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飞秒激光与透明晶体作用机理及微加工可行性研究

蔡君古  
【摘要】:近年来,由于飞秒激光烧蚀透明材料时所独有的特性,使得飞秒激光对透明材料的微加工研究成为了人们广泛关注的焦点,但多集中于研究与玻璃、石英、晶体等一些硬质材料相互作用,而对传统的容易解理材料,如冰洲石、云母晶体等的损伤阈值和微加工研究还鲜有报道。尤其是云母材料切割、钻孔加工技术还存在诸多的技术问题难以解决,严重制约了此优质光学双折射材料的利用。因此,研究飞秒激光与云母晶体的相互作用有着非常重要的实际意义,这一研究项目也得到了省主管部门的资金支持。 本论文对飞秒激光微加工云母晶体进行了部分的理论与实验研究工作,主要包括以下几个部分的内容: (1)介绍了飞秒激光与透明材料的微细加工研究现状,总结探讨了飞秒激光烧蚀透明材料的物理机制,其中,重点讨论了雪崩电离及多光子电离的过程,理论分析了激光脉冲烧蚀透明材料的烧蚀阈值、烧蚀深度与脉宽和光子能量之间的关系。 (2)实验测量了飞秒激光烧蚀不同厚度的云母材料的损伤阈值,研究了材料厚度与损伤阈值的关系,验证了飞秒激光与透明材料相互作用的多光子电离损伤机制,得出了损伤阈值与材料的厚度无关,而只与材料本身的性质有关的结论,并为飞秒激光微加工透明晶体的研究打下了基础。 (3)利用飞秒激光对云母晶体进行微加工可行性实验研究,并尝试了制备微型实验器件的研究工作;针对云母材料孔加工技术,详细比较了飞秒激光孔加工与机械孔加工这两种工艺之间的优劣性。 本文的主要创新点如下: (1)首次提出通过云母晶体的飞秒激光能量透射比的迅速变化来判断材料损伤阈值点的观点,并利用这一方法测量了厚度在45μm~138μm内的云母晶体的损伤阈值。实验发现,在特定脉宽的飞秒脉冲激光作用下,其损伤阈值与材料的厚度无关,而只与材料本身的性质有关。 (2)研究了飞秒激光对云母材料孔加工工艺的可行性,实验结果表明,其具有传统的机械孔加工云母材料所无可比拟的优势。成功用飞秒激光加工出了直径小到了几百微米的微小型云母波片,为将来云母材料微型化的应用提供了重要的借鉴意义。


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