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高重复频率飞秒激光在熔融石英中制备光波导的实验研究

作　者: 汪月容
导　师: 胡明列
学　校: 天津大学
专　业: 光电子技术
关键词: 高重复频率飞秒激光光波导微加工热积累效应
分类号: TN252
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

光波导作为集成光学和光电子学的基础，具有广泛的应用。飞秒激光制备光波导技术具有制作工艺简单、成本低、适用介质广、可实现三维体加工等优势，已成为最重要的波导制备技术之一。传统的飞秒激光微加工技术大多基于低重复频率的钛宝石放大器，钛宝石放大器结构复杂、成本昂贵、体积庞大，其较低的加工效率限制了飞秒激光制备法在实际中的大规模应用。新一代的光子晶体光纤激光器具有较高的重复频率，可以有效的解决这一问题。然而较高的重复频率会引入严重的热效应，如何有效利用热效应对高重复频率飞秒激光微加工技术至关重要。另外，飞秒激光制备的光波导还存在横端面对称性较差、光斑模式不可控、传输损耗大、模场面积较小等问题。本论文围绕利用热效应、改善波导对称性、实现传输模式可控及增大模场面积，基于高重复频率光子晶体光纤飞秒激光光源，在熔融石英中进行了制备光波导的实验研究。主要研究内容如下：一、利用重复频率为52MHz的飞秒激光在熔融石英内部进行波导制备实验。研究了水滴结构、亮线结构两种典型损伤结构的制备参数及形成原因，获得制备亮线波导的系统参数窗口；研究了数值孔径、聚焦深度、写入模式对波导结构的影响；制备了具有偏振敏感性的单细线波导，对653nm、980nm和1040nm激光都能实现较好的基模传输，飞秒激光诱导折射率改变量约为5.4×10^-5，传输损耗约为4.6dB/cm；制备了双细线波导，对653nm激光输出强弱两个光斑；最后从气泡形核角度分析了周期性水滴结构的形成机理。二、利用重复频率为650kHz-2MHz的飞秒激光在熔融石英内部进行波导制备实验。分析了亮线、暗线及珍珠链三种典型损伤结构的制备参数；研究了Ⅱ类损伤阈值随脉冲重复频率、扫描速度的变化规律，阐明不同参数下热扩散效应及热累积效应对烧蚀过程的主导作用；在最优化条件下，制备了双线光波导，该波导结构对1040nm激光可实现单偏振圆形基模传输；定性模拟了双线波导激光刻写区周围折射率分布，验证双线波导的偏振敏感性；设计并制备了六角椭圆晶胞微结构波导，该微结构波导对1040nm激光可以输出近高斯强度分布的基模，模场面积达到247.48μm²；该波导具有单偏振传输特性，消光比达9.05，波导数值孔径约0.017；定性模拟验证了微结构波导的单偏振传输特性。

全文目录

中文摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第1章绪论  8-16
  1.1 引言  8
  1.2 飞秒激光微加工技术  8-10
  1.3 光子晶体光纤飞秒激光发展进展  10-11
  1.4 飞秒激光制作光波导的进展  11-14
  1.5 选题意义、研究内容及创新点  14-16
第2章飞秒激光制备光波导技术和波导参数测量方法  16-28
  2.1 飞秒激光加工透明电介质理论  16-18
    2.1.1 光电离过程  16-17
    2.1.2 雪崩电离过程  17-18
  2.2 飞秒激光诱导电介质折射率变化原理  18-19
  2.3 飞秒激光制备光波导技术简介  19-22
    2.3.1 飞秒激光光源系统  19-20
    2.3.2 制备方式  20-22
  2.4 飞秒激光直写的光波导的性能表征及测量  22-27
    2.4.1 改性区尺寸  22
    2.4.2 横端面纵横比  22-25
    2.4.3 折射率分布  25-27
    2.4.4 传输损耗  27
  2.5 本章小结  27-28
第3章高重复频率飞秒激光加工系统  28-34
  3.1 飞秒激光微加工实验系统  28-31
    3.1.1 高重复频率飞秒激光系统  28-30
    3.1.2 飞秒激光微加工系统  30-31
  3.2 飞秒激光聚焦光斑大小测定  31-32
  3.3 加工结果分析与测试  32-33
    3.3.1 加工形貌分析  32
    3.3.2 波导测试系统及测试流程  32-33
  3.5 本章小结  33-34
第4章重复频率 52MHz 飞秒激光在熔融石英中制备波导的研究  34-45
  4.1 典型结构及尺寸  34-35
  4.2 基于Ⅰ类刻写的亮线波导  35-42
    4.2.1 系统参数对波导结构的影响  35-38
    4.2.2 单细线波导  38-41
    4.2.3 双细线波导  41-42
  4.3 水滴结构  42-44
  4.4 本章小结  44-45
第5章重复频率 500 kHz-2 MHz 飞秒激光在熔融石英中制备光波导的研究  45-57
  5.1 典型波导结构及尺寸  45-46
  5.2 基于Ⅱ类刻写的微结构波导  46-55
    5.2.1 Ⅱ类刻写阈值  46-47
    5.2.2 双线波导  47-51
    5.2.3 光子晶体波导  51-55
  5.3 珍珠链结构波导  55-56
  5.4 本章小结  56-57
第6章总结与展望  57-59
参考文献  59-69
发表论文和科研情况说明  69-70
  发表的论文  69
  参与的科研项目  69-70
附录  70-71
致谢  71

高重复频率飞秒激光在熔融石英中制备光波导的实验研究

内容摘要

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