飞秒激光加工微光学器件若干关键问题研究

摘要

飞秒激光加工技术作为一种高精度的无掩模加工技术，在微光学器件的加工领域具有一些明显的优势，主要表现为：飞秒激光脉冲持续时间超短，存加上时热影响极小，提高了加工质量；超强的峰值功率可以激发材料的双光子/多光子吸收效应，使其加工分辨率可以突破衍射极限，提高了加工精度；而且飞秒激光可以深入透明材料内部进行加工，具备加工复杂三维结构的能力。 但是，在将飞秒激光加上技术应用到微光学器件加工领域的过程中，还存存一些问题尚未得到很好地解决。其中较为常见的足加工区域不对称以及如何通过并行加工提高加工效率两方而问题。本论文针对这两类问题，在前人的工作基础之上，提出新的解决思路，进行了进一步的研究。 1、使用光束整形方法可以较好地改善加工区域中心对称性，目前的两大类整形方法均可获得较好的加上结果。一类整形方法使用狄缝类元什阻挡某个方向的光束通过，以此来改变焦点处光强的分布对称性。该类方法简单易行，但是会损耗大量的能量，在实际应用中应该尽量避免；另一类整形方法使用多种透镜组成的透镜组对光束整形，使焦点处光强分布趋于对称。该类方法对光强对称性有较高精度的挎制，但是光路复杂，调试困难，并可能由于使用了较多的元件而带来其他影响加工的因素，这对实际应用也是不利的。 针对这些问题，本论文提出在加工光路中仅插入一个透镜对光束整形，达到改善加工区域中心对称性的目的。该方法利用了透镜对高斯光束的变换作用，操作简单，而且无额外的光能损失。文中对该方法进行了理论分析，模拟了其对改善光强分布的作用。随后在实验中对这种方法进行了验证，实验结果显示该方法对改善加工区域中心对称性具有良好的效果。 2、目前提高飞秒激光加工效率的并行加工方法，多是通过分光元件对激光分束，聚焦分光后的多个光束产生多个焦点，利用这些焦点实现并行加工，大大提高了扫描式加上的效率。但是此类方法的多个焦点是通过分光元什产生，因此它们的分布完全依赖于分光元仆的特性。需要调整加工出的多个微光学器件的分布时，往往需要更换分光元件，这给加工造成了极大不便。 飞秒激光与物质作用时，会因为其极高的功率密度产生自聚焦及其它多种非线性现象。在一定条件下，这些非线性效应的共同作用会使光束自发产生多次聚焦。本文研究了如何利用这利咱发多次聚焦进行微光学器件的并行加工。该方法中的多个焦点足由光束与物质作用时自发产生，其分布仅依赖于光强等参数，所以可以通过对光强等参数的调整实现对并行加工的控制，相对简单易行。文中对自发多次聚焦进行了数值模拟，总结出影响多个焦点分布的因素。在实验中，利用这种多次聚焦产牛的多个焦点并行加工出多个光波导，通过调整影响因素实现了对并行加工出的多个波导分布的控制，验证了该方法的可行性。基于以上研究工作，本义在以下两方面有创新之处： 1、提出一种新的改进垂直式加工的方法，该方法可以有效改善加工区域中心对称性。相对以往的改进方法，实现起来更为简单，同时不会引入额外损耗。 2、首次提出利用飞秒激光与物质相互作用时自发产生的多次聚焦进行并行加工。相对以往利用分光元件进行并行加工，该方法对加工结果分布的控制更加灵活方便。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：插图目录、表格目录

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第一章绪论

1.1微光学器件的发展及其加工技术概述

1.2飞秒激光加工技术特点及其在微光学器件加工方面的研究进展

1.2.1飞秒激光及其加工特点

1.2.2在微光学器加工上的应用及目前进展

1.3飞秒激光加工微光学器件中存在的问题

1.3.1加工区域对称性问题

1.3.2加工效率问题

1.4论文研究目的与意义

1.5论文的主要内容

第二章飞秒激光加工微光学器件的理论基础

引言

2.1飞秒激光与物质相互作用的机理和特点

2.1.1激光与物质作用的机理

2.1.2飞秒激光与物质作用的特点

2.2飞秒激光与光学材料作用时的特点

2.2.1飞秒激光与光学材料作用的机理

2.2.2飞秒激光诱导折光学材料射率变化的机理

2.3飞秒激光加工光波导的影响因素

2.3.1折射率变化的影响因素

2.3.2光波导传输损耗的产生机理和影响因素

2.4本章小结

第三章光束整形改善加工区域对称性的理论分析与数值仿真

引言

3.1垂直式加工引起加工区域的非对称

3.2目前的改进方法

3.2.1通过控制像散对光束进行整形

3.2.2通过引入狭缝光阑对光束进行整形

3.2.3前人工作小结

3.3光强分布理论分析

3.3.1两个方向上光强的空间分布

3.3.2两种光强分布一致的判据

3.4光束整形改进对称性的理论分析与模拟

3.5本章小结

第四章利用自发多次聚焦进行并行加工的理论分析与数值仿真

引言

4.1飞秒激光并行加工的现状

4.2自发多次聚焦的理论分析

4.2.1自聚焦的产生

4.2.2自聚焦的影响因素

4.2.3自聚焦的形式和自发多次聚焦的产生：

4.3多焦点的数值模拟

4.3.1光波传输方程

4.3.2仅考虑自聚焦和衍射的相互作用

4.3.3综合考虑多利非线性效应的作用

4.4多焦点加工的可行性与可控性分析

4.4.1加工可行性

4.4.2加工可控性

4.4.3多焦点均匀化

4.5本章小结

第五章飞秒激光加工光波导的实验研究

引言

5.1加工系统介绍

5.2改进垂直式加工的实验研究

5.2.1平行式加工与垂直式加工的比较

5.2.2对垂直式加工的改进

5.2.3改进的垂直式加工总结

5.3多焦点并行加工实验研究

5.3.1多焦点的加工介绍

5.3.2加工实验及影响因素分析

5.3.3与单焦点加工结果对比

5.3.4多焦点加工小结

5.4本章小结

第六章总结与展望

6.1工作总结

6.2存在的问题及对后续工作的展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的文章

致谢