飛秒激光誘導晶體形成及其機理的研究.pdf

1、近年來，隨著對飛秒激光研究的不斷深入，飛秒激光誘導物質微結構引起了越來越多的關注。利用飛秒激光誘導玻璃與晶體微結構可以進一步發(fā)掘材料的新性質、新功能。目前，在玻璃與晶體中誘導微結構變化在高密度光存儲、光波導、光子晶體、三維顯示器件以及三維光器件等的應用已成為世界性的前沿課題。 本文從實驗上和理論上研究了飛秒激光誘導玻璃中晶體形成與相變。利用飛秒激光在玻璃中誘導晶體形成，研究了晶體形成的機制；并通過飛秒激光誘導出晶體相變，深入研究

2、了相變的規(guī)律；理論上對飛秒激光誘導晶體與晶體相變的機制進行了分析，系統(tǒng)研究了飛秒激光誘導玻璃內晶體的形成與晶體相變的成因；探討了飛秒激光誘導微結構的潛在應用。 本文首先利用飛秒激光在玻璃中誘導出偏硼酸鋇晶體、鈮酸鋰晶體、銳鈦礦與Ba2TiO4晶體，系統(tǒng)地研究了晶體形成的機制。 利用飛秒激光對硼酸鹽玻璃誘導，在硼酸鹽玻璃內形成低溫相與高溫相偏硼酸鋇晶體，詳細討論了飛秒激光誘導下硼酸鹽玻璃的微結構變化。實驗中首次觀察到由于沖

3、擊波效應形成晶體的環(huán)形分層結構，以及低溫相與高溫相偏硼酸鋇晶體的分布規(guī)律，并在晶體形成晶體的同時，觀察到由于微爆炸而形成的空洞結構。 飛秒激光誘導鈦酸鹽玻璃形成了銳鈦礦晶體和Ba2TiO4晶體。利用拉曼光譜在鈦酸鹽玻璃內分層、分區(qū)研究，發(fā)現(xiàn)了銳鈦礦晶體與Ba2TiO4晶體形成與激光參數(shù)之間的關系，在激光焦點區(qū)域實現(xiàn)了銳鈦礦晶體與Ba2TiO4晶體的分層共存。 利用飛秒激光在鈮酸鹽玻璃內誘導出鈮酸鋰晶體，控制飛秒激光的參數(shù)

4、，在玻璃內部的任意空間內誘導出光學中的“硅材料”鈮酸鋰晶體。 其次，利用飛秒激光誘導偏硼酸鋇晶體、鈮酸鋰晶體等晶體相變。 飛秒激光誘導偏硼酸鋇晶體，在高溫相偏硼酸鋇晶體內部誘導形成了低溫相偏硼酸鋇晶體，初步分析了相變不完全的原因。在未經拋光的鈮酸鋰晶體表面誘導出光柵結構，并形成了其它晶相。 本文以硼酸鹽玻璃為例，對飛秒激光誘導晶體與晶體相變的機制進行了理論上的探討，重點研究了光電離與雪崩電離、等離子體的自由載流子

5、吸收、微爆炸、動態(tài)平衡、基團重組、熱擴散等，系統(tǒng)分析了飛秒激光誘導玻璃內晶體的形成與晶體相變的成因。飛秒激光輻照硼酸鹽玻璃的初始能量的沉積是由于多光子吸收與雪崩電離的結果，等離子體密度很高時就能在局部區(qū)域強烈地吸收激光能量，從而產生高密度超熱高壓等離子體，導致微爆炸；由此長時間的輻照會在玻璃內部形成一個空洞結構，外圍的材料則會形成一個較大的溫度梯度；高溫高壓下，玻璃中的化學鍵斷裂，組成玻璃的基團開始重組；激光輻照結束，這一區(qū)域的材料的快

6、速不均勻冷卻使得硼酸鹽玻璃上形成了高溫相與低溫相兩種結構類型的偏硼酸鋇晶體。此外，飛秒激光的高重復率也是形成晶體的關鍵。 飛秒激光技術能使固體材料中微結構基元重新組合，改變其性能，開拓了同質異構形成規(guī)律的新途徑，也是研究晶體結構與性能的新方法。本文從玻璃與晶體的結構基元出發(fā)，系統(tǒng)研究了硼氧六元環(huán)、鈦氧八面體、鈮氧八面體等微結構基團在飛秒激光作用下的演變，分析了玻璃與晶體微結構特征，為指導功能晶體生長實踐和促進實際晶體生長理論發(fā)展