飞秒激光诱导玻璃中粒子迁移的物理机制和应用

飞秒激光与凝聚态物质的相互作用是当今国际凝聚态物理领域的一个热点。以往的研究主要集中在基于飞秒激光超短脉冲和超高电场特性的加工精度高、热效应小、损伤阈值低等微加工领域。我们的前期探索性研究表明，利用飞秒激光的偏振和啁啾状态等特性可以使我们打开强场激光与物质相互作用的新的门户，发现基于强场超快激光与物质相互作用的全新现象。本项目将围绕探索飞秒激光诱导玻璃中粒子（原子﹑离子以及纳米粒子）迁移的规律以及应用，系统研究飞秒激光照射条件（脉冲能量﹑脉冲频率、偏振和啁啾状态等）对玻璃中原子、离子以及纳米粒子重新分布的影响。用显微拉曼、透射电镜等进行微观结构表征。建立基于非傍轴非线性薛定谔方程和考虑聚焦系统球差等表征激光在玻璃中能流密度分布的物理模型。开拓基于理论指导的利用光束整形技术的空间选择性粒子分布操控技术，探讨在微光学集成器件构筑中的应用。

本课题围绕飞秒激光诱导玻璃中粒子迁移展开了系统研究。研究了飞秒激光辐照对玻璃中原子、离子以及纳米粒子重新分布的影响，发现了基于飞秒激光诱导局域等离子体-温度压力场效应的新现象。用显微拉曼、透射电镜等进行了微观结构表征和分析，提出了微结构以及纳米粒子形成的物理机制。完成了项目的各项预定任务。具体工作体现在以下几个方面：1．飞秒激光诱导纳米粒子析出控制。在透明玻璃内部利用高重复频率飞秒激光照射诱导析出了铜纳米颗粒。对铜纳米颗粒的形貌，尺寸和空间分布进行了表征。对铜纳米颗粒析出的机理进行了探索，认为是飞秒激光照射过程中多种非线性效应引起的光还原以及高温热场作用下铜原子的迁移和团聚导致的。观察到析出的铜纳米颗粒在高重复频率飞秒激光的二次照射过程中的擦除现象。利用高重复频率飞秒激光照射制备的铜纳米颗粒掺杂的玻璃材料可以应用于具有超快响应速度的光开光等光学元器件以及三维激光彩色内雕产品。 2．飞秒激光诱导玻璃表面微突起及内部和微通道。系统研究了微突起结构的形貌和尺寸对飞秒激光照射参数及照射方式的依赖性。对微突起结构形成的机理进行了研究，认为是玻璃材料对飞秒激光脉冲能量的线性吸收和非线性吸收共同作用的结果。利用高重复频率飞秒激光直写技术在玻璃内部诱导了微通道结构。利用高重复频率飞秒激光照射制备的微突起结构可以应用于微透镜等光学元件领域，而微通道结构则可以应用于微型全分析系统。 3．飞秒激光诱导玻璃内部元素重新分布。在硅酸盐玻璃内，观察到了玻璃网络形成离子和玻璃网络改性离子在激光照射区域内相对含量的变化。认为是这些离子在飞秒激光诱导的高温热场的作用下以不同的速率向外迁移造成的。在碲酸盐玻璃中，观察到了新奇的元素重新分布现象。在飞秒激光照射区域内，各种玻璃组分的相对含量没有发生变化，而玻璃材料的密度却发生了变化。利用高重复频率飞秒激光照射诱导元素重新分布，我们可以对玻璃材料内部微区的光学性能等进行空间选择性操控， 这对于制备光波导等光学元器件具有重要的意义。另外我们利用显微拉曼光谱研究了飞秒激光诱导玻璃内部残余应力，发现了飞秒激光诱导纳米光栅和异向扫描效应等新现象和新机制。本课题共发表相关SCI收录论文30余篇。申请专利6项。在国际会议作大会和邀请报告8次。组织召开了国际玻璃协会年会，第2届长余辉和光激励发光材料会议等国际国内学术会议。1名学生获国际非晶态物理会议最优秀论文奖。