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飞秒激光与铁电材料相互作用及波导特性研究

张一帅  
【摘要】: 飞秒激光与透明介质的相互作用是近年来研究的热点领域。将飞秒激光聚焦到透明材料的表面,当照射激光能量高于材料损伤阈值时,会造成材料表面的物理损伤。另一方面,通过显微物镜将飞秒激光聚焦到介质材料内部,当激光能量低于材料破坏阈值时,通过飞秒激光与介质之间的非线性作用,致使介质被作用的区域发生折射率变化,利用飞秒激光的这种特性可以加工出光波导,这已成为制作光波导的一种新方法。 本文研究了铁电介质铌酸锂、钽酸锂及掺镁铌酸锂晶体的表面烧蚀。铌酸锂、钽酸锂是重要的非线性光学晶体材料,研究飞秒激光与铁电晶体之间的相互作用,不但可以帮助人们加深理解飞秒激光与此类晶体相互作用的物理规律,而且还对飞秒激光在铁电晶体中的微加工应用具有重要的参考价值。我们利用烧蚀面积与激光能量的对数关系,确定这三种晶体在单脉冲及多脉冲作用下的烧蚀阈值。在800nm飞秒激光脉冲作用下,钽酸锂晶体单脉冲烧蚀阈值为1.84 J /cm 2;在此基础上,我们通过建立钽酸锂晶体中导带电子密度演化微分方程,并数值求解,得到了钽酸锂的碰撞电离速率系数为1.01 cm 2 /J ,并得出在钽酸锂表面烧蚀中,光致电离提供种子电子,雪崩电离起主导作用的结论。对于铌酸锂,在研究多脉冲烧蚀的时候,由于累计效应,当作用铌酸锂晶体上的飞秒脉冲个数大于80的时候,多个脉冲的破坏阈值Ft h(∞)趋近一常数0.52±0.06 J /cm2。用同样的方式,我们对掺镁铌酸锂进行了表面烧蚀研究,研究发现,掺镁铌酸锂表面烧蚀阈值为Ft h= 5.26 J /cm2,比不掺镁的铌酸锂烧蚀阈值要高出很多;而且,在不同能流密度的单脉冲烧蚀情况下,烧蚀形貌图也有很大区别。 飞秒激光能简单快速制作一维波导阵列的优点,使得在研究一维波导阵列中的离散衍射,离散孤子等线性和非线性现象时更为方便地提供实验样品。我们利用飞秒激光在z方向切割的铌酸锂中制备了一个1×4的波导阵列。在波导耦合实验中观测到了铌酸锂波导阵列的偏振相关耦合特性,结果表明波导阵列对TM模式的限制要比对TE模式限制更强。同时,对两种偏振输入光所对应的波导耦合系数也进行了测量计算。 最后,我们对一维波导阵列中光脉冲的传输也进行了理论上的研究。在不同的入射功率情况下,波导阵列中能量分布不同;相同功率入射情况下单根波导和波导阵列出射脉冲波形不同,这为我们以后对飞秒刻写出来的波导阵列进行这方面的实验研究提供了理论依据。


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