飞秒激光精密微纳加工的研究进展

飞秒激光由于其超快时间特性和超高峰值功率特性在精密微纳加工领域引起了人们广泛的重视.在与物质的相互作用中它能快速、准确地将能量作用在特定的区域内,从而可以获得极高的分辨率和加工精度.文章综述了飞秒激光精密微纳加工的最新研究进展,分别就飞秒激光烧蚀微加工和飞秒激光双光子聚合产生三维微纳结构进行了介绍,阐述了各自的物理机制.最后对飞秒激光微纳加工的研究前景做了初步探讨.     

飞秒激光精密微纳加工的研究进展

飞秒激光由于其超快时间特性和超高峰值功率特性在精密微纳加工领域引起了人们广泛的重视．在与物质的相互作用中它能快速、准确地将能量作用在特定的区域内，从而可以获得极高的分辨率和加工精度。文章综述了飞秒激光精密微纳加工的最新研究进展，分别就飞秒激光烧蚀微加工和飞秒激光双光子聚合产生三维微纳结构进行了介绍，阐述了各自的物理机制．最后对飞秒激光微纳加工的研究前景做了初步探讨。     

飞秒激光

激光被视为神奇之光,自从1960年美国科学家首次研究出世界第一台奇特的新光源——激光器以来,这个神奇的小光点,给人类带来了福音,被广泛的应用于工业、农业、医疗卫生、通讯、军事、科研等许多领域,仅仅40年的时间,激光为人类做出了巨大的贡献. 近年来,科学家研究发现了一种更为神奇的光,被称为希望之光——飞秒激光.科学家预测飞秒激光将为21世纪新能源的产生发挥重要作用,为人类揭示微观世界和科学技术的突破性研究创造条件. 1 飞秒激光的特性飞秒(fs)激光是一种以脉冲形式运转的激光,持续时间非常短,只有几个飞秒,1fs=     

飞秒激光双光子微细加工技术及研究现状

飞秒激光双光子微细加工技术以其特有的高精度三维微加工优势,成为微型机械加工领域新的发展方向之一。介绍了飞秒激光双光子微细加工技术的原理和应用的现状。结合目前已有的微细加工技术,对双光子微细加工技术的特点加以评述。简要报道了利用飞秒激光双光子微细加工技术的一些研究进展。探讨了飞秒激光双光子微细加工技术今后的发展方向及其存在的基本问题。     

飞秒激光双光子加工的极限分辨力

 采用3维压电微移动台高速扫描方式控制曝光时间与高精密转台精确控制圆形渐变衰减片以控制曝光功率两种方法,曝光时间和曝光功率可分别精确控制至0.02 ms和7 pW。通过精确控制聚合阈值附近处的曝光时间和曝光功率,分别在玻璃基板上获得了35 nm和45 nm的聚合物纳米线条,分别为所使用激光波长的1/22和1/17。实验结果表明,当曝光时间或曝光功率在加工阈值附近时,曝光时间和功率的微量减少会使聚合线宽急剧下降。     

飞秒激光双光子加工的极限分辨力

采用3维压电微移动台高速扫描方式控制曝光时间与高精密转台精确控制圆形渐变衰减片以控制曝光功率两种方法,曝光时间和曝光功率可分别精确控制至0.02 ms和7 pW。通过精确控制聚合阈值附近处的曝光时间和曝光功率,分别在玻璃基板上获得了35 nm和45 nm的聚合物纳米线条,分别为所使用激光波长的1/22和1/17。实验结果表明,当曝光时间或曝光功率在加工阈值附近时,曝光时间和功率的微量减少会使聚合线宽急剧下降。     

飞秒激光加工蓝宝石超衍射纳米结构

蓝宝石具有超强硬度及耐腐蚀、耐高温、在紫外-红外波段具有良好的透光性等优点,在军工业以及医疗器械方面具有广泛的应用前景.然而这些优点又对蓝宝石的机械加工或化学腐蚀加工带来困难.飞秒激光脉冲具有热损伤小、加工分辨率高、材料选择广等特点,被广泛应用于固体材料改性和高精度三维微纳器件加工.本文提出了利用飞秒激光多光子吸收特性在蓝宝石表面实现超越光学衍射极限的精细加工.利用聚焦后的波长为343 nm的飞秒激光,配合高精密三维压电位移台,实现激光焦点和蓝宝石晶体的相对三维移动,在蓝宝石晶体衬底上进行精确扫描,得到了线宽约61 nm的纳米线,纳米线间的最小间距达到142 nm左右.利用等离子体模型解释了加工得到的纳米条纹的产生原因,研究了激光功率、扫描速度对加工分辨率的影响.最终本工作实现了超越光学衍射极限的加工精度,为实现利用飞秒激光对高硬度材料的微纳结构制备提供了参考.     

熔融石英玻璃飞秒激光微纳加工研究

熔融石英玻璃因具有耐热性高、热膨胀系数低、绝缘性能好等优点,广泛应用于航空航天、微光学元件、军事等领域,并对其加工精度和表面质量提出了更高的要求。由于飞秒激光具有“冷加工”的特点,因此在熔融石英玻璃微纳加工方面展现出独特优势。采用波长为1030nm、重复频率为100kHz、脉宽为290fs的飞秒激光对熔融石英玻璃进行加工,确定了不同物镜下熔融石英玻璃的损伤阈值,研究了不同物镜下的激光功率、扫描速度、离焦量、扫描次数对加工线槽的影响,使用逐层叠加加工的方法在低功率下得到了高深宽比(4∶1)的线槽,并且提高加工线槽的宽度与深度的可控性,可以在较薄熔融石英玻璃(200μm)上进行微纳加工。     

高重频飞秒激光高效加工太赫兹滤波器核心结构

高频太赫兹滤波器的核心结构具备跨尺度、大去除量、高精度等特点,为实现核心结构高效精密加工,加工技术的选择尤为重要。与常见的机械加工、光刻工艺、MEMS等技术相比,飞秒激光加工技术具有材料普适性强、流程简单、可实现薄壁结构精密加工等优点。以中心频率850 GHz的太赫兹滤波器核心结构设计为输入,利用飞秒激光加工技术开展太赫兹滤波器核心结构的加工实验研究。考虑到低重频飞秒激光不满足高效加工的实际要求,选择高重频飞秒激光作为加工光源,在加工策略精准设计和加工参数精准优化的条件下,实现了高频太赫兹滤波器核心结构的高效精密加工。研究结果表明,高重频飞秒激光加工的太赫兹滤波器,其中心频率测试值与设计值接近。因此,高重频飞秒激光加工技术成为太赫兹滤波器核心结构加工的可选手段。     

飞秒激光在空气和水中对硅片烧蚀加工的实验研究

采用1 kHz,800 nm,50 fs—24 ps的钛宝石激光脉冲对单晶硅样品在空气和水溶液环境中的烧蚀加工特性进行了研究.实验观察到了超短脉冲激光在空气氛围中烧蚀形成的双层环状结构,分析揭示了加工区域中心和边缘的烧蚀物理机制分别为热熔化和库仑爆炸,并测量了双层环状结构半径随入射激光能量、脉冲数及持续时间等的变化关系,结果表明获取较大深-宽比的加工效果需选择小能量脉冲激光的多次作用.在水溶液环境中,实验发现飞秒激光在样品表面诱导产生了亚微米量级的多孔状结构,而皮秒激光则更容易实现对硅表面的非热性去除.这是由于激光诱导的光机械应力和空泡效应随脉冲宽度变大而增强所致,在实验上确立了区分这两种不同加工状态的临界脉冲宽度. 关键词： 飞秒激光 硅片 激光加工     

基于飞秒激光直写光纤光栅的掺镱光纤激光器

 利用飞秒激光微加工技术,可以在光纤纤芯内直写出布拉格光栅,它与传统的光纤光栅制作方法相比,具有耗时短、无需光敏光纤、周期可任意设定、光栅稳定性高等优点。采用800 nm钛宝石飞秒激光器,在Hi1060光纤内写入一支8 mm长的布拉格光栅,光纤光栅的周期为2.9 μm,这是中心波长为1 042 nm的八阶光纤布拉格光栅。将所得光栅与一段有源的双包层光纤熔接,作为激光输出镜,利用975 nm的LD光纤模块作为泵浦源,采用端泵浦技术构成双包层光纤激光器。双包层光纤采用Nufern公司镱(Yb³⁺)离子掺杂双包层光纤,光纤长度3 m。所得激光器的输出功率为71.1 W,中心波长1 042 nm,带宽约为0.8 nm。     

基于飞秒激光直写光纤光栅的掺镱光纤激光器

利用飞秒激光微加工技术,可以在光纤纤芯内直写出布拉格光栅,它与传统的光纤光栅制作方法相比,具有耗时短、无需光敏光纤、周期可任意设定、光栅稳定性高等优点。采用800 nm钛宝石飞秒激光器,在Hi1060光纤内写入一支8 mm长的布拉格光栅,光纤光栅的周期为2.9 μm,这是中心波长为1 042 nm的八阶光纤布拉格光栅。将所得光栅与一段有源的双包层光纤熔接,作为激光输出镜,利用975 nm的LD光纤模块作为泵浦源,采用端泵浦技术构成双包层光纤激光器。双包层光纤采用Nufern公司镱(Yb3+)离子掺杂双包层光纤,光纤长度3 m。所得激光器的输出功率为71.1 W,中心波长1 042 nm,带宽约为0.8 nm。     

飞秒激光在双折射微结构光纤中模式控制的四波混频效应的实验研究

利用飞秒激光脉冲在长度为10cm，包层具有大空气比的双折射微结构光纤中通过高阶模相位 匹配的四波混频获得了波长可调谐的反斯托克斯波.实验中脉冲宽度为35fs，中心波长820nm ，单脉冲能量4nJ的飞秒激光脉冲耦合到长轴直径为5μm，短轴为46μm的双折射微结构光 纤中.在高阶模传输情况下，通过调制耦合光的偏振方向，获得了具有不同中心波长的反斯 托克斯波.通过对比分析，讨论了输入光的偏振态对双折射微结构光纤中高阶模式下四波混 频效应的影响情况.理论计算分析很好的解释了实验结果. 关键词： 微结构光纤 飞秒脉冲激光 四波混频     

掺Er光纤飞秒激光器中电光晶体对激光器参数的影响

由于受增益介质上能级寿命的影响,掺Er光纤光梳的梳齿线宽一般在百kHz量级.为了实现光梳梳齿线宽的压窄,一种有效的方法是在激光器中增加快速响应的电光晶体,使光纤光梳的伺服锁定带宽提高到百kHz以上,为光纤光梳的快速伺服锁定提供反馈机构.这其中,高品质的飞秒激光器是核心.基于此,本文主要研究了掺Er光纤飞秒激光器中电光晶...     

一种教学用简易飞秒光纤激光器的研制

介绍了一种适合于日常高校光学或光电技术专业的研究生和高年级本科生熟悉、了解飞秒激光教学实验用的飞秒光纤激光器.该飞秒激光光源基于非线性旋转偏振效应被动锁模原理,输出脉冲宽度为440 fs、脉宽带宽积为0.362、中心波长在1560 nm附近、平均输出功率为12mW、脉冲重复频率为31.15MHz.     

采用飞秒光纤激光同步泵浦的自启动锁模钛宝石激光研究

针对常规连续激光泵浦钛宝石激光振荡器不能自启动锁模的缺点,采用倍频飞秒光纤激光同步泵浦,通过调节振荡器腔长与泵浦腔长匹配,实现了飞秒钛宝石激光的自启动锁模。实验中采用3.4 W的倍频掺镱光纤激光同步泵浦钛宝石激光振荡器,获得了平均功率大于130 mW、重复频率75 MHz、光谱宽度大于47 nm、脉冲宽度17 fs的锁模脉冲输出,不仅能够稳定可靠地实现自启动锁模,解决了常规钛宝石激光振荡器锁模启动的困难,而且还具有同步输出1040,800,520 nm三束飞秒激光的特点,为进一步开展飞秒激光相干合成以及光参量放大等研究提供了优势基础。     

掺Er光纤飞秒激光器载波包络位相偏移的探测

本文介绍了基于掺Er光纤飞秒激光器光学频率梳中光学部分的研制. 实验上采用重复频率为230 MHz的掺Er光纤飞秒激光器,通过放大、光谱展宽以及单臂f—2f系统,在优化及分析相关参数影响的基础上,获得了~30 dB信噪比f₀的输出,为光纤光学频率梳的建立奠定了基础. 关键词： 掺Er光纤激光器 光学频率计量 光纤光学频率梳 光谱展宽     

303MHz高重复频率掺Er光纤飞秒激光器

高重复频率掺Er光纤飞秒激光器在光学频率梳、超高速光学采样等领域具有很重要的作用. 本文采用非线性偏振旋转锁模机理, 在掺Er光纤飞秒激光器中实现了重复频率为303 MHz的锁模脉冲输出. 通过优化腔内色散, 激光器腔内色散在零色散附近偏负值, 锁模后工作在展宽脉冲锁模状态. 在817 mW抽运功率下, 激光器在连续光状态下可以输出125 mW的平均功率, 在锁模状态下可以输出69 mW的平均功率, 脉冲宽度为90 fs. 当抽运功率处于700-817 mW时, 激光器可以实现自启动锁模. 激光器重复频率在5 h内的漂移量为30 Hz.     

基于光纤微结构加工和敏感材料物理融合的光纤传感技术

将功能敏感材料与光纤在物理层面进行有机融合,充分发挥光纤传感器在结构集成、材料集成等方面的优势,将有望发展新型的光纤传感器件和系统.本文综述了飞秒激光光纤微加工技术分别在标准的单模光纤和光纤光栅上制备微结构,再结合敏感材料制备技术,实现在物理层面上光纤传感器材料和结构的集成和融合,探索实现新型高性能的光纤传感新技术.     

Improvement of the fiber raman soliton laser for femtosecond optical pulse generation

Femtosecond optical pulses generated from a synchronously pumped fiber Raman soliton laser (FRASL) have been shown to have large excess noise and high background light (i.e., the pedestal) levels. In this paper, to improve the FRASL, the operation characteristics of the FRASL are investigated both theoretically and experimentally. It is shown that real femtosecond soliton oscillation in the FRASL can be obtained only when the soliton self-frequency shift (SSFS) effect in the fibers is suppressed and proper choices of both the Stokes oscillation wavelength and the pump power level are required for the SSFS suppression in the FRASL. By using a tunable all-fiber Raman ring laser, optical pulses as short as 400 fs with a low white AM noise level of -120 dBc / Hz have been generated from the compact FRASL with SSFS suppression. Based on the theoretical analyses, we propose to use an intracavity saturable absorber to prevent the generation of high-level Stokes background light in the FRASL, and the feasibility of this method is shown by numerical simulations.