飞秒激光直写Nd:YVO4晶体包层波导激光

采用飞秒激光(500 kHz重复频率)直写技术,在Nd:YVO4晶体中制备了埋藏晶体表面以下的包层光波导.具体研究了脉冲能量、深度、扫描速度和飞秒激光偏振等写入条件对光波导性能的影响.1.06μm波长的激光在光波导中传播时,光波导的插入损耗低至2.4 dB.利用808 nm波长的激光泵浦,在室温下实现了1064 nm波长发射的连续波导激光器.对不同直径的光波导,均实现了多模光波导和波导激光.直径为60μm的波导产生的最大输出功率为143 mW,斜率效率为21.3%.利用微拉曼光谱对光波导进行了表征,激光直写轨迹处晶格被破坏,伴随折射率降低.

飞秒激光直写加工SERS基底及其应用

表面增强拉曼光谱(Surface-enhanced Raman spectroscopy,SERS)是一种高灵敏度、高分辨率的分子识别技术,在多个领域具有非常重要的应用价值。飞秒激光直写作为一种新兴的低成本、高分辨率、高灵活性的微纳加工方法,在制备SERS基底领域得到了广泛的应用。本文重点概述了四种飞秒激光直写制备SERS基底的加工方法,主要包括飞秒激光双光子还原、飞秒激光切割金属、飞秒激光切割-溅射、飞秒激光3D打印。文章简单介绍了各方法制备SERS基底的性能与应用场景,阐述了飞秒激光直写加工在制备SERS基底中的优势,旨在为今后相关研究提供参考。

飞秒激光直写诱导PMN-PT晶体表面LIPSS结构相变特性

本文提出一种由飞秒激光直写技术诱导的基于弛豫铁电体PMN-PT晶体的表面周期结构(LIPSS),通过不同激光参数的改变,实现了LIPSS结构周期从750 nm到3μm的变化。最后,通过升高温度探究了LIPSS结构的相变特性。对比基底的相变特性,飞秒激光诱导的LIPSS结构的居里温度有明显的降低,这一特性将会为基于PMN-PT晶体的温控调制器的制备提供新思路。

飞秒激光直写生物凝胶模板原位合成纳米粒子

为了制备具有可控复杂形状和特定化学性质的聚合物微结构,提出了一种飞秒激光直写生物凝胶模板原位合成纳米粒子的方法。首先,采用飞秒激光直写技术加工带有COOH基团的复杂三维结构的生物凝胶模板,用氢氧化钠处理使COOH基团离子化为COO-基团;然后,用金属盐溶液处理,使金属离子与COO-基团螯合,形成纳米粒子结晶核。通过多次循环盐溶液处理步骤,控制模板中纳米粒子的粒径与含量。实验结果表明:所制备的生物凝胶模板具有亚100 nm分辨率和10μm量级尺寸,纳米粒子含量高达9%。该法简单高效,具有很好的应用前景。

利用飞秒激光直写实现透明介电材料中三维维微微纳结构的制备与集成

本文综述了利用飞秒激光三维直写技术,在玻璃和晶体等透明介电材料中实现微流体、微光学、微电子学等一系列功能性微纳结构,并进一步构筑新型微纳光子器件的原理、技术与应用。

飞秒激光直写LPFG的蛋白质浓度检测

为了实现对蛋白质溶液浓度的测量,搭建了蛋白质浓度测量系统。建立长周期光纤光栅（Long period fiber grating,LPFG）谐振波长与蛋白质溶液浓度的关系并探究了温度对水和蛋白质溶液浓度的影响。系统采用飞秒激光直写制备LPFG,将配比好的不同浓度溶液分别滴到LPFG上,观察谐振峰波长的漂移情况。实验结果表明：当蛋白质溶液浓度从0%变化到2.98%,谐振波长发生红移,谐振波长与蛋白质溶液浓度呈线性关系,灵敏度为637.15pm/%,线性度为0.9743。随着溶液温度的升高,LPFG在纯水中的谐振波长发生蓝移,温度与谐振波长呈的线性关系,灵敏度为64.77pm/℃,线性度为0.9768。LPFG在2.98%的蛋白质溶液中的谐振波长发生红移,温度与谐振波长呈线性关系,灵敏度为41.36pm/℃,线性度为0.9011。该测量系统灵敏度高,可实现蛋白质溶液浓度的实时监测。

飞秒激光直写光量子逻辑门

量子比特在同一时刻可处于所有可能状态上的叠加特性使得量子计算机具有天然的并行计算能力,在处理某些特定问题时具有超越经典计算机的明显优势.飞秒激光直写技术因其具有单步骤高效加工真三维光波导回路的能力,在制备通用型集成光量子计算机的基本单元—量子逻辑门中发挥着越来越重要的作用.本文综述了飞秒激光直写由定向耦合器构成的光量子比特逻辑门的进展.主要包括定向耦合器的功能、构成、直写和性能表征,集成波片、哈达玛门和泡利交换门等单量子比特逻辑门、受控非门和受控相位门等两量子比特逻辑门的直写加工,并对飞秒激光加工三量子比特逻辑门进行了展望.

基于光场调控的飞秒激光直写光波导研究进展(特邀)

飞秒激光直写是一种无掩模、高效、灵活的三维加工技术,可以对材料实现微纳米级加工,已经成为应用最广泛的材料精密加工技术之一。基于光波导的微纳光子器件(如分束器、频率转换器和电光调制器等),不但可以保持块体材料本身的优异特性,还能极大提高器件的性能和集成度,具有块体材料器件所不具备的特点和优势。因此,对集成光波导和光波导器件的研究,一直是集成光学和现代光通信领域的研究热点。利用光场调控技术,对传统的飞秒激光高斯光束进行整形,能够大幅度提升波导加工效率和质量。本文从光束整形出发,综述了整形飞秒激光直写光波导的最新研究进展,并对潜在的几个研究方向进行了展望。

基于飞秒激光直写的单向单模耦合微腔

对具有高Q值的回音壁模式微腔进行调制来获得单向单模输出,对研究腔光力学和开发高质量的微激光具有重要意义.本文对利用飞秒激光直写加工的耦合回音壁模式微腔的研究进行了简要回顾,具体介绍了微腔结构设计、加工过程、激射和耦合机制研究等.利用飞秒激光直写加工的强大三维图案化能力,灵活地设计实现了具有集成功能的单个微腔和具有不同空间组合位置的多个耦合微腔.基于耦合微腔的微激光具有低阂值,同时显示出良好的单模特性和单向性.结合理论模拟可以证实,微腔与微腔/光栅之间的耦合,一方面支持游标效应和集成滤波两种选模方式,另一方面能够破坏微腔的旋转对称性从而获得单向输出,从而实现了对微腔输出的有效调控.

利用飞秒激光直写技术制备钙钛矿微盘激光器

利用溶液法制备的钙钛矿微/纳米晶虽然可以得到性能良好的微型激光器,但是其所需生长周期较长且缺乏重复性。为了解决这一问题,提出了利用飞秒激光直写技术制备高重复性钙钛矿微盘激光器的新方法。首先使用双源共蒸的方法在石英玻璃衬底上沉积FAPbI_(3)钙钛矿薄膜,然后采用飞秒激光直写技术在FAPbI_(3)钙钛矿薄膜上制备不同直径的微盘激光器,最后测试其激光性能。实验结果表明,随着微盘直径的增加,激光阈值呈线性增长,最终可实现约4.7μJ/cm^(2)的极低激光阈值。利用飞秒激光直写技术制备的钙钛矿微盘激光器具有出色的激光性能,且重复性高,因此该技术非常适用于批量制备钙钛矿微盘激光器,为其产业化应用提供了可能。

飞秒激光直写光波导放大器与激光器(特邀)

飞秒激光直写技术因其精度高、效率高、脉冲持续时间短、峰值功率高且能在多种材料中加工的优点,已被广泛应用于制备各种集成光电器件、光学传感器件。近几年,飞秒激光直写光波导放大器与激光器已经被越来越多的人关注。本文主要介绍飞秒激光直写光波导放大器和激光器的最新研究进展,包括:Type-Ⅰ型、Type-Ⅱ型、脊型和可变截面光波导放大器和激光器的波导传输和插入损耗、光放大增益特性,以及波导激光输出特性。最后,对该技术及其相关研究进展进行总结、分析、归纳,并展望该领域未来研究、应用和发展方向。

大曲率低损耗弯曲波导的飞秒激光直写

飞秒激光直写光波导是实现三维光子集成芯片(PIC)的重要技术手段。PIC集成度的提升受弯曲波导曲率半径的限制。为了实现大曲率低损耗弯曲波导的飞秒激光直写,提出多次激光修饰增强波导芯层与包层折射率对比度的方法来优化芯层的横截面折射率分布。在20 mm曲率半径下,实现S型弯曲波导低至0.64 dB/cm的弯曲损耗。该方法在降低弯曲波导损耗方面拥有巨大潜力,对于提升PIC的集成度具有重要意义。

基于飞秒激光直写技术的金属图案化研究(特邀)

飞秒激光直写是一种新型的纳米加工技术,但由于飞秒激光和金属的光热效应会产生激光烧蚀现象,难以直接在金属上实现高质量图案转移。结合飞秒激光直写技术和剥离(lift-off)工艺,开发了一种新型金属图案转移技术,可成功实现亚微米精度(0.89μm)的金属图案转移。探究了飞秒激光直写参数及显影方式和参数等对金属转移性能的影响。研究发现,随着飞秒激光曝光剂量的增加,金属转移精度有所提高。同时,干法显影效果优于湿法显影效果,且随着牺牲层显影时间的增加,转移线宽逐渐增大,但线条的粗糙度得到改善。在金属转移工艺中,通过设计并引入一定的底切角度,成功改善了金属线条的边缘翘曲和粗糙度高的现象。结合飞秒激光直写技术和lift-off工艺实现了直径为2 inch(1 inch=2.54 cm)的铬基转移光栅,并验证了制备的铬图案作为掩模板曝光的可行性,实现了SU-8光刻胶上的投影曝光,证明了所提策略局部替代电子束光刻进行掩模板加工的潜力。此外,基于该策略实现了Au和Pt的图案转移,说明所提策略具有一定普适性。

飞秒激光直写玻璃基三维波导拓扑光子学结构(特邀)

飞秒激光直写技术具有优异的三维直写能力,可以灵活精确地构造和调控复杂波导阵列的结构和参数,是制备拓扑光子元器件的重要手段。综述了利用飞秒激光直写技术在玻璃内部制备的各类光波导拓扑结构,包括打破和不打破时间反演对称性的周期性晶格以及非厄米拓扑光波导系统,介绍了相应的研究进展,总结了面临的挑战,并提出了可能的解决方案。

飞秒激光直写三维光波导的应用与挑战(特邀)

得益于飞秒激光直写技术的穿透式真三维改性加工能力,多种介质内任意三维路径及截面形状的光波导得以实现并得到了重要应用。本文围绕飞秒激光直写光波导的机理及基本类型,综述了三维光波导器件在光通信、集成量子光学、拓扑光子学、天文光子学以及光学传感等领域的应用。从三维光子芯片的应用需求入手,总结了飞秒激光直写技术在低损耗、任意截面、大纵深直写和可重构三维波导制备中面临的挑战,并展望了飞秒激光直写三维光波导的未来发展趋势。

飞秒激光直写辅助等离子体刻蚀制备达曼光栅器件

采用飞秒激光直写技术在蒸镀在薄膜铌酸锂的金属铬膜上加工掩模版,结合电感耦合等离子体刻蚀技术,将掩膜图案转移到薄膜铌酸锂上,成功在薄膜铌酸锂平台上制备出了220 nm厚的具有高保真度的达曼光栅器件。采用波长为532 nm的连续激光器作为光源,搭建了测试光路,对光栅结构的衍射性能进行了表征。测试结果表明:制备的二维达曼光栅表现出良好的分光结果,能够衍射出分光阵列数为2×2、3×3、4×4的均匀光强点阵,制备的涡旋达曼光栅具有较高的涡旋光束产生效率,能够衍射出分光阵列数为1×2的涡旋光束阵列,耦合实验结果与理论仿真结果吻合。

飞秒激光直写Tm∶YAP波导脉冲激光器

利用飞秒激光直写技术制备Tm∶YAP光波导并实现1.9μm波导调Q锁模激光输出。结合具有金属特性的NbSe2薄膜作为可饱和吸收元件进行光学调制,波导激光输出的激光脉冲重复频率为7.8 GHz,最短脉宽为62 ps。这也是已报道的从Tm∶YAP波导中获得的最短激光脉宽。通过调整泵浦光的偏振,可以获得1855.87/1892.54 nm的双波长激光输出。结果表明,具有金属特性的NbSe2薄膜在调制中红外超快脉冲激光器方面具有较大的应用价值。此外,双波长输出的紧凑型Tm∶YAP波导脉冲激光器在多功能集成光子学研究方面具有较好的应用前景。

空间整形飞秒激光高效制备纳米光栅

针对常规物镜聚焦飞秒激光光斑较小,难以单次直写加工成型大面积纳米光栅结构的问题,提出了利用空间狭缝整形的飞秒激光脉冲直写方法。通过开展单晶硅表面纳米光栅结构对加工系统的参数依赖关系研究,获得入射整形飞秒激光能量密度8.00μJ/cm^(2)、扫描速度9 mm/s、狭缝宽度0.40 mm的优化条件。采用SEM、AFM等手段对光栅进行微观表征,结果表明,单次扫描所制备的纳米光栅结构具有极高的宽度(41.20μm),说明提出的方法可以显著提升一次成型大面积纳米光栅结构的制备效率。

基于飞秒激光微加工的温度补偿型高灵敏度光纤光栅传感器的实验教学研究

在传统的大学物理实验教学中,长周期光纤光栅的折射率灵敏度较低且温度灵敏度通常为正值,与布拉格光纤光栅相结合不能很好地实现温度串扰的消除。因此,我们利用飞秒激光直写技术制备出一种微纳光纤布拉格光栅(mFBG)与微纳小长周期光纤光栅(SP-mFLPG)级联的温度补偿高灵敏度光纤光栅传感器。这种传感器体积小巧、稳定性高,折射率灵敏度高达759.02 nm/RIU,同时具备温度补偿特性等优势。对于本次传感器的制备实验教学,有助于本科基础教学授课,为创新性教学实验带来更多可能性,学生将参与微纳光纤器件的制作与测试实验,这将有助于他们提升动手能力、专注力以及科研素养。更重要的是,学生们能够涉足创新性的光纤结构设计领域,从而激发其对新型光纤器件和传感应用的兴趣,为其未来学习和深造奠定坚实的基础。

基于飞秒激光的高速双光子刻写技术

基于飞秒激光的双光子聚合(two-photon polymerization,TPP)加工技术一直是三维微纳加工技术中的研究热点。随着生命科学、材料工程、微纳光学等领域对复杂、大面积微型三维器件制备需求的提升,TPP加工效率不足的问题日益严重,加工时间过长不仅造成加工结构的不稳定,更是严重阻碍这些重要三维器件的进一步推广应用。本文以TPP加工效率提升方面的研究工作为主线,分别从单光束刻写、并行多光束刻写、面曝光和体曝光四个方式进行总结与对比,阐述相应的光学系统设计、刻写策略、刻写精度与通量等方面的研究情况,总结各种技术的优势与劣势,同时展望未来发展趋势。