连续型平面衍射聚光透镜掩模的制作

针对目前二元光学元件掩模制作工艺过程的诸多不足，对连续型平面衍射聚光透镜掩模的激光直写制作工艺进行了研究。基于基尔霍夫标量衍射理论，采用光线追迹法设计了连续型平面衍射聚光透镜掩模。采用激光直写技术，利用CLWS 300M／C极坐标激光直写设备、S1830光刻胶和MICROPOSIT 351显影液，进行了刻写实验。实验表明，激光能量、预烘烤温度、显影液浓度以及预曝光对掩模微结构的制作均有影响。最后制作了掩模。与二元光学元件掩模的制作工艺相比，该技术具有工艺简单、制作周期短且易于操作的优点。     

离焦激光直写的线宽稳定方法

为了提高激光直写加工衍射光学元件时的线条质量,提出一种离焦激光直写的线宽稳定方法.该方法通过同时调节激光功率和离焦量,使光刻胶的曝光阈值处于线宽对曝光量的变化率较小位置,从而可以弱化线宽对实际曝光量或光刻胶阈值等变化的敏感度,提高利用离焦方法进行衍射光学元件制作时的线宽稳定性.推导了稳定线宽后的光功率控制模型和线宽模型,模型中的变量仅为离焦量,降低了光功率控制的复杂性.利用632.8 nm的He-Ne激光和NA-0.1的物镜在CCD上对采用该方法后的离焦线宽模型进行验证,实验结果与理论模型吻合较好.该方法对于线宽稳定度较高的衍射光学元件制作具有重要价值.     

激光直写制作的小F数连续浮雕衍射透镜轴向聚焦特性分析

为确定卷积效应以及深度制作误差对小F数连续浮雕衍射透镜(DOE)轴向聚焦特性影响,基于瑞利-索末菲衍射理论建立了激光直写制作的连续浮雕衍射透镜非旁轴近似轴向光强分布模型.该模型考虑了连续浮雕衍射透镜的轴向衍射聚焦特性与透镜结构参数、写入光斑尺寸和扫描间距以及深度制作误差的关系,克服了傍轴近似条件下传统模型的不精确性.为验证模型的正确性,用激光直写制作了设计波长为441.6 nm,F数为4以及相位匹配因子为3的连续浮雕衍射透镜,并测试了波长441.6 nm激光入射时透镜的轴向聚焦特性.实验与分析表明,该模型分析结果与实验测试结果符合,从而证实模型的有效性,为激光直写制作的小F数连续浮雕衍射透镜的应用提供了理论依据.     

直角坐标和极坐标系一体的激光直写设备

介绍了具有直角坐标和极坐标写入系统的激光直写设备,给出了该设备制作衍射光学元件的光刻特点.     

对称相位函数掩模化的研究

本文对各种连续对称相位函数及其特性进行了分析,讨论了相位函数的2π调制、2^N和N-1法量化等问题及数据处理过程,提出二元衍射元件CIF(Caltech Intermediate Form)格式掩模数据的生成方法,并建立了实用软件,为激光直写技术实现二元衍射光学元件制作提供了有效的手段.     

离子束平动刻蚀工艺衍射光学元件的设计及制作

提出了一种用于制作二维光束整形衍射光学元件的新方法———离子束平动刻蚀工艺。分别介绍了利用这种新方法设计衍射光学元件的原理、设计过程以及刻蚀工艺系统的构成和掩模板的设计方法。结果表明 ,这种新的工艺方法不拘泥于圆对称系统 ,不但继承了离子束旋转刻蚀工艺的位相真正连续分布的优势 ,而且所制作出的衍射光学元件 ,即使对于半导体激光器所产生的两个方向发散角不同的激光束来说也仍然可以进行整形 ,并最终能得到矩形焦斑。这种工艺方法的理论设计也可以从二维化简为两个一维的设计 ,从而大大简化了设计计算的复杂程度     

6H-SiC的飞秒激光超衍射加工

利用飞秒激光直写微纳加工平台, 对6H-SiC材料进行了突破衍射极限的微纳结构加工研究. 使用中心波长和脉宽分别为800 nm和130 fs的钛蓝宝石激光器和荧光倒置显微镜搭建了飞秒激光直写微纳加工平台, 研究了在不同的实验条件下对6H-SiC的光学加工情况, 采用扫描电子显微镜对加工结构进行表征. 通过分析不同的激光功率和不同的曝光时间等实验条件下加工的分辨率, 发现分辨率随着激光功率的减小而提高, 随扫描速度的增大而提高, 且能突破光学衍射极限. 最终获得125 nm的加工线宽, 并加工了加工线宽240 nm, 周期1.0 μm的线阵列. 研究结果为微机电系统(MEMS)的微器件设计开创了新的思路, 对发展MEMS器件具有重要意义. 关键词： 飞秒激光直写 超衍射加工 6H-SiC 微机电系统     

全息存储用光致聚合物材料的暗增长现象研究

根据光致聚合物中光栅形成机制,应用数学模型与实验相结合的方法,研究了一种新型光致聚合物在全息记录中的暗增长现象.研究表明,应用不同写入光强使衍射效率达到相同的饱和程度后,前期的写入光较弱则对应后期的暗增长程度较强.为了利用暗增长过程提高衍射效率,设计并实施了非连续曝光实验,使曝光与暗增长过程交替进行.并且通过暗增长过程的实验数据拟合出该材料的扩散时间常量为21 s,据此设定非连续曝光的周期.结果表明,相同记录条件下,非连续曝光比连续曝光可以获得更高的衍射效率.     

激光拉曼定量分析氘气方法研究

应用拉曼光谱法对氘气在不同条件下的谱峰信噪比进行了实验研究。采用32 mW功率的Ar+激光器(514 nm),通过石英玻璃管,研究了光栅、激光功率、曝光时间和气体压强对氘气拉曼谱图信噪比的影响,得出了氘气拉曼光谱信噪比与激光功率、曝光时间和气体压强呈正比关系。绘制出适用于本套实验仪器的不同压力与信噪比的标准曲线,并用三组随机样品对关系式SNR(J 2→2)=10.6×10-4p+1.271 34进行验证。当氘气压强为21 280 Pa时,相对误差是4.8%,并且当压强增大到67 235 Pa时,相对误差下降到1.46%。     

全息光栅曝光系统中空间滤波器孔径与激光束腰关系的选择方法

在全息光栅制作过程中, 由空气悬浮颗粒及光学器件缺陷引起的散射光会被记录在光刻胶上, 既影响光栅衍射效率, 又会带来光栅杂散光. 为消除系统散射光, 需要对激光光束的高频成分进行滤波处理. 但是, 激光光束通过空间滤波器后发生衍射, 进而影响干涉场质量, 因此选择合适的空间滤波器孔径是搭建全息光栅曝光系统的前提条件. 根据标量衍射积分理论, 通过卷积计算滤波光束的振幅分布分析光束的相位变化, 以光束相位突变位置远离光束中心为依据确定滤波器针孔半径与光束束腰半径的比值下限; 根据滤波光束的能量守恒关系, 通过滤波光束的高斯参数变化描述光束的衍射强弱规律, 以光束发生衍射的临界条件确定滤波器针孔半径与光束束腰半径的比值上限. 结果表明, 当空间滤波器针孔半径与激光束腰半径之比满足1.52< a/ω₀<2.2时, 滤波光束曝光区域相位恒定, 光束能量通过率大于99%, 在此区间空间滤波器滤波效果最好.     

强激光加热旋转薄柱壳的参量选择分析

为了把激光加热静止圆柱壳的实验测量结果应用到旋转圆柱壳的激光参量估计中,研究了旋转圆柱壳的激光加热效率。用积分变换法得到了旋转圆柱壳的温度分布,分析了最大温升点相对激光峰值强度点的滞后现象。基于静止圆柱壳和薄壳假设,导出了旋转圆柱壳激光加热效率及估计辐照时间的表达式。对于旋转金属圆柱壳,最大温升点相对激光峰值强度点的滞后角和激光加热效率取决于无量纲参量DR(柱壳半径R与束斑半径r0之比)、DL(横向热扩散尺度4ατL与束斑半径r0之比)及DM(加热时间τL与柱壳旋转频率fR的乘积)。达到相同的最大温升时,旋转圆柱壳的激光辐照时间和静止圆柱壳的激光辐照时间之间存在与激光功率无关的非线性关系,而激光功率决定了所需的绝对激光辐照时间。     

基于厚金属狭缝阵列的表面等离子激元光刻

提出一种利用厚金属狭缝阵列耦合激发表面等离子激元制作非周期图形的纳米光刻模型.采用时域有限差分电磁场模拟仿真软件研究了厚金属狭缝阵列中表面等离子激元的激发、模式选择以及光刻胶中的光场分布.结果表明,通过优化厚金属狭缝阵列结构参量和匹配介质参量可有效抑制表面等离子激元在光栅狭缝出口处的发散,增加表面等离子激元的穿透深度,可获得高分辨率的较大曝光深度的周期和非周期纳米图形,可为纳米激光直写技术提供有益的借鉴.     

Fabrication of multilayer metamaterials by femtosecond laser‐induced forward‐transfer technique

A novel method based on femtosecond laser‐induced forward transfer for high‐throughput and efficient fabrication of periodic multilayer plasmonic metamaterials is demonstrated. With precisely controlling laser raster path applied on sputtered multilayer thin films, the laser‐ablated materials can be transferred to another substrate leaving the fabricated multilayer structure on the original substrate. Subsequently, three‐dimensional metamaterials can be made by multilayer structuring. Moreover, all the experimental results show that to create such multilayer split resonant rings (SRRs) with uniform profile, the laser fluence should be fine controlled under proper conditions. The optical property of fabricated multilayer SRR array is investigated by optical measurements and finite‐difference time‐domain simulations, showing various resonant modes in the middle‐IR region. The calculated induced current distributions exhibit rich resonance properties of the structures as well. This work markedly extends the laser direct writing technique to a wide application in fabricating complicated metamaterials and plasmonic devices efficiently.     

Three-dimensional integration of microoptical components buried inside photosensitive glass by femtosecond laser direct writing

We report the three-dimensional (3D) integration of microoptical components such as microlenses, micromirrors and optical waveguides in a single glass chip by femtosecond (fs) laser direct writing. First, two types of microoptical lenses were fabricated inside photosensitive Foturan glass by forming hollow microstructures using fs laser direct writing followed by thermal treatment, successive wet etching and additional annealing. One type of lens is the cylindrical microlens with a curvature radius R of 1.0 mm, and the other is the plano-convex microlens with radius R of 0.75 mm. Subsequently, by the continuous procedure of hollow microstructure fabrication, a micromirror was integrated with the plano-convex microlens in the single glass chip. Further integration of waveguides was performed by internal refractive index modification using fs laser direct writing after the hollow structure fabrication of the microlens and the micromirror. A demonstration of the laser beam transmission in the integrated optical microdevice shows that the 3D integration of waveguides with a micromirror and a microoptical lens in a single glass chip is highly effective for light beam guiding and focusing. PACS 42.62.-b; 81.05.Kf; 42.82.Cr; 82.50.Pt; 42.79.Gn     

LD泵浦固体激光器基模振荡光的场分布噪音

通过调整泵浦光直径,使得LD端面泵浦固体激光器的振荡光工作于基模.在排除高阶横模的条件下,测量了由于热透镜的不稳定引起的光场场分布的噪音.实验发现,基模振荡光的高斯半径、光束指向角都在波动,而且光斑存在畸变波动.对一个未采取抑制措施的2W连续LD端面泵浦Nd:YAG固体激光器进行了测量.结果表明,在总功率不变的情况下,激光束峰值点附近的光强波动达到6.3%;激光的高斯半径波动达到5.8%;激光的指向角波动达到0.3mrad.     

极坐标激光直写系统原点定位的实验研究

分析了旋转线性光栅法对准光轴与旋转机械轴中心的理论准确度,实验研究了极坐标激光直写系统的原点定位.在极坐标激光直写系统下进行了圆环线条写入实验,得出了原点定位的准确度,原点定位准确度优于0.5 μm,实验与理论定位准确度基本一致.     

掺钕保偏光纤激光器的研究

对掺钕光纤激光器输出功率沿光纤的分布以及不同光纤长度下抽运功率和输出功率沿光纤的分布进行了数值模拟.以808nm半导体激光器为抽运源，掺钕双包层保偏光纤为增益介质，对保偏光纤激光器进行了探索性的实验研究.分别就光纤不同弯曲形状和弯曲半径对激光器输出功率指标和偏振特性的影响进行了研究，实验中发现在1060nm和1092nm处有两个峰值.在波长1060nm处得到了7.35W的连续偏振激光输出，斜率效率为58.3％. 关键词： 激光技术 光纤激光器 掺钕保偏光纤 偏振     

Embedded dots inside glass for optical film using UV laser of ultrafast laser pulse

Microstructures are usually fabricated on the surface of optical sheets to improve the optical characteristics. In this study, a new fabrication process with UV (ultraviolet) laser direct writing method is developed to embed microstructures inside the glass. Then the optical properties of glass such as reflection and refraction indexes can be modified. Single- and multi-layer microstructures are designed and embedded inside glass substrate to modify the optical characteristics. Both luminance and uniformity can be controlled with the embedded microstructures. Thus, the glass with inside pattern can be used as a light guide plate to increase optical performance. First, an optical commercial software, FRED, is applied to design the microstructure configuration. Then, UV laser direct writing with output power 2.5-2.6 W, repetition rate 30 kHz, wave length: 355 nm, and pulse duration 15 ns is used to fabricate the microstructures inside the glass. The effect of dot pattern in the glass such as the dot pitch, the layer gap, and the number of layer on the optical performance is discussed. Machining capacity of UV laser ranges from micron to submicrometer; hence with this ultrafast laser pulse, objectives of various dimensions such as dot, line width, and layers can be easily embedded in the glass by one simple process. In addition, the embedded microstructures can be made with less contamination. Finally, the optical performance of the glasses with various configurations is measured using a Spectra Colorometer (Photo Research PR650) and compared with the simulated results.     

高功率激光光束特性对激光加工的影响

决定光与物质相互作用的激光束的波长、入射角、偏振特性以及时间和空间特性是激光材料加工的主要光束特性。激光束的光束质量是其空间特性的量化反映。通过对两种不同激光加工系统输出激光光束质量进行测量和计算,根据多模激光束的聚焦理论,以及对激光深熔焊接实验结果的分析,研究了光束质量对深熔焊接焊缝成形的影响。结果表明,光束质量对聚焦光束的焦斑、聚焦角和焦深的影响不仅体现了激光源的可聚焦性,而且也标志了激光源的可加工能力,这是聚焦系统和焦点位置在选择过程中应该考虑的重要因素。