飞秒激光曝光微晶玻璃光折变机理与应用研究

Photo-thermal-refractive (PTR) glass is photosensitive, thermal-sensitive and photostructurable materials, was used for diffraction elements, lab-on-a-chip devices, and micro-opto-electro-mechanical systems (MOEMS). Its mechanism of refractive index change keeps unknown for many years. Based on our observation of nanocrystal in PTR glass, we propose a scientific introspection into the fundamental mechanisms via growth dynamics of nano-crystal. It addressees several challenges related to the nucleation centers, the dependence of NaBr and NaF on index change, and the characteristics of nano-crystal. Secondly, by optimization of elements in PTR glass, some functions can be added such as laser medium, saturable absorber, and 3D waveguide glass with positive index change. Thirdly, we will test some concepts for phase devices, diffraction elements, monolithic integration picosecond Q-switch laser. We expect to acquire a novel perspective into fundamentally important physical phenomena and to push forward the application field with innovative concepts in embedded 3D optical systems.

微晶玻璃具有光敏、热敏和刻蚀性能，是诸多集成光子器件、衍射光学器件、微流器件的基质材料。然而，飞秒曝光的光折变机理仍存广泛争议，基于我们前期对光热敏微晶玻璃内部纳米晶体特征的基本探索，本项目拟进一步通过纳米晶体生长动力学过程研究，解答Ag团簇对纳米晶体晶核诞生的作用、NaBr和NaF纳米晶体对折射率变化的贡献、纳米晶粒直径精确调控等挑战性问题。科学地运用纳米晶体生长机制，从材料层面开展溴氟含量对光折变的调控、掺杂镱、钕、饵、铬等主动粒子构成激光介质、微晶玻璃转换为透明陶瓷的探索研究。从器件方面，开展单片集成Bragg光栅、激光介质、饱和吸收功能的微晶玻璃脉冲激光技术、相位型光子筛、天文学光子灯笼等方面的应用研究。基于飞秒激光与物质相互作用和光学材料方面的深厚积淀，期望对一些基本的重要的物理现象获得新颖的，有深刻见解的观点，并且推动纳米晶体玻璃在制造嵌入系统中的应用。

光热敏微晶玻璃（Photo-thermo refractive glass, 简称PTR）是制备衍射光学器件、微流器件、微光机电系统等常用的多功能基底。利用飞秒激光选择性的曝光制作二维/三维结构，与新的应用需求结合，通过后续的热处理/酸处理，为集成器件的设计与制造提供了新思路。本项目通过飞秒激光曝光和热处理过程中纳米晶体生长动力学的研究，阐明了紫外曝光与红外飞秒激光曝光动力学过程的显著差异、在光栅制备条件下首次观察到纳米银团簇和NaF纳米晶体、发现了溴化钠在NaF微晶形成中的重要作用；分析了不同飞秒激光参数和热处理参数下，NaF纳米颗粒直径和密度的变化规律，为制作高质量衍射光学器件通过了重要理论依据。.通过制备不同掺杂的PTR玻璃光折变动力学研究，构建了更为完整的PTR玻璃非线性光热敏结晶机理，提出了铈离子、锑离子等多种多价离子可能均参与了超快激光曝光过程中电子的产生和转移，对优化玻璃组分制备三维微纳结构具有重要的指导性意义。.研究了超快贝塞尔光束与透明介质中的传输和相互作用动力学过程，用时空整形的单脉冲制备了远超衍射极限的纳米孔，最小孔径达到60nm，国际上首次在石英玻璃实现了深径比超过4347：1的纳米孔制造，用纳米孔在波导上产生折射率调制，实现了迄今为止Bragg光栅对比度的最高纪录。利用贝塞尔光束的超长无衍射传播距离特性，通过优化工艺参数，成功制备出了相对衍射效率高达95.1%的透射式体布拉格光栅。相关工作展示了超快激光局域调控PTR玻璃的优越性。.以稀土离子掺杂的Nd-PTR玻璃为研究对象，研究了超快激光诱导Nd-PTR玻璃的非线性光热敏响应行为；利用超快激光对Nd-PTR玻璃的折射率调制特性，制备了压低包层管状光波导和双线型光波导；基于银纳米颗粒的可饱和吸收特性，在Nd-PTR玻璃内制备了可饱和吸收体，并在Nd: YVO4激光器中实现了稳定被动调Q输出，相关工作有力推动了单片集成激光器及波导器件的制备及产业化应用。