高重频飞秒激光诱导磁性镍薄膜产生LIPSS的研究

飞秒激光诱导周期性表面结构(Laser-Induced Periodic Surface Structures,LIPSS)是使用线偏振激光作用于材料时最常见的一种表面形貌,一直被研究人员广泛关注,但是在磁性薄膜上诱导产生LIPSS的研究仍相对较少,因此研究高重频飞秒激光作用于磁性薄膜材料后材料磁学性质的变化是十分必要的。实验使用中心波长1030 nm、脉冲宽度300 fs、重复频率100 kHz的飞秒激光在厚度为100 nm的镍薄膜上进行线扫描,诱导产生了LIPSS。光学显微镜和电子显微镜图像显示,在高重频飞秒激光的热效应影响下,LIPSS条纹的周期测量值约为989 nm。通过X射线衍射仪和超导量子干涉仪对写有周期性LIPSS结构的样品进行测试并分析,证明了产生LIPSS过程中导致的材料原子重组并没有改变镍膜的颗粒大小和组成成分,飞秒激光作用后的磁性材料的饱和磁化强度也基本与原样保持一致,但其矫顽力发生了明显的变化,笔者认为这是由于加工过程中喷溅出的极少量反铁磁氧化镍颗粒产生的钉扎效应所导致的。

基于异步光学采样的电光频率梳时间抖动测量

电光频率梳是一种单频激光器经相位调制构造的光学频率梳,具有重复频率高、灵活可调等特点,通过精确的色散控制,电光频率梳在时域上可以输出超短脉冲激光序列,其时间抖动特性对于开展精密测量等应用十分重要.本文提出一种基于双光梳异步光学采样原理测量电光频率梳时间抖动的方案.建立了时间抖动测量的理论模型并进行数值模拟.搭建了一台重复频率为10 GHz、脉冲宽度为2.6 ps的电光频率梳,并开展了时间抖动的测量实验.测量的直方图分析表明,电光频率梳的周期抖动为3.86 fs.测量装置主体为光纤结构,且不需要高速光电探测器,有望对电光频率梳、微环频率梳等新型高重频光学频率梳时间抖动的测量与优化起到关键作用.

基于光谱增强技术实现对532 nm波长激光频率标定

碘稳频532 nm Nd:YAG激光器在复现长度单位“米(m)”、绝对重力测量、引力波探测、精密光谱学、长度计量等领域有着重要应用,对其进行频率测量和标定对于激光器的性能评价具有重要意义.本文采用自行研制的掺Er光纤光学频率梳作为光源,对其扩谱后的1μm波段进行光谱增强并结合倍频晶体将光学频率梳输出的1.5μm波段光脉冲扩展到532 nm波段.其中掺Er光纤光学频率梳输出功率20 mW,首先经过掺Er光纤放大器将功率提到370 mW,经过脉冲压缩后脉冲宽度为45.7 fs,此后经过高非线性光纤扩谱实现光谱覆盖至1μm,输出功率为180 mW.扩谱后的1μm波段激光经过掺Yb光纤放大器放大至601 mW,经过压缩后脉冲宽度为84.6 fs,压缩后功率为420 mW.采用MgO:PPLN晶体对压缩后激光进行倍频得到155 mW的532 nm激光,倍频效率为36%.利用该系统分别对碘稳频532 nm Nd:YAG激光器输出的基频光1064 nm和倍频光532 nm进行拍频,获得了优于40 dB信噪比的拍频信号,后续进行了超过10 h的连续测量,测量结果与国际推荐值保持一致.

多层微纳薄膜的高精度检测技术进展

在半导体、机械加工等行业中广泛应用的多层微纳薄膜通常是由数个纳米厚度的单层膜叠加形成的,在其制造过程中,由于工艺条件所限,薄膜厚度的均匀性会出现误差,进而影响其性能。因此薄膜厚度的准确测量至关重要,亟需一种无损、高精度、快速的检测技术对薄膜的厚度及其均匀性进行测量、检测。回顾近年来多层膜在不同领域的应用现状,分析了目前应用于多层膜厚度测量的技术(如X射线衍射等)及其不足,以及椭圆偏振法技术的研究进展,最后介绍了机器学习在厚度测量中的应用,并对未来机器学习与测量结合的前景进行了展望。

微结构光纤波导及器件中的超快光子学效应与光子行为调控研究年度报告

该年度主要研究了光子晶体光纤飞秒激光系统的平均功率提升与脉冲质量的改善。实现了新材料的光子晶体光纤,并利用高平均功率、高重复频率的光子晶体光纤飞秒激光系统作为泵浦源,获得了可见光-中红外的超宽带连续光谱调谐,并基于该光源泵浦具有微结构增强效应的Ga P晶体,得到了THz波产生效率的显著提升。

差频可调谐太赫兹技术的新进展

太赫兹技术在最近30年来得到快速发展,并在医学、生物、农业、材料、安检、通信、天文等领域得到广泛应用.从太赫兹源的频谱特性可以分为窄带(单频)太赫兹源和宽带太赫兹源.从频谱技术方面来说,相干的宽带和窄带太赫兹谱是一种互补性关系,具有各自的技术特点和应用范围.宽带太赫兹谱可以用于快速获取较宽频谱范围的分子振转谱,实现混合特征谱的快速检测或成像.窄带太赫兹源具有很好的光谱灵敏度和分辨率,适用于太赫兹抽运-探测、分子振转能级谱精细结构分辨以及太赫兹远程探测和成像.因此研制具有可调谐的高峰值功率的窄带太赫兹源是适用于探测和识别分子振转能级指纹谱的应用需求,而差频技术是获得高功率和宽调谐窄带太赫兹源最重要的技术之一.为了突出该技术的最新进展,本综述引证论文仅仅限于近5年来基于差频技术产生太赫兹波的研究进展,分为光学激光差频源和量子级联激光器差频源两大部分.对于光学激光差频源,分别对目前文献报道的各种双波长差频源和太赫兹产生用的非线性晶体进行分类介绍,并给出所采用的技术和实验结果;对于量子级联激光器差频源,分别介绍了量子级联激光器中的差频产生技术和波长调谐技术的最新进展.量子级联激光器差频太赫兹源是目前实现量子级联激光器在太赫兹波段室温运转的惟一技术,是实现小型化、窄带宽调谐和室温运转太赫兹源的新发展领域,值得关注.

光子晶体光纤中调制不稳定现象与超连续光谱的产生

研究了光子晶体光纤中调制不稳定性效应.从非线性薛定谔方程出发,计算和分析了光子晶体光纤中反常色散区以及正常色散区内的调制不稳定性现象,详细讨论了超短脉冲的脉宽、峰值功率、高阶色散和高阶非线性效应(如脉冲内喇曼散射、自陡峭效应)对调制不稳定性产生的影响.结果表明:二阶色散对调制不稳定性的影响要远大于三阶色散,同时也发现随着初始脉冲宽度的减小,调制不稳定性旁瓣增大但是强度有所降低.另外还发现高阶非线效应如自陡峭和喇曼效应会在不同程度上抑制调制不稳定性.

飞秒激光产生7.45W超连续光谱实验

分别分析了不同空气填充率光子晶体光纤与普通单模光纤熔接过程中损耗的来源和制约机制,实验研究了熔接参数对熔接效果的影响,包括熔接损耗随放电电流、放电时间和放电功率变化的情况。通过优化调整熔接参数,对高空气填充率和低空气填充率的两种光子晶体光纤都实现了低损耗熔接,熔接损耗为0.22 dB。并利用掺镱大模场面积光子晶体光纤飞秒激光放大器作为抽运源,在抽运功率为14.7 W时,实验得到了7.45 W的高功率超连续光谱输出,光谱覆盖范围650～1 750 nm。

800nm附近具有平坦色散的光子晶体光纤的计算与设计

采用矢量有效折射率方法设计了在800nm附近具有平坦色散的光子晶体光纤。将光子晶体光纤的总色散分为波导色散和材料色散两部分分别计算,并利用波导色散的比例性质来改变总色散。波长800nm是广泛使用的钛宝石飞秒激光器的工作波长,该光纤对于研究飞秒激光在光子晶体光纤中的传输特性具有重要意义。

飞秒激光在光敏玻璃内制作微孔

用20倍显微物镜将波长为775nm的飞秒激光聚焦在光敏玻璃(FOTURAN)内部,通过纵向写制模式由表面以下500μm曝光至表面,并结合热处理和在浓度8%的氢氟酸超声溶液中腐蚀50min,在FOTURAN内部制作了直径为几十μm的微孔.利用光学和扫描电子显微镜分析发现微孔具有圆形横截面和清晰边缘,目前得到的深宽比大约为7.通过在宽范围内改变入射激光能流(2.3～36.2J/cm2)和写制速度(100～1000μm/s),研究了这两项飞秒激光入射参量对制作微孔的影响.发现写制速度对制作微孔直径影响较小,而利用相对低的入射激光能流曝光可得到较大深宽比的微孔,并且在此情形下制作微孔的横截面更圆,璧面光滑度更高,并分析了原因.

飞秒激光微细加工中光耦合器参数的数值模拟

用有限差分迭代求解光束传输方程,对 1×2(Y型 )耦合器和 2×2(X型 )耦合器分路的夹角大小对分路中光束分配比例的影响进行了模拟研究 模拟结果显示:耦合器夹角控制在一定的范围内,对分路中光束能量分配影响不大; 2×2耦合器对分路夹角以及波导宽度的变化敏感 为飞秒激光加工光纤无源器件的可行性做了理论上的分析.

基于10m光子晶体光纤的放大自相似锁模振荡器研究

基于单根10 m大模场面积保偏光子晶体光纤,搭建了带有色散图的放大自相似振荡器;通过仔细调节腔内色散量的大小以及位于色散补偿端的端镜前的狭缝位置和大小,实现了稳定的锁模运转,获得了抛物线形脉冲输出.输出脉冲的重复频率为8.6 MHz,脉冲宽度为6.2 ps,光谱宽度为3.84 nm,平均功率820 mW,对应单脉冲能量95 nJ.这是第一次在自相似振荡器中直接获得重复频率在10 MHz以下的脉冲输出,95 nJ也是目前自相似振荡器直接输出的最高脉冲能量.通过数值模拟证实了在第一个光栅的零级反射处和狭缝滤波后可以分别实现抛物线型脉冲和高斯脉冲的两种锁模脉冲输出.

二氧化钒薄膜光致绝缘体-金属相变的太赫兹时域光谱研究

二氧化钒薄膜在光的照射下,会从绝缘体相变为金属,伴随有电导率的剧变,该现象称之为光致绝缘体-金属相变。二氧化钒薄膜的这种相变对于太赫兹波段的调制器或者其他功能器件有重要应用。利用太赫兹时域光谱技术研究了二氧化钒薄膜光致绝缘体-金属相变前后的透射光谱变化,分析了该薄膜的这种光致相变在太赫兹波段的特性。实验中二氧化钒薄膜相变成金属的过程分别通过连续激光照射和飞秒激光照射实现。两种照射方式下,均观察到了明显的太赫兹波形变化,并且随着照射光功率的增大,信号的幅度衰减以及时域波形畸变逐渐加剧。进而通过对透射太赫兹时域信号的傅里叶变换光谱分析发现,在照射光功率增加时,不但该薄膜的透射光谱幅值在下降,而且其谱线形状也在随之改变,其原因为二氧化钒薄膜的色散特性在光照条件下逐渐趋向金属性所致。为清晰的描述光致相变的色散特点,用二氧化钒薄膜光照前后透射光谱的幅度差定义了透射率调制函数来描述上述现象。在透射率调制函数曲线上,能够明显的看出二氧化钒的这种光致相变在太赫兹波段具有强烈的频率相关性质,并且随照射光功率变化呈规律性演化。进一步对比发现,虽然连续光和飞秒激光照射方式都能引发光致相变,但在同样透射光谱情况下,对应的激发光功率存在明显不同,对这两种照射方式下的相变效率差别进行了分析和讨论。

脉冲激光加工高分子材料

本文综述了脉冲激光辐照形成折射率改变、激光烧蚀产生表面周期结构和表面多孔结构以及激光块体材料微加工等几个方面的研究进展,总结了高分子材料的激光改性和烧蚀机制以及激光脉冲宽度和波长的影响,而激光作用机理还没有一个完善的表述.通常,对于不同的高分子材料,一般表现为光热和光化学特性共存的混合机制,并且与材料的结构和特性紧密相关.通过分析脉冲激光高分子材料微加工的特性,展望了脉冲激光在高分子材料微加工领域的应用前景.

全固态带隙结构光子晶体光纤中非线性过程的数值模拟

全固态带隙结构光子晶体光纤能够同时提供大模场面积和可控色散特性,为高功率下的非线性传输过程提供了一种新的介质,尤其在构成全光纤色散补偿和高功率孤子传输器件方面具有重要的应用价值。利用改进的广义非线性薛定谔方程数值模拟了全固态带隙结构光子晶体光纤中的非线性过程,分析了这种光纤中由于带隙特性和色散特性的共同作用,对飞秒激光非线性传输过程的影响,其中最明显的效应就是带隙特性对孤子白频移有很强的抑制作用。进一步详细讨论了入射脉冲峰值功率、带隙宽度以及带隙中心位置对非线性传输过程的影响。

孔助光纤(Hole-assisted lightguide fiber)色散和双折射特性的研究

通过改变包层中空气孔的参数,孔助光纤(holeassistedlightguidefiber)具有比传统光纤更容易调节的色散和双折射特性.采用有限差分法研究了包层空气孔数目、大小和位置等参数对孔助光纤色散和双折射特性的影响.数值计算结果表明增加空气孔的数目和尺寸以及减小空气孔到纤芯的距离都能够使得零色散向短波长方向移动,减小空气孔与纤芯的距离有助于获得更大的双折射.

基于太赫兹时域光谱的SBN:Ce陶瓷介电的光调制特性

在室温条件下,基于太赫兹时域频谱(THz-TDS)技术研究了SBN:Ce陶瓷在532 nm连续激光激发下的介电响应.在外加光场的作用下,该陶瓷的介电常数表现出良好的调制特性,介电改变量达到8.5%;同时,介电损耗增加了15%.实验结果表明,该材料折射率的变化|Δn|与外加光场强度呈现线性关系.通过建立模型,分析了SBN:Ce陶瓷的光-铁电机理,这些实验结果可以被归结为,激发的自由载流子在样品内部形成的内建电场导致的介电常数改变.探索铁电陶瓷材料在太赫兹波段的光-铁电性质对于太赫兹波调制器件的研究具有指导意义.

光子晶体光纤包层基模解析解法的研究

采用传统光纤的模式分类方法可以将光子晶体光纤包层的基模归为HE11模,研究了矢量解法和标 量解法在相同参数下求解的差别,计算表明在空气孔较大时标量解法会带来较大的误差。给出了新的求解包层 基模时等价的圆形单胞半径的最佳取值。

“激光原理”课程的思政案例教学探索

针对新时代全面推进高校课程思政建设,发挥好每门课程的育人作用,提高高校人才培养质量的要求,天津大学“激光原理”课程组开展了思政教育融入专业课程的实践探索。课程组根据学科特色深入挖掘激光专业课程的思政元素、天津大学激光专业发展中的思政资源,重点关注激光在大科学装置中的应用、我国在激光领域的原创性突破、著名科学家的突出贡献等,设计了多个思政教学案例,有机融合至课堂知识传授中,提升学生的使命担当意识,培养家国情怀,形成协同育人的良好效果。

纳焦飞秒激光在有机材料表面刻划微结构光栅的研究

使用振荡器产生的飞秒激光在透明有机材料PMMA表面进行了刻划微结构光栅的研究.通过理论分析得 到了飞秒激光参数和平台移动速度对线宽的影响,进行了系统的加工实验,加工结果与理论分析基本吻合.在透明有机材料PMMA表面进行了多种光栅的刻划,并对刻划的光栅进行了衍射和色散测试,调整光栅的尺寸和排列方式,得到了形状各异的衍射图案.