飞秒激光加工技术——基础与应用

近年，空间技术和光电成像技术发展迅速，其应用也越来月广泛，对实现宽视场和高分辨率这两个技术指标的要求越来越高。本书以靠前首颗宽视场空间光学相机工程应用为基础，对空间宽视场光学遥感器的总体设计及光、机、电、热、辐射定标等各分系统学科的技术原理、工程设计及实现进行了论述、说明。

邱建荣，浙江大学光电科学与工程学院教授、博士生导师，国家杰出青年基金获得者，教育部“长江学者”特聘教授，教育部创新团队发展计划带头人。

   第1章 飞秒激光脉冲的产生与放大 1

1.1 引言 1

1.2 钛宝石激光器飞秒激光脉冲的产生和放大 3

1.2.1 啁啾脉冲放大技术 3

1.2.2 飞秒激光振荡器 4

1.2.3 展宽器 10

1.2.4 放大器 13

1.2.5 压缩器 14

1.3 超短脉冲光纤激光器 15

1.3.1 光纤激光器发展及特点 15

1.3.2 光纤激光器锁模技术 16

1.4 小结和展望 21

参考文献 21

第2章 飞秒激光与物质的相互作用原理 23

2.1 引言 23

2.2 飞秒激光的特点 24

2.3 飞秒激光与介质作用机理 25

2.3.1 非线性吸收过程 25

2.3.2 能量传递与转化过程 27

2.3.3 飞秒激光作用材料诱导的微结构 29

2.3.4 飞秒激光加工材料的特点 30

2.3.5 重复频率对飞秒激光诱导微纳结构的影响 31

参考文献 32

第3章 飞秒激光微纳加工系统 35

3.1 引言 35

3.2 飞秒激光直写加工系统 36

3.2.1 飞秒激光直写加工系统结构 36

3.2.2 飞秒激光直写诱导微结构 38

3.2.3 飞秒激光直写光波导 38

3.2.4 飞秒激光诱导离子价态变化 39

3.2.5 飞秒激光诱导微纳光栅结构 40

3.2.6 飞秒激光诱导析出金属纳米颗粒 41

3.2.7 飞秒激光诱导析出光功能晶体 42

3.3 飞秒激光多光束干涉微纳加工系统 44

3.4 飞秒激光投影成形技术 47

参考文献 47

第4章 飞秒激光共振干涉技术 49

4.1 引言 49

4.2 飞秒激光共振干涉理论 49

4.2.1 飞秒激光脉冲干涉的实现 49

4.2.2 干涉区光场分布 51

4.3 飞秒激光干涉场诱导微纳结构 54

4.3.1 飞秒激光双光束干涉诱导的微纳结构 54

4.3.2 飞秒激光多光束干涉诱导的微纳结构 57

4.4 小结和展望 61

参考文献 62

第5章 飞秒激光非共振干涉技术 65

5.1 引言 65

5.2 非共振相干技术 65

5.3 飞秒激光非共振相干实验系统 66

5.4 飞秒激光非共振相干诱导玻璃二阶非线性光学效应 67

5.5 飞秒激光非共振相干诱导聚合物二阶非线性光学效应 69

5.6 小结和展望 71

参考文献 71

第6章 飞秒激光脉冲整形技术 74

6.1 引言 74

6.2 飞秒激光脉冲整形的技术方法 75

6.2.1 液晶空间光调制器 76

6.2.2 硅基液晶调制器 79

6.2.3 声光空间光调制器 81

6.2.4 其他调制器 82

6.3 飞秒激光脉冲整形技术的控制方式 83

6.4 飞秒激光脉冲整形技术的应用 84

6.4.1 分子动力学中的应用 84

6.4.2 非线性光谱学中的应用 88

6.4.3 光纤光学中的应用 89

6.4.4 光通信系统中的应用 89

6.4.5 生物医学中的应用 90

6.4.6 飞秒放大器的相位补偿 90

6.4.7 带通滤波的应用 90

6.5 未来应用趋势 91

6.5.1 量子计算 91

6.5.2 生物医学应用 91

6.5.3 新型半导体器件 92

6.6 小结和展望 93

参考文献 93

第7章 飞秒激光表面加工技术 103

7.1 引言 103

7.2 飞秒激光烧蚀材料表面基本过程及物理机制 104

7.2.1 飞秒激光烧蚀材料表面的基本过程 104

7.2.2 飞秒激光烧蚀材料的物理机制 105

7.3 单束飞秒激光诱导的表面微纳结构及应用 107

7.3.1 表面周期条纹结构 107

7.3.2 飞秒激光诱导的锥状结构 121

7.4 多束飞秒激光干涉形成的表面周期结构及应用 122

7.4.1 飞秒激光双光束干涉制备表面周期结构 123

7.4.2 飞秒激光三光束干涉制备表面周期结构 124

7.4.3 飞秒激光四光束干涉制备表面周期结构 126

7.5 小结和展望 127

参考文献 128

第8章 飞秒激光诱导双光子聚合 135

8.1 引言 135

8.2 双光子聚合材料 136

8.2.1 单体 137

8.2.2 光引发剂 137

8.2.3 添加剂 138

8.3 紫外负性 SU8 光刻胶 138

8.3.1 紫外负性 SU8 光刻胶的主要成分和性质 138

8.3.2 紫外负性 SU8 光刻胶的感光机理 139

8.4 双光子聚合加工原理 139

8.5 双光子聚合加工分辨率 141

8.6 双光子聚合研究进展 142

8.7 小结和展望 146

参考文献 146

第9章 飞秒激光诱导色心形成 148

9.1 引言 148

9.2 飞秒激光在透明材料内部诱导色心 149

9.2.1 飞秒激光在玻璃中诱导色心 149

9.2.2 飞秒激光在晶体中诱导色心 153

9.3 飞秒激光诱导色心的应用 156

9.4 小结和展望 157

参考文献 157

第10章 飞秒激光诱导离子价态变化 160

10.1 引言 160

10.2 飞秒激光诱导离子价态操控 160

10.2.1 飞秒激光诱导过渡金属离子价态变化 160

10.2.2 飞秒激光诱导重金属离子价态变化 161

10.2.3 飞秒激光诱导稀土离子价态变化 163

10.2.4 飞秒激光诱导贵金属离子价态变化 165

10.3 小结和展望 169

参考文献 169

第11章 飞秒激光在透明介质中制备波导器件 172

11.1 引言 172

11.2 飞秒激光诱导透明材料折射率改变机理 173

11.2.1 载流子激发 173

11.2.2 折射率改变 175

11.3 飞秒激光制备光波导 180

11.3.1 激光系统 180

11.3.2 直写形式 181

11.3.3 无源波导 182

11.3.4 波导器件 183

11.3.5 有源波导 183

11.4 波导制备优化技术 185

11.4.1 改善波导对称性 185

11.4.2 提高制作波导效率的方法 192

11.4.3 偏振选择 194

11.5 小结和展望 194

参考文献 195

第12章 飞秒激光诱导晶体选择性析出 207

12.1 引言 207

12.2 飞秒激光诱导晶体选择性析出机理 208

12.3 飞秒激光诱导代表性晶体选择性析出 210

12.3.1 飞秒激光诱导非线性晶体选择性析出 210

12.3.2 飞秒激光诱导析出的晶体对掺杂稀土离子发光的影响 216

12.3.3 飞秒激光诱导半导体晶体选择性析出 222

12.3.4 飞秒激光诱导上转换发光晶体选择性析出 222

12.4 小结和展望 223

参考文献 224

第13章 飞秒激光操控金属纳米粒子 227

13.1 引言 227

13.2 飞秒激光诱导和修饰纳米粒子的原理 228

13.3 飞秒激光诱导玻璃内部金属纳米粒子的析出 230

13.4 飞秒激光诱导玻璃内部金属纳米粒子的形变 234

13.5 飞秒激光在有机透明材料内部调控金属纳米粒子的光学特性 241

13.6 小结和展望 244

参考文献 244

第14章 飞秒激光诱导微孔洞和气泡形成 248

14.1 引言 248

14.2 飞秒激光诱导微孔洞的形成 248

14.3 飞秒激光诱导微孔洞的应用研究 250

14.4 微孔洞的坍塌行为 251

14.5 飞秒激光在材料内部诱导气泡的形成 251

14.6 小结和展望 254

参考文献 255

第15章 飞秒激光照射形成三维流路 257

15.1 引言 257

15.2 飞秒激光制备三维微流通道研究现状 258

15.2.1 飞秒激光改性辅助的化学刻蚀法 258

15.2.2 液体辅助飞秒激光烧蚀法 264

15.3 改善微流通道结构性能的方法 267

15.3.1 激光光束空间整形 268

15.3.2 激光光束时间整形 269

15.3.3 时空聚焦整形技术 270

15.3.4 其他改善技术 270

15.4 存在的问题 272

15.5 小结和展望 272

参考文献 273

第16章 飞秒激光诱导偏振依赖纳米结构 280

16.1 引言 280

16.2 偏振依赖纳米结构的发现及其基本特征 281

16.3 纳米光栅结构的特性 282

16.3.1 光学双折射现象 282

16.3.2 热稳定性 283

16.3.3 周期性 284

16.3.4 可接续性 285

16.3.5 可重复擦写 286

16.3.6 光轴和光程延迟的可控性 287

16.3.7 方向选择性化学腐蚀 288

16.4 纳米光栅结构的应用 289

16.4.1 光学数据存储 289

16.4.2 微流体通道 291

16.4.3 微光学元件 292

16.5 纳米光栅结构形成的物理机制研究 293

16.5.1 纳米光栅结构形成的三个发展阶段 293

16.5.2 目前主流的机理解释及理论模型 294

16.5.3 影响纳米光栅结构形成的因素 299

16.6 小结和展望 302

参考文献 303

第17章 飞秒激光诱导纳米周期性孔洞结构 308

17.1 引言 308

17.2 飞秒激光诱导自组装孔洞结构 309

17.2.1 贝塞尔-高斯飞秒激光束制备周期性孔洞结构 309

17.2.2 飞秒激光光束截断法制备周期性孔洞结构 309

17.2.3 高斯光束紧聚焦方法 310

17.3 高斯光束紧聚焦法诱导周期性孔洞结构的一些重要实验进展 312

17.3.1 多种透明介质材料中诱导周期性孔洞结构 312

17.3.2 高数值孔径的干透镜和无油油浸透镜诱导互为倒装的周期性孔洞结构 317

17.3.3 改变油浸透镜浸润液体诱导互为倒装的周期性孔洞结构 318

17.4 飞秒激光诱导纳米周期性孔洞结构的形成机理 319

17.4.1 样品表面触发和连续脉冲辐照推动的孔洞自组装机制 320

17.4.2 电子等离子体驻波模型 320

17.4.3 环境介质/样品界面折射率差别引起的球差机制 321

17.5 飞秒激光诱导周期性孔洞结构的应用 326

17.5.1 周期性孔洞结构用作涡旋光束阵列产生器 326

17.5.2 利用类周期性孔洞结构制备光波导以及光波导阵列 329

17.5.3 利用周期性孔洞结构制备衍射光栅 331

17.5.4 利用周期性孔洞结构制备条纹取向可控的自组织微光栅 333

17.6 小结和展望 337

参考文献 338

第18章 飞秒激光诱导离子重新分布