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《吉林大学》 2017年
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蓝宝石微光学元件的飞秒激光制备技术研究

李乾坤  
【摘要】:蓝宝石晶体由于其覆盖紫外至中红外的高透过率、超高硬度、良好的热稳定性和化学稳定性等优良的物理、化学和光学性质,已被广泛用于军事、工业、医学和航空航天等领域。作为一种优异的光学材料,蓝宝石并没有在微纳光学领域被开发利用,主要原因是传统的机械加工在微纳米尺度已不再适用,而通过掩膜进行化学刻蚀存在各向异性的问题。近年来,飞秒激光微纳加工技术制备的三维微纳结构已在微电子、微光学、微机电系统、生物传感等领域获得越来越广泛的关注。利用飞秒激光烧蚀技术能够实现蓝宝石等硬质材料微纳米结构的制备。然而对于硬质材料的加工,通常需要采用高能量密度激光对材料进行烧蚀,加工精度不高且无法实现快速扫描加工。另外,飞秒激光与蓝宝石晶体相互作用是一个多光子吸收产生库伦微爆炸的过程,制备的蓝宝石表面结构表面粗糙度较大,难以满足光学器件对高表面平滑度的要求。针对飞秒激光加工蓝宝石面临的加工精度低、表面质量差等问题,本论文提出了利用近阈值飞秒激光加工技术实现蓝宝石微纳结构高精度制备;采用湿法刻蚀技术辅助飞秒激光加工技术降低蓝宝石激光加工区域的表面粗糙度。在此基础上,我们首先制备了蓝宝石紫外微光学元件包括蓝宝石菲涅尔波带片和蓝宝石达曼光栅,且取得了良好的光学性能;其次我们利用湿法刻蚀辅助飞秒激光加工制备了蓝宝石亚波长减反射结构表面,提高了其在中红外光谱区的透过率。另外,我们利用飞秒激光在蓝宝石晶体内部诱导折射率变化的方法制备了高效率的衍射型透镜。本论文的具体研究工作如下:(1)利用近阈值飞秒激光加工技术实现了蓝宝石的高精度加工,利用湿法刻蚀辅助飞秒激光加工技术解决了激光直接加工表面粗糙度较大的问题。通过调节激光的脉冲能量,激光偏振状态等参数,实现了高分辨率加工蓝宝石,加工线宽可以达到150纳米。采用浓硫酸和浓磷酸的混合溶液(体积比为3:1)在高温条件下湿法刻蚀激光加工过的蓝宝石,通过优化湿法刻蚀条件,得到了良好的表面质量,表面粗糙度降至11.9纳米,满足了光学应用的要求。(2)利用湿法刻蚀辅助飞秒激光加工技术制备了蓝宝石紫外微光学元件。制备的蓝宝石菲涅尔波带片不仅具有优良的几何形貌和表面质量还展现出了优异的紫外光聚焦和成像性能;此外,我们还首次制备了具有紫外激光(266nm)分束性能的蓝宝石达曼光栅,能量分束比分别为2×2、3×3、4×4和5×5的达曼光栅的衍射效率分别为59.26%、39.53%、44.68%和55.37%,与理论衍射效率一致。除此之外,制备的达曼光栅分束性能表现出了良好的光强一致性,因此我们制备的蓝宝石达曼光栅在紫外激光整形和激光并行加工领域都有重要的应用价值。(3)利用湿法刻蚀辅助飞秒激光微纳加工技术实现蓝宝石亚波长减反射阵列结构的可控制备。我们采用飞秒激光振镜扫描系统在蓝宝石基片一个平面上制备出亚波长微孔阵列结构使得蓝宝石在中红外光谱区的透过率从85%提高到92.5%,而且制备的蓝宝石减反射结构在大角度(60度)入射时依然保持了90%以上的透过率。另外,我们还提出采用飞秒激光压电平台加工系统通过激光垂直交叉扫描的方式在蓝宝石基片上制备出亚波长减反射金字塔阵列结构,有望实现大面积亚波长减反射结构的制备,实验结果在进一步优化中。蓝宝石亚波长减反射阵列结构由于和蓝宝石本体材料一致,可以克服镀膜产生的失配问题以及薄膜损坏脱落问题。(4)利用飞秒激光直写技术直接在蓝宝石晶体内部通过诱导蓝宝石折射率变化的方式实现了高效率衍射型菲涅尔透镜的制备。我们首先通过在蓝宝石晶体内部利用飞秒激光直写技术加工体相位型光栅,测得体相位型光栅的特征参数和衍射特性,并进一步获得了飞秒激光诱导蓝宝石折射率的变化量。在此基础上,我们理论设计并利用飞秒激光诱导蓝宝石晶体折射率变化的方式制备了相位型衍射透镜,该衍射型透镜取得了良好的紫外光聚焦和成像的性能。更为重要的是,该透镜可在折射率不同的环境中以及高温退火后依然保持良好的光学性能,说明我们制备的衍射型菲涅尔透镜有在苛刻环境下应用的潜力。综上所述,本论文以解决飞秒激光加工蓝宝石材料加工精度低与表面质量差的问题为出发点,提出了湿法刻蚀辅助近阈值飞秒激光加工技术。实现了蓝宝石紫外微光学元件、蓝宝石亚波长减反射结构的可控制备,并取得了良好的光学性能。此外,我们还利用飞秒激光直写技术通过诱导蓝宝石折射率变化的方式在蓝宝石晶体内部制备了高效率衍射型菲涅尔透镜,并验证了其在苛刻环境下应用的潜力。我们以湿法刻蚀技术和飞秒激光加工技术为手段,实现了蓝宝石各种微光学元件的制备和表征,展现了蓝宝石晶体在微光学领域的应用价值,为蓝宝石晶体在微光学的应用提供了新的技术方法和新的思路。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TN249

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