微纳激光器的光场调控及应用

微纳激光器是谐振腔尺寸为微/纳米量级的激光器,其模式体积在波长或亚波长尺度,具有小尺寸、易集成、低阈值、宽波段、可调谐等特点,在光芯片上光信息的产生、传输、耦合、调制、探测等功能的实现中占据核心位置,是微纳光学领域的重要前沿.微纳激光的光场特性与其应用研究息息相关,为了实现微纳激光光源的多功能化,研究人员从微纳激光光场调控的理论机制和实验测试、器件应用方面展开研究并取得了一系列进展.本文聚焦于这2方面,概述了微纳激光器的相关研究进展,着重阐述了通过泵浦、增益和谐振腔3条研究路径来调控激光性能的方法,总结微纳激光器在传感、防伪、成像与显示等领域的应用进展,并对其发展趋势进行了展望.

稀土离子掺杂微纳激光器研究进展

微纳激光器能够将器件的物理尺寸缩小至微米甚至纳米级别,在集成光路和纳米技术等科技前沿领域有巨大的应用前景。在众多材料中,稀土离子掺杂激光增益微纳材料具有制备成本低、环境稳定性好、光谱丰富(紫外‑中红外)等独特优点,是一种理想的激光增益微纳材料。近年来,各种设计巧妙的稀土离子掺杂激光增益微纳材料的涌现,以及新型微纳光学谐振腔的设计和制造,大大促进了新兴稀土离子掺杂微纳激光器的发展。本文将从微纳激光器的基本组成出发,简要介绍新型稀土离子掺杂激光增益微纳材料的设计与制备,以及微纳光学谐振腔的基本原理;然后综述近期出现的具有代表性的稀土离子掺杂微纳激光器,讨论其制备工艺及激光性能。

微纳激光传感:原理与应用

光学微纳谐振腔可具有超高品质因子和极小模式体积,能极大增强光与物质的相互作用,是实现低阈值、窄线宽激光和高精度传感的理想平台.有源谐振腔中光学增益可以补偿谐振模式损耗,从而减小透射谱线宽;在激射状态下,激光阈值曲线斜率明显增加,进而压窄发射谱线宽.因此,当微纳激光器应用于传感领域时,灵敏度和分辨率会得到显著提升,从而降低探测极限.目前,基于不同结构的微纳激光器已被应用于多种物理场检测,包括温度、应力、角速度等,并在气体传感、离子检测、细胞标记等重要生化应用场景中同样展现出广阔的应用潜力.本文介绍了微纳激光的产生机制、传感机制及传感性能优势,梳理了微纳激光传感领域的研究进展,并对该领域的研究趋势进行了展望.

钙钛矿微纳激光器研究进展

钙钛矿材料作为新兴半导体材料,具有吸收系数大、载流子扩散长度长、缺陷态密度低和带隙可调谐等优点,在太阳能电池、光源等光电领域有着广泛的应用前景。本文主要探讨钙钛矿材料作为激光增益介质,应用于微纳激光领域所取得的成果与研究进展,并对不同激光腔的模式分类进行总结概述,最后对钙钛矿微纳激光的发展前景进行展望。

激光微纳烧结处理对玻璃陶瓷涂层组织及腐蚀性能的影响

采用高温烧结、球磨破碎的方法制备出了SiO2玻璃与Cr2O3陶瓷包覆型玻璃陶瓷复合粉末.利用常规氧—乙炔火焰喷涂技术在45钢基材表面制备出了玻璃陶瓷保护涂层,并使用激光微纳烧结技术对热喷涂层进行二次处理.研究了激光微纳烧结对玻璃陶瓷涂层组织与性能的影响.结果表明,采用激光微纳烧结对玻璃陶瓷涂层进行二次处理,可提高涂层结构的致密性,使组织均匀化,减少涂层中的微孔和微裂纹;明显提高界面的结合强度和涂层的疏水性能与耐蚀性能.因此激光微纳烧结二次处理技术可以显著提高玻璃陶瓷涂层的综合性能.

钙钛矿微纳激光器及片上集成

片上微纳激光光源在光计算、光通信、激光显示、光学传感、光学存储等领域中应用潜力巨大,引起了国内外研究者广泛的研究兴趣.钙钛矿材料作为一种直接带隙半导体,具有优异的特性,如量子产率高、非辐射复合速率低、制造成本低、带隙宽度可调谐、溶液可处理等.因此,它们在发光二极管、光电探测器和微纳激光器等领域得到了广泛的应用.本文首先介绍了单晶和多晶钙钛矿材料的合成方法,以及钙钛矿微纳结构的加工工艺,利用这些工艺可以制备钙钛矿纳米线、微盘、光栅等多种微纳结构.然后,从面外发射激光和面内发射激光两个方面阐述了钙钛矿微纳激光器的发展,并介绍了钙钛矿微纳激光器的片上集成方案.在上述对应的部分,还对这些研究工作进行了详细的分析讨论.最后,展望了钙钛矿材料及微纳激光器的发展趋势.

软物质激光微纳加工技术

针对软物质的激光微纳加工技术,通过激光辅助机械注射和可控自组装来实现装配软物质微滴球体结构的目的,相较于传统的液滴微流控技术具有显著的优势.本文研究了激光能量、光束尺寸、曝光位置等激光参数对激光辅助机械注射的影响,得到了最佳的激光参数条件范围,发现过高的激光强度(如0.365 mW)可诱发液晶材料的对流而不注入子液滴.研究了表面活性剂浓度、液晶种类和相态等材料因素对注射机械力,以及注入子液滴尺寸的影响.证实表面活性剂浓度影响的实质是不同的离子浓度会改变相同升温条件下所形成的界面张力梯度值(注射机械力提高3.1倍);发现液晶的相态对激光注射没有影响,而液晶的种类会改变注入难度(弹性常数K值越高越难注入).此外,引入液晶微滴的拓扑相错线作为子液滴的自组装模板,分析了注入子液滴在拓扑相错线上的自组装动力学过程.软物质激光微纳加工技术可应用于光电子、生物医药等领域的三维球体结构的极端加工与应用开发.

探讨飞秒激光微纳加工技术及其应用

激光微纳加工技术是制造技术中的一种先进高新技术,目前已在工业、机械制造等诸多领域有了广泛的应用。运用这种技术对材料进行加工,可以达到纳米级的加工分辨率,可以大大提高机械加工的精度与效率。本文主要探讨了飞秒激光微纳加工技术的原理与特征,以及该技术在实际中的应用。

飞秒激光直写铌酸锂晶体半包层光波导

本文采用飞秒激光微纳加工技术在铌酸锂(LiNbO_(3))晶体中成功制备了直径为30、40和50μm的半包层波导,并通过端面耦合技术对其导波性能进行测试,得出半包层波导在633、1550 nm波长下具有优良的传输性能,且仅支持TM偏振方向传输,具有单偏振性;通过计算波导的传输损耗,得出了30μm直径的波导在633及1550 nm波长下传输性能最佳。并且通过Rsoft软件理论计算,证明了实验结果的合理性。本研究结果为光波导设计和性能优化提供了重要的参考,具有一定的实验和理论价值。

第二届中国激光微纳加工技术大会将于9月在苏州召开

2018年9月19-21日,由江苏省激光产业技术创新战略联盟、广东省激光产业技术创新联盟等联合主办的第二届中国激光微纳加工技术大会将在苏州召开。此次大会将邀请国内来自于企业及高校研究所的知名专家参加。

飞秒激光微纳加工技术在多种材料加工领域的应用

所谓飞秒激光微纳加工,即运用超短脉冲激光的紧聚焦获得的焦点具有超高能量密度,同材料在微尺度的状态下产生非线性反应,对材料产生诱导作用,出现“改性”及“成型”等状况。飞秒激光加工技术优势明显,在材料加工领域内得到了广泛的应用,受到格外的关注与重视。该文在这一基础上,就飞秒激光微纳加工技术在多种材料加工领域的应用作简要论述。

基于金纳米颗粒的激光钛合金表面处理研究

钛合金的表面质量直接决定了种植体的成活率。针对传统表面处理方法带来的问题,文中基于时域有限差分法,提出了一种基于直径200 nm金颗粒的钛合金表面激光处理方法,研究了激光参数对钛合金表面光场分布的影响规律。仿真结果表明,由200 nm金纳米颗粒激发的近场增强分布区域为环形;增强倍数超过了6 500倍;通过改变入射光的角度可以进一步提高增强倍数;而背景折射率对金纳米颗粒激发的近场增强效果影响微小,能够在多种介质中进行表面处理。

激光微型化之路——从微波激射器、激光到等离激元纳米激光

激光的发明极大地推动了现代科学和技术的发展,其中在空间维度实现局域化的微型化激光成为了现代信息技术的基石。文章将从光辐射是由辐射源和其所处的辐射环境共同决定的这一光与物质相互作用基本观点出发,简述激光微型化的相关背景、物理意义、发展脉络,并讨论微型化激光的应用前景。

激光超衍射加工机理与研究进展

随着纳米科技和微纳电子器件的发展,制造业对微纳加工技术的要求越来越高.激光加工技术是一种绿色先进制造技术,具有巨大的发展潜力,己广泛应用于不同的制造领域.为实现低成本、高效率、大面积尤其是高精度的激光微纳加工制造,研究和发展激光超衍射加工技术具有十分重要的科学意义和应用价值.本文首先阐述了基于非线性效应的远场激光直写超衍射加工技术的原理与国内外发展状况,包括激光烧蚀加工技术、激光诱导改性加工技术和多光子光聚合加工技术等;然后介绍了几种基于倏逝波的近场激光超衍射加工技术,包括扫描近场光刻技术、表面等离子激元光刻技术等新型超衍射激光近场光刻技术的机理与研究进展;最后对激光超衍射加工中存在的问题及未来发展方向进行了讨论.

激光制造技术的现状及发展趋势

激光制造技术的研究、开发和应用十分活跃。简要介绍了激光连接、金属零件激光快速成形、激光表面改性、激光微纳制造的研究进展和发展趋势。

基于光子晶体光纤飞秒激光放大器的微纳加工系统

以掺镱大模面积光子晶体光纤(PCF)飞秒激光放大器为光源组建了一套结构紧凑且运行稳定的飞秒激光微纳加工系统,中心波长为1040 nm,重复频率50 MHz,最大平均功率16 W,光栅压缩后脉冲宽度85 fs。利用该套系统在硅片、金属薄膜(Cr膜、Al膜)上演示了微图案的刻划,并与采用重复频率1 kHz的固体钛宝石飞秒激光放大器的加工结果进行对比,发现利用新组建的加工系统进行微纳加工,由于单脉冲能量较小且便于调节,使得刻划微图案时边缘加工效果更容易控制,且避免了加工过程中未加工区域受到的污染,保护了制作衬底。显示了该套系统高重复频率和高平均功率的特性及其在改善微纳加工效果及明显提高加工效率方面的优势。

电子动态调控超快激光微纳制造

超快激光是指脉宽短于10 ps的激光,在制造过程中其作用时间、功率密度等趋于极端,具有超强(也就是非线性)、超快(也就是非平衡态)的独特优势。本研究提出了电子动态调控的核心思想。电子动态决定了材料的所有特性,包括它的光学、热力学、磁学、化学、电学特性等。超快激光的加工决定于光子与电子相互作用过程。超快激光脉冲可以激发、电离电子,从而改变辐照过程中的局部瞬时电子动态。在超快激光辐照过程中,电子密度的变化可以达到几个甚至上十个数量级,如此巨大的电子密度的变化使材料的瞬时局部特性也发生了巨大的变化。在超快激光辐照非金属过程中,辐照区域的非金属可呈很强的金属态,它的反射率从原来的接近于零变成了零点九几。这样强烈的材料瞬时局部特性的变化对激光光场进行了显著重整:激光在达到自由电子临界密度之前是高斯分布;当自由电子密度达到临界密度之后,多数光都被反射了。所以,我们通过设计激光光场时空分布以调节光子与电子的相互作用过程。当我们将一个超快激光脉冲分成两束来调节子脉冲间的延迟,就可以调节电子电离过程,从而改变瞬时局部状态。此时仅仅调节一个简单的参数——子脉冲间的延迟,就可以使自由电子的密度分布产生巨大变化。在不同延迟下,峰值自由电子密度变化非常的剧烈。相应的,在不同延迟下材料的瞬时局部特性变化也非常大。同样的,通过调整延迟,激光能量的吸收情况分布变化也非常大。所以,通过改变脉冲延迟,可使自由电子密度、材料的瞬时局部特性、激光透射能量分布等产生巨大变化。通过超快脉冲时空整形,调控电子-电子相互作用过程,进而局部调控电子瞬时状态(密度温度激发态分布等),从而调控材料瞬时局部特性,进而调控材料相变过程,实现全新的目标制造方法。我们建立了超快激光与材料相互作用的多尺度量子理论模型,提出了电子动态调控超快激光微纳制造新方法,通过设计超快激光能量时域及空域分布,调控加工过程中的能量吸收、传递及材料相变过程,进而提高加工质量、精度。此外,搭建了多时间尺度电子动态实时观测系统,观测超快激光微纳加工过程中的材料瞬时局部折射率、等离子体强度等,优化加工参数,实现了对局部瞬时电子动态的主动调控,并应用于国家重大需求关键核心构件的加工工艺中,开启了电子层面调控的新机理和新方法研究。

毛细管放电46.9nm极紫外激光应用研究进展

毛细管放电极紫外激光是一种小型化的纳秒极紫外激光光源。相比自由电子激光和同步辐射等短波长光源,该光源具有运行成本低、单脉冲能量高和机时充足等显著优势。随着毛细管放电极紫外激光光源的发展,其输出已提高至深度饱和区,并且实现了重复频率输出、多波长输出等多样化输出方式。小型化的灵活性和优质的输出参数使其逐渐成为进行极紫外激光应用研究的理想光源。本文介绍了自1994年毛细管放电极紫外激光成功输出至今,该光源在微纳结构加工、物质成分检测、生物科学以及高分辨成像等领域的前沿应用。在微纳加工方面,极短的波长和极小的能量衰减深度使得该光源能够在纳米量程内进行材料的刻蚀。同时,较长的激光脉宽增加了极紫外激光诱导自组织微纳结构的可能性。在物质成分检测方面,极紫外激光的高能量光子能够以单光子电离材料表面,结合飞行时间质谱仪测量纳米尺度范围内的材料成分,便可实现超高分辨的物质组成分布检测。在生物科学领域,极紫外激光能够实现对微观生物样本的三维成分扫描,获得更多的表征信息。在高分辨成像方面,基于极紫外激光的短波长和良好的相干性,以Gabor同轴等方法进行高分辨成像能达到接近照明光水平的成像分辨率。已有的应用成果表明,毛细管放电极紫外激光是探索微观世界、制造微观结构的有力工具。在人类对短波长光源需求日益增长的今天,毛细管放电极紫外激光将有更多的机会展现它的应用价值和优势。

激光微纳连接技术研究进展

激光微纳连接技术是实现微纳米结构、电子元器件批量化生产的基础,是微纳制造领域的关键技术。在简要介绍微纳连接技术的应用需求和主要技术方法的基础上,重点对微纳尺度的激光连接技术进行了分析和论述。首先介绍了激光连接技术的尺寸范围,然后根据其工艺特性的不同选取三种典型的激光微纳连接技术,即激光微焊接,微纳尺度的激光软钎焊和激光植球,分别论述该三种技术的加工原理及特点、工艺参数和应用现状。通过对激光微纳连接技术工艺参数的研究和应用现状的总结,探讨激光微纳连接技术在航空航天、微电子封装、医疗器件等领域的重要应用,并对激光微纳连接技术的发展方向和未来研究工作进行了总结。

高重复频率飞秒激光烧蚀熔融石英制作单偏振微结构波导

利用中心波长为1040nm、脉宽为190fs、重复频率在200～5000kHz之间可调的飞秒激光对熔融石英进行微加工。研究了烧蚀阈值随脉冲重复频率、扫描速度的变化规律,阐明不同参数下热扩散效应及热累积效应对烧蚀过程的主导作用。在最优化条件下,制作了双线波导,可以对1040nm激光实现圆形基模传输。进一步制作了椭圆晶胞的六角微结构波导,对1040nm激光可以输出近高斯强度分布的基模,模场面积达到247.48μm2。该微结构波导可实现单偏振传输,消光比达9.05,波导数值孔径约0.017。