飞秒激光与晶体材料相互作用的研究进展_图文

1、飞秒激光与晶体材料相互作用的研究进展/孙晓慧等1飞秒激光与晶体材料相互作用的研究进展3孙晓慧, 张修丽, 刘烈(上海工程技术大学基础教学学院, 上海201620摘要综述了飞秒激光与各种晶体材料作用的现象, 如双光子、多光子非线性吸收致上转换发光现象, 各类微结构、色心结构等; 阐述了飞秒激光与各种晶体的作用机制及在各方面的应用; 展望了飞秒激光与晶体材料作用的应用前景。关键词飞秒激光晶体微结构多光子吸收Latest R esearch Development of w Laser, G Xiuli , L IU Lie(Studies , Shanghai University of Engi

2、neering Science ,Shanghai 201620Abstract Various phenomena of the interaction between femtosecond laser and crystal materials are summa 2rized ,such as the nonlinear two 2photon 2excited and multi 2photon 2excited upconversion luminescence , microstructures and color centre generations etc. The inte

3、raction mechanisms between femtosecond laser and crystal materials are dis 2cribed and the potential applications are analyzed.femtosecond laser , crystal material , microstructure , multiphoton absorption K ey w ords 0引言由于飞秒激光具有很高的峰值功率、极短的脉冲宽度等特性, 被广泛用于物理、化学、生物学、光电子学等各个领域, 此外在信息传输、处理及存储等现代通讯方面都有着很好

4、的发展前景。当材料与激光相互作用时, 长脉冲情况下电子被加热的同时将能量传递给离子, 电子与离子始终处在热平衡状态; 而飞秒激光情况下, 如此短的时间内能量来不及传递给离子, 因而在脉冲与电子相互作用过程中离子保持相对低温, 从而可以实现“冷加工”。另外研究表明飞秒激光情况下, 烧蚀作用从一种统计属性转变为一种确定行为, 材料具有确定的烧蚀阈值。如果适当控制飞秒激光能流密度, 甚至可以得到比衍射极限还小的特征结构。20世纪90年代后, 随着飞秒钛宝石激光器的研制成功, 飞秒激光进入了材料加工领域。与传统加工用激光器如二氧化碳(CO 2 激光器、掺钕钇铝石榴石(YA G 激光器相比, 飞秒激光加

5、工产生的热影响区域非常小, 能够得到更高的加工精度; 与准分子激光器相比, 飞秒激光脉冲除了材料表面微加工, 还能进行透明材料的体内微加工, 且加工精度不低于准分子激光。1996年日本的Davis K M 等首次利用再生放大的钛宝石飞秒激光成功地在各种玻璃材料内写入光波导1。哈佛大学Mazur E 领导的小组利用飞秒激光在各种透明材料内部进行高密度三维存储2。此后的十几年里, 人们对各种材料的飞秒激光加工及在各方面的应用都进行了大量的研究。Rizvi N H 总结了飞秒激光对金属、玻璃、金刚石等多种材料的微加工进展情况, 从各方面证实了飞秒激光是一种优秀的材料加工光源3。各种晶体材料由于具有特

6、殊的光学性能、电学性能、机械性能等, 被广泛应用到激光和光电子技术、生物医学、高能物理及家用电器等领域, 成为当代信息技术产业的支柱。对于飞秒激光与晶体相互作用而引起的结构及其性质变化等方面的研究, 国内外学者给予了广泛关注。已有学者对飞秒激光与多种晶体材料相互作用进行研究并发现双光子、三光子等多光子非线性吸收致上转换发光现象410。另外在飞秒激光对晶体作用下产生各类微结构如光波导1118、光栅19, 20、色心结构2127方面也有较多研究。本文介绍了飞秒激光与各种晶体材料相互作用方面的研究现状, 阐述了飞秒激光作用后晶体产生的各种现象及具体应用, 展望了飞秒激光与晶体材料相互作用的应用前景。

7、1飞秒激光与晶体作用的现象及应用1. 1多光子吸收致上转换发光飞秒激光由于具有峰值功率高、脉冲宽度短等特性, 与各种材料相互作用时常常诱导各种非线性过程。中科院上海光机所的董永军等在Cr 3+Al 2O 3晶体、Ce 3+L u 2Si 2O 7单晶、Ce 3+Gd 2SiO 5晶体、YVO 4单晶、Ce 3+YAP 等多种晶体材料与近红外飞秒激光相互作用的研究中发现了双光子甚至三光子等多光子吸收致上转换的非线性作用48。该小组研究了金属Cr 3+离子掺杂Al 2O 3晶体中飞秒激光辐射上转换发光4, 在800nm 飞秒激光激发下, Cr 3+Al 2O 3晶体中产生了与400nm 单色光激发

8、相同的位于694nm 的红色3上海高校选拔培养优秀青年教师科研专项基金(05XP YQ31 资助项目孙晓慧:女,1979年生, 讲师E 2mail :songsunci1631com 2材料导报2008年2月第22卷第2期上转换荧光。图1是800nm 近红外飞秒激光激发下Cr 3+Al 2O 3晶体的发光光谱。在飞秒激光聚焦点附近可以观察到强烈的红色荧光。作为比较, 图中还给出了氙灯400nm 单色光激发下该晶体的发光光谱。从图中可以看出, 在单光子激发和红外飞秒激光激发下,Cr 3+Al 2O 3晶体在694nm 处具有相同的发光峰, 该峰是Cr 3+离子的特征发射峰。通过对输入激光功率和上

9、转换荧光密度的对数关系进行拟合, 得到曲线的斜率为2. 05, 表明上转换荧光的产生包含了双光子吸收过程 。晶体本身的荧光发光所致。此外, 该小组还在室温下研究了波长7001000nm 的飞秒激光与ZnO 单晶作用, 通过荧光光谱的检测及自相关测量(Autocorrelation measurement , 表明通过激发光功率密度的调节可以选择性地控制ZnO 晶体内两光子、三10光子甚至四光子吸收作用的发生。ZnO 作为一种宽禁带的半导体材料, 在很多方面都具有广泛的应用, 如衬底材料、光电、气敏、压敏、压电等方面。该项研究显示了ZnO 晶体材料在非线性光学领域的潜在应用 。图1飞秒激光辐照下

10、Cr 3+Al 2O 3晶体的发光光谱图4采用上述类似的研究方法对稀土Ce 3+离子掺杂L u 2Si 2O 7晶体5和Gd 2SiO 5晶体6的飞秒激光辐射上转换发光进行性能研究和表征, 发现在800nm 飞秒激光激发下, Ce 3+L u 2Si 2O 7和Ce 3+Gd 2SiO 5晶体中均产生了强烈紫外波段上转换荧光, 而且发射荧光具有与紫外267nm (800/3 单色光激发相同的发射光谱。通过单光子吸收和激发光谱研究了上转换发光的机制, 表明同步三光子吸收是这两种晶体中上转换发光的-主导机制。对自激活VO 3离子在YVO 4晶体中的上转换发光4进行研究7, 在800nm 飞秒激光激

11、发下, YVO 4晶体中产生了与267nm 单色光激发相同的位于438nm 和464nm 的蓝色上转换荧光。研究表明同步三光子吸收是该晶体中上转换发光的主导机制。对Ce 3+YA P 晶体与飞秒激光作用研究发现8, 发射荧光具有与紫外267nm 单色光激发相同的发射光谱, 表明同步三光子吸收是晶体中上转换发光的主导机制。多光子过程已被广泛应用于非线性光学、激光技术、光电子学及生物光子学等领域。如光学混频技术、非线性光谱技术、同位素分离分子系统、多光子共焦显微术、多光子光动力学治疗等。上述各种晶体中多光子同步吸收激发的上转换发光现象在上转换紫外激光、红外技术、荧光成像和高密度光存储等领域具有潜在

12、的应用前景。香港大学Dai D C 等在飞秒激光与ZnO 晶体作用的研究中发现了双光子及三光子吸收现象9, 10。在室温下利用700880nm 的飞秒激光与ZnO 单晶作用, 通过荧光光谱的检测及自相关测量(Autocorrelation measurement , 表明在激发光子能量高于和低于ZnO 半带隙能量时, 两光子和三光子非线性吸收作用分别占主导机制9。如图2所示是ZnO 晶体在不同波长的飞秒激光激发下产生的发光光谱。图中有两个发射谱带, 分别是窄的395nm 紫外谱带(3. 14eV 和宽的中心位于492nm (2. 52eV 的可见光谱带。图中垂直箭头标注的波峰是激光线的二次谐波

13、信号。其中紫外发光谱带是由于电子2空穴电离发光, 其能量230meV 低于ZnO 室温下带宽(3. 37eV , 是强激发之后带宽迅速重新正常化的结果; 宽的可见发光谱带是ZnO图2室温条件下飞秒激光作用于Z nO 晶体多光子致发光光谱91. 2各种微结构1. 2. 1光波导近年来, 国内外学者对飞秒激光与铌酸锂晶体(LiNbO 3 作用产生光波导结构进行了大量研究。Gui Li 等利用聚焦的飞秒激光在LiNbO 3晶体内部获得光波导结构并制作了Y 型分束器11。Thomson R R 等利用飞秒脉冲激光首次在LiNbO 3晶体内制作得到1550nm 波长窗口的光波导12, 13, 该研究工作

14、使得新颖的商用电信装置如小区域电光调制器及开关等成为可能。最近Bookey H T 等在Z 切割LiNbO 3晶体内获得低插入损耗的光波导14, 测得在1550nm 波长窗口的18mm 长光波导直接耦合到Corning SMF 228光纤的插入损耗仅为3. 5dB (其中耦合损耗2. 1dB , 传输损耗1. 1dB , 菲涅耳反射损耗0. 3dB 。图3YAG Nd 3+晶体内获得的凹陷型包层光波导结构侧视图16Okhrimchuk A G 等利用飞秒激光首次在YA G Nd 3+晶体内获得损耗分别为0. 05dB/cm 和0. 018dB/cm 的光波导结构15, 16, 晶体折射率的变化

15、达410-4。图3是YA G Nd 3+晶体内获得的凹陷型包层光波导结构图片。Nejadmalayeri A H 等首次利用飞秒激光在晶体硅内写入低损耗(1. 2dB/cm 的光波导结构17。晶体硅对810nm 的近红外飞秒激光不透明,m 必须利用光学参数放大器(OPA 将之转换为硅透明的2. 4波长的中红外激光(能量略小于硅带宽能量的1/2, 从而确保激飞秒激光与晶体材料相互作用的研究进展/孙晓慧等发三光子非线性吸收 。Apostolopoulos V 等在掺钛蓝宝石(Ti 3+Sapphire 晶体内获得光波导结构18, 并指出恰当的活性掺杂能够使飞秒激光在各种晶体材料内获得光波导结构。3

16、方法是电离辐射。通过对飞秒激光与晶体材料相互作用的研究, 已发现多种晶体材料内产生色心。姜本学等提出一种利用 飞秒激光辐照在LiF 晶体中形成色心制作微米线激光器的方法28。1. 2. 2光栅中科院上海光机所的赵全忠等利用飞秒激光在CaF 2晶体内得到衍射光栅19。经过飞秒激光辐照及不同退火温度处理后获得晶体最大的折射率变化为3. 5710-4, 最大的光栅衍射效率为8. 5%(采用632. 8nm 的测试波长 。文中分析了CaF 晶体折射率变小的原因主要在于色心结构的产生(8光子非线性吸收作用 及晶体结构永久性的变化。图4即通过飞秒激光作用在CaF 2晶体内得到的衍射光栅结构。Grando

17、D 等比较了高重复频率低脉冲能量与低重复频率高脉冲能量的飞秒激光对LiNbO 3晶体作用后微结构形貌的差异20, 的表面光栅。5飞秒激光作用下LiF 晶体内获得的色心结构的光学照片25除了上文提到的飞秒激光与晶体作用产生双光子、三光子等多光子非线性吸收致上转换发光, 光波导及光栅等微结构写入, 色心结构等现象, 文献29中还总结了如价态操作、产生晶体相变等特殊现象。2结语本文介绍了飞秒激光与各种晶体材料作用的现象, 阐述了飞秒激光与各种晶体材料作用的机理及在各方面的具体应用。由于晶体材料在信息技术产业中的重要作用, 飞秒激光与晶体相互作用的研究对于信息领域、通讯行业等方面的发展都具有非常重要的

18、意义。晶体中的多光子吸收激发的上转换发光在短波长激光技术、红外技术、荧光成像和三维高密度光存储等领域具有潜在的应用前景; 氧化锌晶体的非线性吸收开拓了氧化锌材料在非线性光学领域的潜在应用; 各种光波导、光栅等微光学元件的制作更为光电通信等信息产业的快速发展起到了推动作用; 晶体内新缺陷结构的产生为晶体材料性能的进一步研究及晶体材料的应用提供了方法。飞秒激光与晶体材料相互作用能够产生各种特殊现象, 并具有实际的应用价值, 随着研究的深入, 飞秒激光与晶体的相互作用将具有更为广泛的应用。图4飞秒激光扫描在C aF 2晶体内得到的衍射光栅结构19光栅、光波导等微光学元件是微光电机系统(MO EMS

19、的关键元器件, 由于具有体积小、重量轻、设计灵活可实现阵列化和易复制等优点已广泛用于现代光学和激光光学等各个领域中, 如改善光学系统的成像质量、减轻系统重量、改变激光光束波面、实现光束变换、光学互联等。飞秒激光被用于微光学元件的加工领域, 为优化现有光学系统提供了新的方法, 成为现代光学发展方向之一。1. 3色心结构利用飞秒激光在玻璃等材料内产生色心可用于制作光波导结构2123参考文献1Davis K M ,Miura K ,Sugimoto N ,et al. Writing waveguides in glass with a femtosecond laser J.Opt Lett ,

20、1996, 21(21 :17292G lezer E N , Milosavljevic M , Huang L , et al. Three 2di 2mensional optical storage inside transparent materials J.Opt Lett , 1996, 21(24 :202334Nadeem H R. Femtosecond laser micromachining :Current status and applications J.RIKEN Rev , 2003, 50:107Yang L Y , Dong YJ , Chen D P ,

21、 et al. Upconversion lumi 2nescence from 2E state of Cr 3+in Al 2O 3crystal by inf rared femtosecond laser irradiation J.Opt Express , 2005, 13(20 :78935Dong Y J , Xu J , Zhao G J , et al. Simultaneous three 2pho 2ton 2excited violet upconversion luminescence of Ce 3+L u 2Si 2O 7single crystals by f

22、emtosecond laser irradiation。赵全忠等利用800nm 飞秒激光辐照LiF 晶体, 比+3较了辐照前后晶体的吸收光谱表明晶体内产生F 和F 色心24。Courrol L C 等利用飞秒激光对LiF 晶体辐照, 在晶体内获得色心结构。通过对晶体吸收光谱及发光光谱的研究表明辐照过程中有F 心、F 2心、F 2+心及F 3+色心结构产生25。图5给出了色心结构的照片, 通过激光功率及结构半径大小获得色心结构产生的阈值大小(2TW/cm 2 。色心结构产生的主要机制在于飞秒激光作用下引发的多光子电离非线性作用使得F 离子中和并被激光场中电子的振动所取代。潘守夔等也在KCl 晶

23、体、LiF 晶体内部得到色心结构26,27。色心结构是晶体内吸收光的点缺陷, 对晶体的闪烁性能将产生直接的影响, 将导致光输出下降。通过观察色心吸收带的变化可以研究影响晶体点缺陷的变化规律, 另外晶体色心结构还为晶体的进一步应用提供了方法。诱导晶体色心结构的主要4J.Opt Lett , 2006, 31(14 :21756材料导报2008年2月第22卷第2期scription of optical waveguides in crystalline silicon by mid 2inf rared femtosecond laser pulses J.Opt Lett , 2005, 30

24、(9 :96418Apostolopoulos V , Laversenne L , Colomb T , et al. Femto 2second 2irradiation 2induced Lett , 2004, 85(7 :112219Zhao Q Z , Qiu J R , Jiang X W , et al. Fabrication of inter 2nal diff raction gratings in fluoride crystals by a fo 2cused Express , 2004, 12(5 :Yu J , D , et al. Femtosecond la

25、ser writ 2microstructures in lithium niobate C .Non 2linear Guided Waves and Their Applications (NL GW , 2005. WD3321Ter 2Mikirtychev V V. Efficient room 2temperature tunablelasers and passive Q 2switchers based on LiF F 2-crystals J.Opt Commun , 1995, 119(122 :10922Davis K M , Miura K , Sugimoto S

26、, et al.1996, 21(21 :172923Osellame R , Taccheo S , Cerullo G , et al. Optical gain inEr 2Yb doped waveguides fabricated by femtosecond laser pulses J.Electron Lett , 2002, 38(17 :96424Zhao Q Z , Qiu J R , Yang L Y , et al. Fabrication of micro 2structures in LiF crystals by a femtosecond laser J.Ch

27、i 2nese Phys Lett , 2003, 20(10 :185825Courrol L C , Samad R E , G omes L , et al. Color centerproduction by femtosecond pulse laser irradiation in LiF crystals J.Opt Express , 2004, 12(2 :28826Pan S K , Jiang B X , Jiang X W , et al. Near inf rared ultra 2fast intense laser 2induced colour centres

28、in KCl crystal J.J Cryst Growth , 2004, 263(124 :64827Pan S K , Jiang B X , Li H J , et al. Space 2selective laserf unction defects induced by ultra 2fast intense laser in LiF crystal J.J Cryst Growth , 2005, 275(122 :233328姜本学, 赵志伟, 夏长泰, 等. LiF 晶体微米线色心激光器的3+Dong Y J , Xu J , Zhou G Q , et al. Blue

29、upconversion lumi 2nescence generation in Ce (5 :8993+Gd 2SiO 5crystals by inf raredfemtosecond laser irradiation J.Opt Express , 2006, 147Yang L Y , Wang C , Dong YJ , et al. Three 2photon 2excited upconversion luminescence of YVO 4single crystal by inf ra 2red femtosecond laser irradiation J.Opt E

30、xpress , 2005, 13(25 :101578Yang L Y , Dong Y J , Chen D P , et al. Three 2photon 2excit 2ed upconversion luminescence of Ce3+ref ractive 2index changes andchannel waveguiding in bulk Ti 3+sapphire J.Appl PhysYA P crystal byfemtosecond laser irradiation J.Opt Express , 2006, 14(1 :2439Dai D C , Xu S

31、 J , Shi S L , et al. sorption 2induced at room , , 24 :337710Dai D C , Xu S J , , et Observation of both sec 2ond 2harmonic and multiphoton 2absorption 2induced lumines 2cence in ZnO J.IEEE Photonics Techn Lett , 2006, 18(14 :153311Gui L , Xu B X , Chong T C. Microstructure in lithium nio 2bate by use of focused femtosecond laser pulses J.IEEE Photonics Techn Lett , 2004, 16(5 :133712Thomson R R , Campbell S , Brown G , et al. FemtosecondWaveguide Fabrication in Bulk Lithium Nioba