多光束纳秒紫外激光制作硅表面微结构

使用波长351 nm的半导体泵浦全固态脉冲激光器作为光源,经过位相光栅分束,形成干涉光场,在硅表面直接刻蚀微结构,制作了周期为0.55 μm,槽深可达55 nm的一维微光栅和周期为1.25 μm,刻蚀深度45 nm的正交微光栅结构.给出了微光栅形貌结构的扫描电子显微镜和原子力显微镜的测量结果.正交微光栅的一级衍射效率在1.8%～6.3%之间.该研究是改变硅表面微结构,优化硅材料特性的一种新方法,并扩展了大功率激光刻蚀在表面微加工领域的应用.     

飞秒激光辅助刻蚀制备蓝宝石光栅(特邀)

利用飞秒激光辅助刻蚀技术,在蓝宝石表面实现了周期、占空比及高度可调的光栅结构。解决了飞秒激光加工硬脆材料时表面质量较差、碎屑堆积导致的加工精度降低和难以制备深结构的问题。蓝宝石光栅结构的粗糙度从78 nm(激光直写后)降低到了7 nm(干法刻蚀后),实现了周期为800 nm光栅,以及深宽比为4的蓝宝石微结构的制备。飞秒激光辅助刻蚀技术能够制备蓝宝石表面高平滑光栅,并对光栅各级次衍射效率进行提升。     

镍金属表面双光束激光干涉直写研究

利用波长为351 nm的半导体抽运全固态脉冲激光器,采用双光束干涉方法,对金属镍板表面直接刻蚀形成微光栅结构的方法进行了实验研究.通过改变激光功率和激光脉冲数等实验参量,研究其对制备的微光栅结构槽形和一级衍射效率的影响.利用扫描电镜和原子力显微镜测量光栅槽形,测得光栅周期为1.25 μm,光栅槽深为10～280 nm,并测量了相应的衍射效率.发现当采用激光单脉冲能量为1.2 mJ,采用10个脉冲加工时,测得槽深为280 nm,一级衍射效率最高（18%）的微光栅结构.利用光栅的衍射理论对衍射效率变化进行了分析.该研究拓展了纳秒激光在加工微结构方面的应用,为在金属材料表面制作纳米压印模版提供了一种新方法.     

1064 nm纳秒脉冲激光诱导硅表面微结构研究

利用Nd:YAG纳秒激光(波长为1064 nm)在不同气氛(空气、N₂,真空)中对单晶硅进行累积脉冲辐照,研究了表面微结构的演化情况.在激光辐照的初始阶段,与532和355 nm纳秒脉冲激光在硅表面诱导出波纹结构不同,1064 nm脉冲激光诱导出了微孔结构和折断线结构,并且硅的晶面取向不同,相应的折断线结构也不同.对于Si(111)面,两条折线交角为120°或60°,形成网状;而对于Si(100)面,两条折断线正交,从而将表面分成了15—20 μm的矩形块.结果表明,微孔结构的生长过程主要与相爆炸有关,而折断线的形成主要是热应力作用的结果.不同气氛对微结构形成的影响表明,刻蚀率和生长率与微结构的形成有密切的关系. 关键词： 纳秒激光 硅的微结构 相爆炸 热应力     

基于铋纳米颗粒的自由沉降法 制作X射线吸收光栅

利用深反应离子刻蚀技术或湿法腐蚀在硅上制作光栅结构,将与光栅浸润的液体作为载体携带铋纳米颗粒进入光栅结构内,形成致密排列,从而制作出X射线吸收光栅.致密地填充了周期为42μm、刻蚀深度为150μm的光栅结构,比较了其与微铸造法制作的铋块体吸收光栅的X射线吸收性能,并通过填充周期为24μm和6μm的光栅结构,研究了光栅周期与填充致密性之间的关系.扫描电镜测试结果显示自由沉降法可有效制作较大周期光栅,但对周期为6μm光栅结构填充的致密性不佳。分析结果表明,对于小周期吸收光栅,需筛选所用填充颗粒,以保证颗粒粒径远小于光栅槽宽.基于纳米颗粒的自由沉降法可降低光栅制作成本及技术门槛,方便实现大面积吸收光栅的制作.     

基于阳极氧化铝纳米光栅的薄膜硅太阳能电池双重陷光结构设计与仿真

本文提出了表面和底部均带有阳极氧化铝(AAO)纳米光栅的薄膜硅太阳能电池双重陷光结构,利用FDTD软件仿真研究了AAO纳米光栅的周期、厚度和占空比对薄膜硅太阳能电池短路电流密度的影响,并对AAO结构参数进行了优化.仿真结果表明,表面AAO最佳结构参数是周期440 nm,厚度75 nm,占空比0.5,底部AAO最佳结构参数是周期380 nm,厚度90 nm,占空比为0.75.双重AAO组合陷光结构可有效增加薄膜硅太阳能电池在280—1100 nm范围内的光吸收,吸收相对增强可以达到74.44%.     

应用碳化硅表面改性技术降低全息-离子束刻蚀光栅刻槽的粗糙度

采用具有良好比刚度和热稳定性的碳化硅材料作为基底,使用全息-离子束刻蚀技术制作了光栅。碳化硅材料表面固有缺陷导致制作的光栅刻槽表面粗糙度高,槽底和槽顶粗糙度分别达到了29.6 nm和65.3 nm (R_q)。通过等离子辅助沉积技术在碳化硅表面镀制一层均匀的硅改性层,经过抛光可以获得无缺陷的超光滑表面。XRD测试表明制备的硅改性层为无定形结构。原子力显微镜的测试结果表明:经过抛光后,表面粗糙度为0.64 nm(R_q)。在此表面上制作的光栅刻槽表面粗糙度明显降低,槽底和槽顶粗糙度分别为2.96 nm和7.21 nm,相当于改性前的1/10和1/9。     

基于InP材料的纳米光栅耦合器的耦合效率分析

设计了一种基于InP材料的纳米光栅耦合器,运用FDTD算法分析了周期长度、刻蚀深度以及占空比变化时该光栅耦合器的耦合效率。计算结果表明,周期长度为800nm,刻蚀深度为0.3μm,占空比接近0.5时,耦合效率可以达到13%。本文所设计的光栅耦合器对构建基于InP材料的谐振腔、激光器和陀螺结构具有一定的理论指导意义。     

一种基于深刻蚀的硅基周期波导微腔

研究了一种基于深刻蚀的硅基周期波导一维光子晶体微腔,采用时域有限差分(FDTD)方法对设计的微腔结构进行了模拟分析;讨论了深刻蚀对微腔品质因数的影响,计算表明采用深刻蚀可有效地保持高Q值并能保证微腔的机械强度。采用电子束光刻(EBL)结合感应耦合等离子体(ICP)刻蚀制作了绝缘硅(SOI)的周期波导微腔,使用扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)对器件形貌进行表征,观察到深刻蚀的衬底二氧化硅高度约为80 nm。通过波导光栅耦合光纤输入宽带光源信号对微腔器件进行光学表征,传输光谱测试表明该深刻蚀微腔器件Q值达5×103,插入损耗小于-2 d B。该深刻蚀的硅基周期波导微腔可用于集成光传感器和片上波分复用滤波器等应用。     

槽栅型微结构用于红外色差校正的仿真与实验

针对传统光学元件在红外波段色差校正方面存在系统结构复杂、光能损失严重、质量大等问题,以红外波段4.8μm和10.6μm存在的色差为例,将槽栅型表面微结构用于红外波段的色差校正;根据广义斯涅尔定律及时域有限差分(FDTD)理论计算微结构表面的相位分布,采用FDTD Solution软件仿真双方柱槽栅型微结构;设计两个槽栅型微结构宽度L1=400nm、L2=950nm,槽栅高度K=500nm;采用离心式涂胶法、电子束光刻、离子刻蚀等一系列工艺技术,制备双方柱槽栅型微结构样品,分析胶膜厚度、曝光图像质量、刻蚀槽型的影响因素。结果表明:改变L1和L2的大小可实现在4.8μm和10.6μm这两种波长下分别达到0~1.5π和0~2π范围的相位调制;L1=408nm,L2=944nm,K=495.32nm,表面粗糙度为16.32nm,相关参数在误差允许范围之内;4.8μm和10.6μm这两个红外波段的峰值透过率分别为71%和64%;利用平行光位置色差测试原理测得两个红外波位置色差减小到30%,从而验证了槽栅型微结构器件对红外色差的校正作用。     

高功率双包层光纤激光器温度场动态分析

基于动态热传导方程,对高功率双包层光纤激光器的热效应进行了数值模拟,研究了高功率双包层光纤激光器内部温度场的空间及时间特性.计算表明,对于芯径为15 μm的光纤,开启泵浦光后约20 s光纤温度达到稳定值,关闭泵浦光后约20 s光纤冷却到室温,如采用脉冲泵浦,温度分布将随时间变化,波动频率与泵浦频率相同,泵浦频率越高波动越小,越接近相同平均功率的连续泵浦.     

Three-dimensional simulation of the temperature field in high-power double-clad fiber laser

The 3D temperature distribution in high-power double-clad fiber laser (DCFL) and the evolution of the temperature field in the fiber are analyzed, according to the transient heat conduction equation. The temperature in the fiber reaches the maximum after opening the pump light about 20 s, and cools down to the room temperature after shutting down for also about 20 s. The shape of the inner-clad can only affect the spacial distribution of the temperature outside of the core, but have no effect on the maximum temperature in the core.     

窄线宽纳秒脉冲光纤拉曼放大器的理论模型和数值分析

窄线宽纳秒脉冲光纤拉曼放大器在非线性频率变换、遥感探测和量子信息等领域有广泛的应用前景.综合考虑受激拉曼散射(stimulated Raman scattering,SRS)、受激布里渊散射(stimulated Brillouin scattering,SBS)、自相位调制(self-phase modulation)和交叉相位调制(cross-phase modulation)等非线性效应,建立了窄线宽纳秒脉冲光纤拉曼放大器的非线性动力学模型.仿真分析了放大器中脉冲激光的时频演化特性,对比研究了抽运脉冲宽度、光纤长度和信号光功率等因素对放大器性能的影响.研究发现,上述因素会影响放大器的SRS阈值、SBS阈值、输出激光线宽、激光转换效率等.例如,当脉冲宽度为800 ns时,SBS随着抽运功率的增加而发生,限制了激光功率的提升;减短抽运脉宽可以抑制SBS,但是输出激光的线宽易于展宽到数百MHz以上;增加光纤长度可以获得更低的SRS阈值和更高的转换效率,但是SBS效应和光谱展宽程度也随之增强.系统搭建中需要平衡各非线性效应,选择合适的系统参数.研究内容可以为窄线宽纳秒脉冲光纤拉曼放大器的设计搭建提供参考.     

光子晶体光纤中超连续谱产生的理论与实验研究

研究了光子晶体光纤中超连续激光光源的产生机理.利用非线性偏振旋转技术产生的中心波长为1 556.0 nm的飞秒光脉冲作为泵浦光源,在69 m长的高非线性光子晶体光纤中,得到了20 dB带宽约为140 nm的超连续谱;采用实验和数值模拟方法,研究了不同泵浦功率下超连续谱形成的过程.结果表明,在不同的泵浦功率下,超连续谱的形成机理不同,在各种非线性效应的共同作用下,泵浦光脉冲的峰值功率越高,得到超连续谱的带宽越宽,实验与数值模拟结果一致.另外,要想获得平坦的宽带超连续谱,必须选择合适的光纤长度.     

室温掺铒光纤放大器中实现参量控制无损耗光速减慢传输

本文对掺铒光纤放大器中的光速减慢传输系统进行深入研究,提出一种直接利用掺铒光纤放大器中抽运光 强度和掺铒光纤长度,通过优化控制参量来降低信号光强度损耗系数,从而可以实现无强度损耗光速减慢传输, 研究结果表明:当抽运光功率为3.5 mW时,信号光强度损耗系数近似为零;当抽运光关闭时,掺铒光纤长度为 0.1 m时,信号光强度损耗系数近似为零.     

Effect of Brillouin slow light on distributed Brillouin fiber sensors

The effect of Brillouin slow light on distributed Brillouin fiber sensors (DBFSs) is studied. We demonstrate Brillouin slow light for a 1.2 ns pulse with peak powers (PS) from 3.3 to 56.2 mW on depletion of the pump power (PP) ranging from 1.3 to 83.2 mW in conventional optical fibers (SMF-28). Experiments show that, when pump power depletion is not negligible, for a given PP the Brillouin gain and delay time of a pulse decrease when PS increases in a long (> or =10 km) sensing fiber. The optimum pump beam depletion resulting from strong interaction of the pump and the probe in the fiber provides accurate temperature and strain information at a high spatial resolution. Our study reveals that at low PP the spatial resolution error caused by the pulse delay for a DBFS with centimeter spatial resolution is less than 5% of the pulse length.     

Stimulated Brillouin scattering slow-light-based fiber-optic temperature sensor

We propose and experimentally demonstrate a method for temperature sensing using stimulated Brillouin scattering (SBS)-based slow light. The approach relies on temperature dependence of the Brillouin frequency shift in a fiber, hence the time delay of an input probe pulse. By measuring the delay, temperature sensing can be realized. We achieve temperature measurement in a 100 m single-mode fiber (SMF) using a cw pump. The main temperature-sensing range is ～18°C from the room temperature, limited by the SBS gain bandwidth. To apply the technique for measurement of a shorter fiber segment, a pulsed pump is used to introduce SBS slow light. Temperature sensing is achieved in a 2 m SMF with a main sensing range of around ～25°C. The scheme is easily implemented, exhibits a relatively high temperature sensitivity with a resolution better than 1.0°C, and is potentially applicable for distributed sensing.     

普通单模石英光纤中频率上转换过程的研究

介绍了在普通通讯用单模ＧｅＯ２／ＳｉＯ２石英光纤中从近红外到可见光的频率上转换过程。利用１．３１３μｍ的调Ｑ锁模Ｎｄ：ＹＬＦ激光脉冲泵浦单模石英光纤，产生了５８８ｎｍ的黄光，峰值功率达２０Ｗ，对应０．０９％的转换效率。     

High efficiency, high repetition rate, all-fiber picoseconds pulse MOPA source with 125?W output in 15?μm fiber core

A passive mode-locked fiber laser-delivered 13?ps pulse is saturatedly amplified with a four-stage amplifier chain. 125?W high power all-fiber picoseconds pulse laser is demonstrated in a 15-??m fiber core, and the optical-to-optical conversion efficiency of the main amplifier is up to 86.12?%. A home-made (6?+?1)?×?1 fiber combiner is used to couple the pump light and signal light into the gain double cladding fiber. In order to suppress the nonlinear effects in high-power picosecond fiber amplifiers, the repetition rate of the seed pulse is increased from 60?MHz to?~1?GHz; also the gain fibers are advisably selected. The amplified output spectrum is symmetrically broadened to several nanometers due to self-phase modulation (SPM). No stimulated Raman scattering (SRS), amplified spontaneous emission (ASE) and residual pump light are observed and the optical signal-to-noise ratio is more than 30?dB. The all-fiber picoseconds MOPA laser in this report can be easily performed with the conventional fiber handing equipments, and it has great potential to be applied as pump source in the fields of optical parametric oscillator, laser frequency-doubling and supercontinuum generation.     

Spectral characteristics of the radiation of artificial opal crystals in the presence of the photonic flame effect

The results of investigation of the spectral characteristics of radiation in the presence of the photonic flame effect recently discovered experimentally are presented. Radiation from a ruby laser operating in the Q-factor modulation regime with a generation wavelength of 694.3 nm is focused near the oriented surface of a globular photon crystal (artificial opal with a globule size of 230 nm) placed on a copper cold guide whose temperature is close to the liquid-nitrogen boiling point (77 K). The spectrum of long-term afterglow (with a duration of about several seconds when the duration of a pump pulse is equal to 20 ns) appearing in the photonic flame effect is detected using a fiber optic minispectrometer and consists of several comparatively narrow lines whose intensity strongly varies with the pumping power. A similar glow is observed in opal samples filled with acetone or ethanol.