飞秒激光诱导玻璃中离子迁移

摘要

飞秒激光具有极短的脉冲宽度和超高的脉冲峰值功率，可利用其对透明介质进行空间有选择性的微结构改性，实现光子器件在透明介质内部的集成。通过飞秒激光对透明介质微加工的研究，透明介质新的光电功能特性不断地被发现和深入研究，为材料科学、强场物理、非线性光学等基础学科的理论研究提供了新思路。
　　本文对250kHz脉冲频率的飞秒激光在诱导各种玻璃材料中离子迁移等方面展开了系统的研究。研究的内容包括飞秒激光在玻璃内部诱导离子迁移、离子价态改变和光学性能改性等现象。具体可分为以下几个方面:
　　高重复频率的飞秒激光辐照玻璃时，辐照区域通过非线性光电离形成的等离子体能够强烈地吸收激光能量，使得激光能量不断在焦点区域沉积并向外扩散而形成一个温度梯度场。通过这种飞秒激光辐照形成的热积累效应，热影响区的玻璃温度达到几千度，玻璃熔化，化学键发生断裂。在温度梯度作用下，玻璃中各种离子就会由激光聚焦中心向温度较低的边界区域迁移。我们利用250kHz高重复频率飞秒激光辐照Bi2O3-GeO2玻璃产生激光辐照区域残余应力和元素的重新分布。发现残余热应力从未辐照区域到焦点区域逐渐增加，Bi元素在“内部结构”边界区域富集，Ge元素主要分布在“内部结构”的中心区域。化学组成及残余应力能改变玻璃中折射率的分布，为通过飞秒激光直写入及激光束能量改变进行光波导三维加工提供了理论依据。
　　我们通过飞秒激光辐照Ag离子掺杂的磷酸盐玻璃实现了诱导区域Ag离子价态和局域荧光性能的改变。发现飞秒激光辐照过程中Ag离子捕获电子形成Ag原子且在高的温度梯度场作用下发生了迁移与团聚，此外，发现“内部结构”中Na离子和Al离子的重新分布将会导致激光诱导区域玻璃网络结构的变化。这一基于激光操控离子价态和元素分布变化的微区荧光控制技术在光波导制备、高密度光学存储和超快非线性响应光开关等领域具有广阔的应用前景。
　　我们还选取了单掺K2O、单掺CS2O以及两者共掺的钙硅酸盐玻璃作为研究对象，以具有相同参数的飞秒激光对三种玻璃样品进行微加工。发现激光诱导结构的尺寸变化与样品的玻璃化转变温度有关，玻璃化转变温度越高，激光诱导结构的尺寸越小。同样作为网络改变体，K元素在“内部结构”边界区域的相对含量高于中心区域，而Cs元素则呈现相反的趋势。这为飞秒激光诱导结构的尺寸控制及元素重新分布实现透明介质性能的显微控制提供了新思路。
　　飞秒激光诱导透明介质中光子学微结构这一研究领域将材料科学、超快光学以及激光光谱学结合起来，是一个多学科交叉的新兴领域。开展这方面的研究一方面可以利用飞秒激光的特性发掘材料的新功能，推进光子学器件的发展;另一方面可以发现在普通条件下无法观察到的新奇的物理现象，促进非线性光学以及相关领域的研究。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 飞秒激光的发展历史

1．2 飞秒激光加工材料的机理

1．2．1 非线性光电离

1．2．2 雪崩电离

1．2．3 库仑爆炸

1．2．4 自聚焦效应

1．2．5 热积累效应

1．3 飞秒激光诱导微结构的类型

1．3．1 飞秒激光直写光波导

1．3．2 飞秒激光进行三维光存储

1．3．3 飞秒激光诱导亚波长周期性纳米结构

1．3．4 飞秒激光制备微通道

1．4 本研究工作的背景、意义及主要内容

1．4．1 本研究工作的背景与意义

1．4．2 本研究主要内容

第二章 实验方法

2．1 引言

2．2 样品的制备

2．3 飞秒激光微加工系统

2．4 光学显微结构观察

2．5 元素分析

2．6 激光共聚焦显微拉曼光谱分析

第三章飞 秒激光诱导锗酸盐玻璃元素及残余应力分布研究

3．1 引言

3．2 实验方法

3．3 实验结果及讨论

3．4 本章小结

第四章 飞秒激光诱导Ag离子掺杂磷酸盐玻璃发光性能的显微改性研究

4．1 引言

4．2 试验方法

4．3 实验结果及讨论

4．4 本章小结

第五章 飞秒激光诱导碱金属硅酸盐玻璃离子迁移的研究

5．1 引言

5．2 试验方法

5．3 实验结果及讨论

5．4 本章小结

第六章 总结

参考文献

致谢

个人简历

攻读学位期间发表的学术论文与取得的其它研究成果