飞秒激光直写硫玻璃光波导的研究

摘要

飞秒激光微加工技术是激光先进制造领域各国学者极为关注的前沿研究方向。飞秒激光具有两个显著特性：飞秒量级的脉冲宽度，可达拍瓦量级的峰值功率。飞秒激光微加工技术可以将能量注入到透明材料的内部，当其与物质相互作用时，能量集中，直接作用于极小的区域，瞬间产生的高能量密度沉积，使电子的吸收和运动方式在飞秒量级内发生剧烈变化，从而避免了线性吸收，加工激光的能量也几乎不会发生向其他区域的扩散。因此，飞秒激光加工物质的过程具有超高精度与空间分辨率的特性，是一种加工时热效应较小的“冷”处理过程，因而可以实现高达微米量级精度的三维制造加工，并且可加工材料的种类也较为广泛。本论文使用飞秒激光加工技术，在硫系玻璃内部进行了光波导的刻写与光栅的制作，对硫系玻璃的加工参数与特性进行了研究，同时对其在波导激光器中的应用可能进行了探索。主要工作内容如下：
　　1.使用脉宽50fs，波长800nm，重复频率1kHz的飞秒激光在硫系玻璃的内部制作了单双线波导，对于硫系玻璃这种非线性系数较大的透明材料，确定了它的折射率改变阈值与烧蚀阈值范围，即单脉冲能量在0.2μJ到8.2μJ之间。在此功率范围内进行加工，刻写出来的光波导具有微米级的单线尺寸，不会出现较大面积的烧蚀现象；同时在玻璃内部发现了明显的自聚焦效应。
　　2.对硫系玻璃（GGSI）的光学性能进行了测量，如硫系玻璃的近红外透射光谱；通过对加工参数的多样化与差异化设定，加工了许多不同的光波导，观测了单线光波导中的传输模式，发现其具有良好的单模特性，截面上的模场分布近似于高斯分布，分析了不同参数对于光波导加工质量的影响。对参数不同的光波导的传输损耗率进行了测量，得到了最优化的单线光波导刻写参数，单脉冲能量0.8μJ，扫描速度120μm/s。
　　3.在硫系玻璃（GSS）中刻写了不同光栅常数的衍射光栅，包括复合光栅，采集了它们的透过衍射图像，测量了光栅对于该玻璃材料在1550nm波长处透过率的影响，发现了该光栅结构可以减小其透过率。
　　4.以硫系玻璃为基础探索了其应用于波导激光器的可能性。测定了Tm、Er离子共掺杂的GGSI玻璃的近红外荧光特性，发现Tm离子的荧光发射峰为1750nm，与理论值相比要小，而Er离子的荧光发射峰则仍为1550nm不变。以平凹腔为谐振腔型，硫系玻璃中的光波导为增益介质所在区域，尝试搭建激光器，发现其出光阈值较高，在500mW以下并不出光。
　　5.对硫系玻璃在793nm处不同功率条件下的吸收率进行了测试，得到了其平均吸收率为13％。测量了该玻璃的损伤阈值，聚焦光斑大小为45μm时，使用760mW的连续激光在该样品上打出了一个小孔，推算其损伤阈值为4.78×104W/cm2。因此为基础将波导激光器泵浦功率提升至500mW，仍未出光，因此判断该玻璃出光阈值大于损伤阈值，不具有出光可能。同时测试了该玻璃对于10ps，波长1030nm脉冲激光的透射率，发现其透射率随着功率的增加出现了变小的现象，并最终趋于不变，在测试的同时，观察到了玻璃发出强烈的绿光，为明显的荧光现象。

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插图索引

符号对照表

缩略语对照表

第一章 绪论

1.1激光的诞生与应用

1.2超快激光的发展

1.3超短脉冲激光在微加工技术中的应用价值

第二章 飞秒激光加工技术理论分析

2.1飞秒激光加工技术简介与发展

2.2飞秒激光与物质作用机制的理论分析

2.3飞秒激光微加工的效果分析

第三章 硫系玻璃的微加工特性与光波导制备研究

3.1引言

3.2加工材料GGSI玻璃的特性研究

3.3 GGSI玻璃中刻写单双线光波导研究

3.4光波导的传输特性研究

3.5 GSS玻璃中表面衍射光栅的制备

3.6本章小结

第四章 GGSI玻璃波导激光器的初步研究

4.1 GGSI玻璃中的荧光特性研究

4.2 搭建波导激光器的研究

4.3 GGSI玻璃损伤阈值的测试

4.4 GGSI玻璃的吸收率测试

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 本论文的研究成果与意义

5.2 本论文的研究内容

5.3展望

参考文献

致谢

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