基于飞秒激光刻写的微腔型波导马赫-曾德干涉器及其折射率传感性能研究

平面光波导传感器相较于传统的光纤传感器结构,具有更好的机械性能,并且对于振动等因素具有更低的交叉响应,因此在光传感领域具有独特优势。在本研究中,我们利用飞秒激光刻写及激光辅助化学刻蚀技术,在石英玻璃中制备了微腔型波导传感器结构,该结构由对称的分支型波导马赫-曾德干涉器及在其中一路上所制备的光学微腔构成。当待测液体浸入微腔时,传感器呈现明显的干涉峰漂移,其折射率灵敏度在1.35折射率附近达到了约16311.8 nm/RIU,因此在高灵敏度的波导液体传感及生化传感领域展现出了显著的应用潜力。

飞秒激光加工微悬臂梁薄膜光纤声波传感器

设计并制作了一种光纤微悬臂梁传感器,由于悬臂梁在受迫振动过程中不会产生拉伸变形,与四周固定的圆形密闭薄膜相比,会产生更高的声波灵敏度。采用飞秒激光加工制作微悬臂梁薄膜光纤声波传感器,制备出长宽均为500μm,厚6μm的微悬臂梁结构。通过实验得到其反射光谱对比度为8.8 dB,自由光谱范围为7.72 nm,理论计算得光纤法布里-珀罗腔长为155.6μm。研究结果表明,该光纤声波传感器在2200 Hz处出现明显的共振峰,对应的声压灵敏度为414 mV/Pa,在300 Hz时有最大的灵敏度675 mV/Pa,与普通硅橡胶薄膜声波传感器相比灵敏度显著提高。理论计算硅橡胶微悬臂梁光纤声波传感器的一阶共振频率为198 Hz,与实验测得的共振频率较为接近。同时悬臂梁传感器的声压灵敏度可达675 mV/Pa,声压响应线性度为0.994。

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。

基于飞秒激光微加工的介质膜损伤修复研究

针对波长1053 nm,0?高反介质膜元件,采用有限时域差分法,模拟分析了损伤修复点边缘与法线的夹角对膜层内电场强度分布的影响,该角度越小,修复点的损伤阈值越高.通过优化飞秒激光微加工过程中的焦斑尺寸、脉冲能量、扫描步长和扫描次数等参数,获得了夹角为25?、深度为14μm的修复点.该修复点典型的损伤阈值为21 J/cm2,是修复前的2.3倍,50个修复点的测试结果表明该修复参数具有非常好的可重复性.修复点的测试结果还验证了修复点边缘与法线的夹角大小与其损伤阈值的关系,45?的电场强度最大值约为25?的2.5倍,而45?的损伤阈值约为25?的1/2,模拟和实验结果一致性较好.同时,实验验证了微加工的激光脉宽对修复点损伤阈值的影响,在只改变脉宽的情况下,脉宽越长,损伤阈值越低.

飞秒激光微加工制作双包层光纤光栅及其在光纤激光中的应用

简要说明了光纤光栅的基本特性和选频原理及其在双包层光纤激光器方面的应用与优势。介绍了飞秒激光微加工制作光纤光栅的基本原理及特点,并与传统的光纤制作方法——全息干涉法、相位掩模板法进行了比较。综述了飞秒激光微加工制作双包层光纤光栅的研究进展。

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。

飞秒激光加工对熔覆层侧壁粗糙度的影响

针对熔覆成型件表面粗糙的难题,提出了在成形过程中对熔覆层侧壁进行飞秒激光精密加工的方法,重点研究了精密加工过程中飞秒激光的能量密度、能量分布、光斑重叠率对熔覆层侧壁粗糙度的影响规律,结果表明:当焦平面处飞秒激光的能量为高斯分布,加工得到的熔覆层侧壁表面粗糙度Ra<3μm时,激光能量密度介于0.12~0.34 J/cm^2之间;当能量为平顶分布并且加工后熔覆层侧壁表面粗糙度Ra<3μm时,最佳能量密度范围为0.13~0.66 J/cm^2;同等参数条件下,平顶能量分布激光加工得到覆层侧壁粗糙度小于能量高斯分布时的粗糙度数值。熔覆层侧壁粗糙度随光斑重叠率的增加先减小后增大,实验获得的最佳重叠率范围为78%~85%。

金刚石表面飞秒激光直写微米石墨线

利用120 fs、800 nm钛蓝宝石飞秒激光器微纳加工系统,在化学气相沉积金刚石薄片表面进行了石墨化的研究,得到了导电性良好的微米尺度的石墨线。利用Raman光谱研究了激光的功率、激光扫描速度等对石墨化程度的影响规律。结果表明,在飞秒激光直写区域有纳米晶石墨、无定型碳及残留金刚石存在。优化辐照激光能量和激光扫描速度参数,可以得到较好的纳米晶石墨线结构。以10μm/s扫描速度,1.14μJ激光能量刻写出了毫米级长度的石墨线。利用半导体电阻测试仪对其伏安特性进行了测试,测得1 mm长石墨线的电阻约67.2 kΩ。该研究对基于金刚石的生物传感器、放射量测定计,及器件内掩埋石墨电极等制备都有一定的指导意义。

秒激光双光子微纳加工技术及其在光子学微器件制备中的应用

飞秒激光可以与包括玻璃、陶瓷、半导体、金属、塑料、树脂等各类物质产生相互作用,其相互作用原理不同,加工方法也不同。利用非线性光学效应——双光子吸收的飞秒微纳加工技术是最独特也是最具有应用前景的微纳加工技术。利用显微物镜将飞秒激光聚焦到加工介质时激光光强在焦点处呈三维空间分布,双光子吸收过程仅产生在具有足够激光强度的微小区域,通过控制激光光强可以调节双光子吸收的产生范围,在适当的激光强度时,可以突破光学衍射极限的限制,将双光子吸收过程控制到远小于激光波长甚至纳米尺度范围,从而达到进行纳米加工的目的。飞秒激光双光子微纳加工技术具有真三维、一次成型及高加工分辨率的特点,是三维微纳结构制备的理想工具之一。通过"理论计算-计算机辅助图形设计-微纳激光制造"这样一个简单的流程可以实现制备可设计的复杂三维微细结构,因此在光子学微器件、微机电系统等领域具有巨大的应用前景。最近几年双光子微细加工技术也已成功地应用到功能性光子学器件中。在制备基于光子晶体带隙原理的三维光子元器件及其立体集成方面,飞秒激光双光子方法具有无可比拟的优势。我们研究小组利用碳硅烷树状大分子修饰的激光染料与光聚合制备的光固化树脂,采用双光子聚合微加工技术制备了包含聚合物纳米线的微尺度谐振腔结构,并观察到荧光发射增强效应。上述结果为设计制备无反射镜、超低阈值或无阈值高分子激光微谐振腔展示了可能性。将在对双光子微加工技术基础与现状进行介绍的同时,结合我们近年来在双光子微加工技术及功能性光子学微器件研究领域所进行的研究工作,对上述领域的发展趋势进行评述。相关研究结果及最新进展将在会议进行详细介绍。

利用飞秒激光双光子技术制备微电极的研究

基于飞秒激光双光子聚合微加工技术,利用负光刻胶刻蚀方法制备了内部镂空特殊结构的微电极光刻胶样品,并结合剥离法成功制备了一种镀银的金属微电极,最后利用直通管将微电极进行封装,测试了当直通管填充不同的介质(空气、丙酮、水)时微电极的电容变化值.实验结果表明,所制备微电极样品的电容值与介质的介电常数成正相关,实测值与理论计算值的变化趋势一致.

飞秒激光直写铒镱玻璃波导激光器的优化设计

为了对双向抽运的飞秒激光直写铒镱共掺磷酸盐玻璃波导激光器进行数值模拟,采用铒镱共掺系统的速率方程及传输方程,对波导尺寸、激光器后腔镜反射率、掺杂铒镱离子浓度比等参量进行了优化。得到当波导长度为10mm、后腔镜反射率为0.6、掺杂铒镱离子浓度比为3.6,975nm 波长400mW 抽运时,有1535nm 波长57mW 的激光输出。结果表明,计算结果和国外相关报道的实验结果相近,能够为飞秒激光加工有源玻璃波导及其激光器设计提供一定的理论依据。

飞秒激光微加工蓝宝石晶片光纤压力传感器

提出了一种高温大量程的蓝宝石法布里-珀罗(F-P)干涉仪压力传感器。传感器由三层蓝宝石晶片直接键合而成,包括蓝宝石衬底、带通孔的蓝宝石晶片和感压蓝宝石晶片。飞秒激光用于在蓝宝石晶片的中心刻蚀通孔,并粗糙化感压蓝宝石晶片的外表面。利用蓝宝石晶片抛光面作为F-P腔的反射面,有助于降低解调出的光学腔长波动,提高压力分辨率。提出的传感器在室温、0~30 MPa的高压力范围内光学腔长随压力线性变化,压力灵敏度为0.1253μm/MPa,相对分辨率达到0.04%FS(full scale,全量程),且能在700℃下稳定工作。

飞秒激光制备的高灵敏度气压探针传感器

提出并实验验证了一款基于法布里—珀罗干涉仪(FPI)的气压探针传感器。首先将毛细石英管与单模光纤拼接,然后利用飞秒激光将毛细石英管精确切割到极短长度,最后在毛细石英管的端面涂覆聚乙烯醇(PVA)薄膜构成气压传感探针。传感头总长度仅为50μm,可以在有限的空间和恶劣的环境中灵活使用。实验结果表明解调传感器反射谱波长漂移量实现了环境气压测量,气压灵敏度达到-4.457 nm/MPa,线性度为99.52%,气压测量范围0~0.5 MPa。在低温时传感器对温度有一定的依赖性;在高温时传感器对温度不敏感,可以忽略温度对气压测量的串扰。该传感器结构紧凑、灵敏度高、结构重复性好、温度串扰小,在工程实际中具有一定的应用前景。

偏振光飞秒双脉冲微加工

利用具有纳焦能量、高重复频率的偏振光飞秒双脉冲对金属铬膜样品进行微加工,样品表面都会产生微突起状结构,它们的宽度在0～400 ps的双脉冲时延范围内没有明显的变化,但高度却都在1～10 ps的双脉冲时延范围内呈现明显的下降,在此时延范围之外并没有明显的变化。通过加工样品的扫描电子显微镜(SEM)图片发现,对于偏振光,利用双脉冲方法,可以获得更好的加工质量。并且线偏振光得到的微突起状结构比较细长,在入射光束的偏振方向上有所伸长;圆偏振光得到的微突起状结构比较接近圆形。即在低脉冲能量、高重复频率情况下,具体的微加工特征形貌与入射光束的偏振状态有关。

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。

飞秒激光在铌酸锂晶体中的微孔加工

研究了飞秒激光的光束参数对在铌酸锂晶体中形成微孔的影响,通过实验得出了光束参数与圆孔尺寸的关系,为飞秒激光在透明介质中加工微孔及微加工其它结构提供了参考依据。

基于飞秒激光微纳加工技术制备的光纤布拉格光栅的带宽特性

理论和实验上研究了利用飞秒激光微纳加工技术制备的广义高斯切趾光纤布拉格光栅(FBG)的带宽特性。模拟结果表明,FBG带宽随着折射率调制度的增大而增大,随着光栅长度的增大先减小后趋于饱和。利用飞秒激光相位掩模法制备FBG的实验结果表明,当飞秒激光功率较小时,随着激光功率的增加,FBG带宽基本不变;激光功率超过一定阈值,FBG带宽随着激光功率的增大而逐渐增大。曝光时间较短时,FBG带宽随曝光时间的增加而急剧增大;随着曝光时间的继续增加,FBG带宽逐渐趋近于饱和。FBG带宽随着飞秒激光功率和曝光时间的变化可以归因于飞秒激光诱导FBG折射率调制度和光栅长度的变化。这些规律为调控利用飞秒激光微纳加工技术制备FBG带宽提供了参考。

微纳光纤Fabry-Perot超低温压力传感器研究

提出了一种用于超低温环境的微纳光纤非本征法布里-珀罗干涉仪压力传感器。单模光纤端面通过飞秒激光刻蚀出微孔,与无芯光纤熔接形成密闭的法珀腔。通过将无芯光纤切割、研磨等步骤,制作出微纳光纤压力传感器。利用飞秒激光微加工,可以加工出不同孔径的微孔及不同厚度的膜片,得到不同灵敏度及测量压力范围的压力传感器。实验结果表明,提出的传感器在-196℃、0~5 MPa的压力范围内表现出良好的线性度,压力升高和降低过程中腔长-压力灵敏度分别为110.33 nm/MPa和110.68 nm/MPa。该传感器能够满足超低温环境下的压力测量需求。

飞秒激光微加工制备金属线栅太赫兹偏振片

基于时域有限差分(FDTD)法,对金属线栅结构的太赫兹(THz)偏振特性进行了仿真分析,研究了占空比和金属层厚度对偏振特性的影响,发现随着厚度的增加,0.1~10THz范围内出现了周期性高透射现象。基于飞秒激光微加工技术制备了周期性金属线栅太赫兹偏振片,利用时域太赫兹光谱系统进行了实验测试,实验结果与仿真结果相吻合,偏振片的消光比在40dB^45dB范围内,偏振度为1,显示了良好的偏振特性。