析了自由载流子和晶格温度效应等对弛豫曲线的贡献，定量计算出它们诱发的折射率变化分别为-7.33×10-4、0.85×10-4。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1飞秒激光技术的发展及应用

1.1.1飞秒激光器的发展过程

1.1.2掺钛蓝宝石飞秒激光器自锁模原理

1.1.3飞秒激光的特点与应用

1.2飞秒激光在透明介质内的传输

1.2.1高斯光束线性传输

1.2.2飞秒激光的强度与功率的关系

1.2.3飞秒激光的非线性传输

1.2.4飞秒激光对透明介质的电离与光致改性

1.3双光子微细加工技术及其研究现状

1.3.1双光子吸收机制

1.3.2飞秒激光双光子微细加工技术

1.3.3双光子微细加工技术的研究现状

1.4飞秒激光超快检测技术

1.5本课题研究的目的和内容

第二章双光子光聚合的理论模型及加工分辨率的推导

2.1双光子光聚合原理

2.2双光子光聚合理论模型

2.3加工分辨率的推导

2.4本章小结

第三章飞秒激光三维微细加工实验系统及控制软件的开发

3.1飞秒激光三维微细加工实验系统

3.2控制软件的开发

3.3本章小结

第四章加工线宽与实验参数的研究

4.1加工线宽与数值孔径的关系

4.2加工线宽与激光功率的关系

4.3加工线宽与加工速度的关系

4.4实验结果分析

4.5加工参数的选择

4.6本章小结

第五章典型三维微细结构的制备

5.1“CHINA”模型的制备

5.2光学微器件的制备

5.2.1光波导和光栅

5.2.2微透镜阵列

5.3三维功能器件

5.3.1平板的加工及覆盖率的研究

5.3.2微型齿轮的制备

5.4本章小结

第六章光子晶体的初步研究与制备

6.1光子晶体的基本特性

6.2光子晶体光纤的制备

6.3三维木堆型光子晶体的制备

6.4本章小结

第七章飞秒激光超快过程的研究

7.1泵浦探测实验原理

7.2飞秒泵浦探测实验装置及软件开发

7.2.1飞秒泵浦探测实验装置

7.2.2泵浦探测应用软件的开发

7.3GaAs光生载流子的超快过程的研究

7.3.1 GaAs的物理性质

7.3.2实验结果

7.4 GaAs载流子弛豫过程分析

7.5本章小结

总结与建议

致谢

参考文献

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