激光誘導貴金屬摻雜玻璃的微結構變化機理.pdf

1、超快超強的飛秒激光在材料三維微結構的制備和材料顯微改性方面顯示了獨特優(yōu)勢,并已被用來制備光波導、光存儲、光柵、光耦合器和光子晶體等三維光功能微結構和器件.另一方面金屬(Au,Ag等)納米粒子摻雜的玻璃具有高的三階光學非線性系數(shù)、超快非線性光響應等特點,是近年光學功能材料研究的熱點.而要實現(xiàn)可集成的開關,則需要能實現(xiàn)納米粒子的空間選擇性析出和控制.近年來,Qiu等發(fā)明了一種可以在含金屬離子的透明材料中空間選擇性析出金屬納米顆粒的有效的方法

2、,即飛秒激光的照射加上后續(xù)的熱處理.采用這種方法可以幾乎在玻璃中的任何一個位置析出尺寸為幾個納米的納米顆粒.但研究僅局限在典型的鈉鈣硅玻璃.BK7玻璃是應用最廣泛的光學玻璃材料之一,廣泛應用于各種光學儀器,研究摻雜貴金屬納米顆粒的BK7玻璃的光學特性,具有重要的參考價值. 本文利用飛秒激光與玻璃的相互作用,在貴金屬摻雜的BK7玻璃內部寫入了一個光柵,誘導金屬納米粒子在玻璃內部空間選擇性析出,采用吸收光譜、光學顯微鏡等分析測試手段

3、分析了微結構的變化,并測量了光柵的衍射效率.論文研究主要分為以下四個部分:一是飛秒激光照射銀離子摻雜的BK7光學玻璃的顯微結構變化以及機理分析;二是納秒激光照射貴金屬離子摻雜的BK7光學玻璃的顯微結構變化并與飛秒激光作比較;三是進一步分析激光誘導貴金屬納米粒子析出的機理. 在第一部分我們選用摻雜金離子或銀離子的BK7玻璃作為樣品,系統(tǒng)地研究了飛秒激光誘導貴金屬離子摻雜的BK7玻璃的微觀結構,在玻璃內部掃描形成了一個光柵.用光學顯

4、微鏡對激光掃描的微結構進行了觀察,并測量了光柵的衍射效率.觀察了微結構以及光柵的衍射效率隨著熱處理溫度的升高而逐漸產生的變化,并利用吸收光譜等手段分析了產生變化的原因.研究發(fā)現(xiàn)飛秒激光照射貴金屬離子摻雜的BK7玻璃形成的光柵的衍射效率隨著熱處理溫度的升高,先是迅速減少然后又逐漸增加,這種變化對應于玻璃內部飛秒激光誘導產生的色心隨熱處理溫度的升高而減少和高于一定溫度時貴金屬納米粒子的析出.我們可以通過控制熱處理溫度來控制光柵的衍射效率.表

5、明可以通過飛秒激光照射和熱處理調控材料的微觀特性,制作微光柵等光學集成元件.本研究結果有望應用于制作超快全光開關以及超高密度信息存儲等領域. 在第三部分,我們采用納秒激光照射貴金屬摻雜的BK7玻璃,并對照射前后的樣品做了吸收光譜,對激光掃描過的區(qū)域拍了光學顯微鏡照片,并與飛秒激光掃描后的貴金屬摻雜的BK7玻璃的吸收光譜和光學顯微鏡照片做了比較,研究發(fā)現(xiàn),納秒激光也可以在BK7玻璃中誘導微結構變化,產生色心,還原貴金屬離子,通過熱