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1、分类譬 密级缩号中国科学院研究生院硕士学位论文兰鱼警垦i8坠堑!i：芏堑连竖：遣塑型生里多刍圾一指导教师 毒j10ps)、短(激光脉冲宽度切割的白宝石片内部产生的光学损伤形态，与ps激光损伤不丽，损伤星“一”字形。实验过程中我们用了三台不同脉冲宽度的钛宝石激光器：(1)调Q的YLF(Photonic Inc，USA)泵浦的钛宝石激光器，输出脉冲宽度30ns，能量1mJ；(2)钛宝石再生放大器(Spitfire，Spectra Physica，USA)，输出脉冲宽度100fs、一 笙三主堂堂壁苎!重型坌堡堕塑坠型单脉冲能量08mJ；和(3)自己组装的钛宝石再生放大器，输出能量01mJ、脉冲宽度2
2、1015ps。光学介质为切割方向为(O001)白宝石。聚焦物镜为数值孔径055的长工作距离物镜；激光入射方向与z轴垂直。同样如图3一l所示：将白宝石样品固定在一个计算机控制的三维移动平台上，平台的最小分辨率达到7nm。样品的损伤情况直接用物镜-CCD相机组成的放大系统实时监控，通过控制移动平台的速度，确保每个损伤点只有一个脉冲。用ps和fs激光脉冲辐照白宝石晶体时，在监视系统中可以观察到损伤的阈值比熔融石英高。对我们的系统和激光参数而言(聚焦物镜50，055NA，13mm工作距离；800nm，150fs)，熔融石英的损伤阈值为lOOnJ，而白宝石片的损伤阈值为150nJ。图37A是自宝石在nS
3、激光脉冲作用下形成的典型的“米”字形结构(0001)切割)，这与白宝石晶体结构相对应。图3-7B是用055数值孔径的物镜聚焦lpJ的21ps激光脉冲到晶体内部产生的“十”字形损伤，我们旋转了激光的偏振方向，“十”字方向没有产生变化：当我们旋转晶体时，“十”字方向产生了相应的旋转，这说明损伤夕h型与偏振方向无关；图37C是用170nJ的fs激光脉冲聚焦到白宝石内部时，出现的“一”字形结构。改变激光的偏振方向，发现这些结构与激光的偏振方向无关。纳秒激光损伤主要是热效应，由于白宝石晶体的热膨胀系数比熔融石英大；因此，纳秒激光脉冲对白宝石的损伤形态与微秒脉冲和连续光相似，外型都呈现规则的“米”字形结构
4、。这与六方晶系(0001)方向的晶胞结构图一致，XYZ三轴在同一平面内，相互间的夹角为120。这说明在热应力作用下，晶体沿轴向发生滑移，出现类似位错一样的损伤。ps激光脉冲聚焦到白宝石表面刻写的一个阵列，点间距为Slam，中间出现一道明显的位错。实际上，在生长白宝石晶体的冷却过程中，也会出现由于热应力产生的线性缺陷1。33损伤形态分析分别采用了不同脉宽和不同聚焦条件下的激光脉冲对玻璃和晶体进行了照射实验得到不同的损伤外形。根据这一结果，我们给予一定的分析与解释。超短激光脉冲聚焦到透明介质内部，会诱导材料内部产生强烈的非线性吸收，与长脉冲相比，雪崩电离的作用随脉冲宽度的变短而迅速减弱。和长脉冲吸
5、收机理的结39 墼!塑垄鉴堑皇垄!坌壁塑兰堡旦果相似t产生一个高浓度的自由电子等离子体。但对100fs的激光脉冲来说，自由电子来不及将能量传递给附近的离子或品格，热效应不明显，只有在焦点以内的区域才会产生一些物理或化学变化。331折射率改变当透明的光学物质内局部温度超过了其熔化温度时，将使得此种物质发生熔化，最后导致介质中局部范围内非均匀地重新凝固，从而在介质的局部范围内形成物质密度和折射率的改变。当入射的激光能量接近于物质的能量损伤阈值时，透明介质内部的结构改变可以很小，电子和离子的热度不足以导致介质发生从聚焦点向外的爆炸性扩散，随后电子和离子发生复合，熔化的物质冷却、固化。由于物质熔化时，
6、在空间上温度的梯度变化很大，其固化也是极其不均匀的，从而使得物质的密度或折射率发生改变。用此种方法制作微光子器件时，应该尽可能地使得物质内局部范围内的折射率改变均匀。对于不同的物质(如一些半导体物质)来说，飞秒激光脉冲还可以通过打破物质中分予结合键的方式，导致物质结构的直接改变，而几乎没有热效应产生。由于不同的物理、化学原因，激光脉冲在物质中形成的具有不同形态的局部结构改变，可以用于不同的目的。在激光能量稍高于物质的能量损伤阈值时，在介质中产生的小的密度改变和折射率改变可以用来形成波导结构、构造光栅、光分离器等微光子器件。而在入射能量较高时在物质中所形成的空腔结构，具有较高的光学对比度，可用于
7、二进制数据的三维光存储。332圆锥形结构从图3-3(b)中可以明显看出，当使用065-NA物镜聚焦时，在透明介质中形成的是圆锥形的结构改变区域。对此的解释如下。当脉冲能量明显比物质的能量损伤阂值高时，脉冲前沿在焦点处形成了临界密度的等离子体。这种脉冲前沿产生的结构改变对应于圆锥形顶的位置。因为其余脉冲能量仍高于在焦点处产生临界密度等离子体的能量，导致等离子体的形成区域从激光焦点处向与入射激光的反方向扩展，此时激光束具有更高的能量，光斑尺度更大。在随后的脉冲时间段第三章激光脉冲j透I州介质耋古构改变里，产生了更大范围的结构改变，其位置要比焦点更靠近入射激光的方向，构成了如图33(b)中的圆锥形状
8、结构。在脉冲的峰值到达时，处于距激光焦点最远处的等离子体吸收了大量的激光能量，形成了圆锥的底。所形成的等离子体强烈吸收后续的激光脉冲能量，导致了圆锥底的结构改变具有更大的尺度。圆锥形底的结构改变范围最大，而且出现了裂纹现象；在圆锥形结构改变的内部形成了空腔；沿着入射激光方向最远处，在接近圆锥形项处，物质发生小折射率改变。从微加工的观点出发，在激光能量接近于物质能量损伤闽值时，发生的结构改变具有最高的精确度。激光导致的物质结构改变的范围与透镜的聚焦区域、所使用的激光单脉冲能量有关。333空腔结构在介质中所形成的空腔是微爆发生的明显证据。经过高强度的激光照射后，热电子将能量传递给物质晶格，物质中很
9、小的局部区域内的温度和压力急剧上升，导致气态的物质离子从聚焦区域向周围爆炸性地扩散，留下一个被高密层包围的空腔(或更小密度的中心)区域。这种结构可以通过对物质进行抛光处理，将发生结构改变的区域暴露在介质的表面上，用原子力显微镜或扫描电子显微镜进行观察，而得到其结构形态。由于这种结构具有很高的光学信噪比，我们使用这种结构进行飞秒激光脉冲在透明介质中的三维光存储的实验研究。34激光能量在透明介质中的沉积将激光脉冲紧聚焦到透明介质体内，使得部分激光脉冲的能量沉积在物质中，导致透明光学物质内局部结构发生改变。让这些结构在透明介质体内进行有序地排列，可以制作微光子器件、或在透明物质中进行三维高密度光存储
10、。在第二章中已经介绍了激光在透明介质中的传播，在高带隙宽度的光学介质中形成的非线性电离，和不同脉冲宽度的激光光束在高能隙宽度的透明介质中形成能量沉积的物理原因。高强度激光脉冲在其聚焦区域内可以通过多光子电离、望堕竖垄坚翌兰堕型缝塑兰堡旦隧道电离和雪崩电离将电子从价带激发到导带上。这种非线性电离导致了在激光强度很高的聚焦区域内形成等离子体和光损伤。对于熔融石英来说，在激光脉冲照射物质的时间范围(150fs)内，激光脉冲的能量只是沉积在电子中，而离子仍是冷的。经过大约lops的时间，电子通过与离子的碰撞，将能量传递给离子，在105K时达到热平衡。经过10ns的时间，电子与离子发生复合，此时热电子将
11、发出光子，降低能量而从导带回到价带上，所以会观察到标志着光损伤的火花f421。等离子体复合后，沉积在物质中的激光能量转变为热能。这种热能将在ps时f,J内从聚焦区域中扩散出去【421，形成物质的损伤。图3-8飞秒激光脉冲在石英内部记录过程中产生的光斑图样图38是将150fs脉冲聚焦到熔融石英中时，用CCD观察到的火花的图像。在对融石英进行损伤实验时，我们常以此作为损伤产生的标志，这也是31节中提到的Du等人【321认为形成损伤的标准。使用150fs与21ps脉冲的区别，在于21ps脉冲出现的火花更亮一些。这显然是因为对于21ps的脉冲来说，形成损伤所需要的能置更大，脉冲持续时间更长，电子与离子
12、发生复合的时间也更长、数量更多，因此亮度更高。我们还发现对熔融石英处理时，火花的成像半径随着聚焦点的深入而变大，亮度变暗。我们对此的解释是，出现热电子与离子发生复合时的火花范围和强度，标志着发生复合时导带电子的分布范围和密度。实验中发现火花的范围很大(如图3-8中所示，成像面积为100pm1001am)，表明(由于扩散等原因)导带电子的分布范围很大。但只有火花中心处的强度极高，表明此处导带电子的密度很高，除火花一 笙三翌堂堂堕鲨!堕型坌堡!i塑堕竺中心外的区域获得的热量不足以使得物质发生损伤；随着激光脉冲聚焦点的深入，由于像差的原因。使得光束直径展宽，其中心的峰值功率也相应地降低。因此形成的火
13、花范围增大，亮度也变暗。当激光能量高于其能量损伤闽值时，就会在介质中发生永久性的结构改变。导致这些改变有几种不同的机制或物理过程，从而在介质中形成不同的损伤形态，从小的物质密度的改变，直至在透明介质中形成微爆，导致空腔结构。当使用物质能量损伤闽值以下的激光能量照射介质时，不会在介质中形成(永久性的)结构改变。用更高的激光能量照射时，介质体中局部范围内的温度快速超过了物质的熔化温度，导致物质的熔化。当温度冷却下来时，物质将重新凝固，但这种凝固是非均匀性的，从而导致物质局部密度和折射率发生改变。当入射到介质中的脉冲能量更高时，介质内部局部区域内的温度急剧增加至介质的汽化温度以上，产生极高的温度和压
14、力，热电子和离子爆炸性地从聚焦区域扩散-丌来。这种爆炸性的扩散将在物质中留下一个被高密度层包围的较低密度的中心区域(甚至空腔)。在光学介质中所形成的这些小同的局；i|5结丰句i!j(变依赖_J二激光的参数、介质的各种物理硐I化学参数，以及激光光求的聚嫩睛犹。对于更长脉宽的激光脉冲来说，要达剑r阼线性i Ll离的能暴闽值，相对来说需要的能量更高一些。从而在更长的时问范H卦内，导致她多旧能量沉积在介质中，这些能量向外扩散的范围也更大，这种无序的热扩散U能会在物质体中导致从聚焦区域向外扩展，r来的裂丝。以11i的研究：I：作表I!f；j，当脉冲较宽时，激光脉冲在介质中产生的结构改变区域更大，形成的损
15、伤具有更大的不规则性。参考文献1SNolte，GKamlage，FKorte，TBauer，1Wagner，AOstendorf,CFallnieh，and HWelling，Advanced Engineering Materials 2，23(2000)2XLiu，DDu，and GMourou，IEEEJQuantum Electron33，1706(1997)3NBloembergenLaser-Induced Electric Breakdown in SolidsIEEE Z QuantumElectron，1974QE-10(3)：3753864KMDavis，KMiura，NS
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