飛秒雷射誘導玻璃中粒子遷移的物理機制和套用

《飛秒雷射誘導玻璃中粒子遷移的物理機制和套用》是依託華南理工大學，由邱建榮擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：飛秒雷射誘導玻璃中粒子遷移的物理機制和套用
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：邱建榮
• 依託單位：華南理工大學

項目摘要

飛秒雷射與凝聚態物質的相互作用是當今國際凝聚態物理領域的一個熱點。以往的研究主要集中在基於飛秒雷射超短脈衝和超高電場特性的加工精度高、熱效應小、損傷閾值低等微加工領域。我們的前期探索性研究表明，利用飛秒雷射的偏振和啁啾狀態等特性可以使我們打開強場雷射與物質相互作用的新的門戶，發現基於強場超快雷射與物質相互作用的全新現象。本項目將圍繞探索飛秒雷射誘導玻璃中粒子（原子﹑離子以及納米粒子）遷移的規律以及套用，系統研究飛秒雷射照射條件（脈衝能量﹑脈衝頻率、偏振和啁啾狀態等）對玻璃中原子、離子以及納米粒子重新分布的影響。用顯微拉曼、透射電鏡等進行微觀結構表征。建立基於非傍軸非線性薛丁格方程和考慮聚焦系統球差等表征雷射在玻璃中能流密度分布的物理模型。開拓基於理論指導的利用光束整形技術的空間選擇性粒子分布操控技術，探討在微光學集成器件構築中的套用。

結題摘要

本課題圍繞飛秒雷射誘導玻璃中粒子遷移展開了系統研究。研究了飛秒雷射輻照對玻璃中原子、離子以及納米粒子重新分布的影響，發現了基於飛秒雷射誘導局域電漿-溫度壓力場效應的新現象。用顯微拉曼、透射電鏡等進行了微觀結構表征和分析，提出了微結構以及納米粒子形成的物理機制。完成了項目的各項預定任務。具體工作體現在以下幾個方面：1．飛秒雷射誘導納米粒子析出控制。在透明玻璃內部利用高重複頻率飛秒雷射照射誘導析出了銅納米顆粒。對銅納米顆粒的形貌，尺寸和空間分布進行了表征。對銅納米顆粒析出的機理進行了探索，認為是飛秒雷射照射過程中多種非線性效應引起的光還原以及高溫熱場作用下銅原子的遷移和團聚導致的。觀察到析出的銅納米顆粒在高重複頻率飛秒雷射的二次照射過程中的擦除現象。利用高重複頻率飛秒雷射照射製備的銅納米顆粒摻雜的玻璃材料可以套用於具有超快回響速度的光開光等光學元器件以及三維雷射彩色內雕產品。 2．飛秒雷射誘導玻璃表面微突起及內部和微通道。系統研究了微突起結構的形貌和尺寸對飛秒雷射照射參數及照射方式的依賴性。對微突起結構形成的機理進行了研究，認為是玻璃材料對飛秒雷射脈衝能量的線性吸收和非線性吸收共同作用的結果。利用高重複頻率飛秒雷射直寫技術在玻璃內部誘導了微通道結構。利用高重複頻率飛秒雷射照射製備的微突起結構可以套用於微透鏡等光學元件領域，而微通道結構則可以套用於微型全分析系統。 3．飛秒雷射誘導玻璃內部元素重新分布。在矽酸鹽玻璃內，觀察到了玻璃網路形成離子和玻璃網路改性離子在雷射照射區域內相對含量的變化。認為是這些離子在飛秒雷射誘導的高溫熱場的作用下以不同的速率向外遷移造成的。在碲酸鹽玻璃中，觀察到了新奇的元素重新分布現象。在飛秒雷射照射區域內，各種玻璃組分的相對含量沒有發生變化，而玻璃材料的密度卻發生了變化。利用高重複頻率飛秒雷射照射誘導元素重新分布，我們可以對玻璃材料內部微區的光學性能等進行空間選擇性操控， 這對於製備光波導等光學元器件具有重要的意義。另外我們利用顯微拉曼光譜研究了飛秒雷射誘導玻璃內部殘餘應力，發現了飛秒雷射誘導納米光柵和異向掃描效應等新現象和新機制。本課題共發表相關SCI收錄論文30餘篇。申請專利6項。在國際會議作大會和邀請報告8次。組織召開了國際玻璃協會年會，第2屆長餘輝和光激勵發光材料會議等國際國內學術會議。1名學生獲國際非晶態物理會議最優秀論文獎。