光纤微纳结构的飞秒激光制造理论与方法

以光纤微纳结构为核心的光纤器件是下一代光信息技术发展的支撑，其制造过程是光学原理融合于机械科学的高精度、高难度的特殊制造，对传统制造理论和技术提出了挑战，而飞秒激光微纳加工技术的发展为高性能光纤微纳结构的制造提供了新的契机。本项目以飞秒激光制造光纤微纳结构的精度形成机制为核心，围绕提高制造精度和速度这两个关键问题展开研究：阐明等离子体的形成机理和飞秒激光的能场分布规律，及其对材料微观结构和性能的作用机制，确定制造过程对加工精度的影响规律；提出基于轮廓面加工的快速体去除加工方法，揭示飞秒激光沿光纤径向和轴向的传输规律，设计光束控制系统和加工系统，实现光纤微纳器件的飞秒激光高精度制造；提出基于多光束同步辐照和飞秒激光非线性效应的高精度快速光纤微纳结构的制造方法。为我国自主制造高精度、高性能光纤器件提供理论基础和技术储备。

光纤微/纳器件已成为下一代光信息技术的基石，其传统加工技术严重制约了光纤微/纳器件的纳米级精度加工和新型器件结构的实现，使其对现有的微/纳器件的制造原理和方法提出挑战。而飞秒激光加工突破传统加工的限制，不但为信息集成器件的制造提供了新的途径和方法，成为现代先进制造技术的有力技术支撑，更为光纤微/纳结构的加工提供可能。虽然飞秒激光加工技术已经成为激光精密微加工领域中最重要、最前沿的研究方向之一，但由于它仅有短短十余年的历史，还有诸多机理性、规律性科学问题未得到充分认识，其加工效率和加工精度尚待提高。因此，迫切需要开展对飞秒激光加工光纤微/纳结构机理与技术的深入研究，为新型制造提供知识储备和技术支撑。.本项目主要研究内容包括：光纤微/纳结构的飞秒激光加工成形机理；光纤微/纳结构的轮廓面加工方法研究；飞秒激光脉冲在结构光纤中的径向传输机理与聚焦特性研究；飞秒激光加工光纤微/纳结构的精度影响因素及控制方法研究及基于飞秒激光非线性的加工方法的探索研究。项目总体进展顺利，取得了一系列研究成果并陆续发表在国内外主流杂志如Sensors and Actuators A: Physical、 Laser Physics Letters等上发表论文38篇；获教育部自然科学二等奖1项；申请国家发明专利9项。.项目主要研究成果包括：.1.开展了透明介质材料的加工机理分析，理论预测了激光参数（波长、能量密度、脉冲序列等参数）对透明介质材料瞬时电子动态的影响分析。.2.运用Bessel整形光束在靶材石英玻璃体内烧蚀加工半径可调节的圆环结构和微通道，实现深径比约为500:1的微孔加工，并在光纤上实现微孔结构和长周期光纤光栅的快速加工，且微孔结构光纤具有较高的折射率传感特性。.3.分别采用飞秒激光逐点法和线扫描法刻写出了长周期光纤光栅，并分析了逐点法下不同参数（光栅周期、光栅长度、占空比和扫描次数等）对刻写LPFG的透射谱的影响。理论分析了长周期光纤光栅温度特性，对线扫描刻写出的长周期光纤光栅进行了温度调控实验，实验结果表明其在低温段适合波长调控，在高温范围具有较高的温度灵敏度。.4.提出了一种横向扫描加工方法,可有效解决光纤精确定位加工难题。并分别使用线扫描和横向扫描结合化学腐蚀的方法制作了两种结构类型的MZI，即V槽型和矩形腔体型，研究了其传感特性，包括折射率、温度、弯曲等。