飛秒激光誘導(dǎo)晶體形成及其機(jī)理的研究.pdf

1、近年來，隨著對(duì)飛秒激光研究的不斷深入，飛秒激光誘導(dǎo)物質(zhì)微結(jié)構(gòu)引起了越來越多的關(guān)注。利用飛秒激光誘導(dǎo)玻璃與晶體微結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步發(fā)掘材料的新性質(zhì)、新功能。目前，在玻璃與晶體中誘導(dǎo)微結(jié)構(gòu)變化在高密度光存儲(chǔ)、光波導(dǎo)、光子晶體、三維顯示器件以及三維光器件等的應(yīng)用已成為世界性的前沿課題。 本文從實(shí)驗(yàn)上和理論上研究了飛秒激光誘導(dǎo)玻璃中晶體形成與相變。利用飛秒激光在玻璃中誘導(dǎo)晶體形成，研究了晶體形成的機(jī)制；并通過飛秒激光誘導(dǎo)出晶體相變，深入研究

2、了相變的規(guī)律；理論上對(duì)飛秒激光誘導(dǎo)晶體與晶體相變的機(jī)制進(jìn)行了分析，系統(tǒng)研究了飛秒激光誘導(dǎo)玻璃內(nèi)晶體的形成與晶體相變的成因；探討了飛秒激光誘導(dǎo)微結(jié)構(gòu)的潛在應(yīng)用。 本文首先利用飛秒激光在玻璃中誘導(dǎo)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(jī)制。 利用飛秒激光對(duì)硼酸鹽玻璃誘導(dǎo)，在硼酸鹽玻璃內(nèi)形成低溫相與高溫相偏硼酸鋇晶體，詳細(xì)討論了飛秒激光誘導(dǎo)下硼酸鹽玻璃的微結(jié)構(gòu)變化。實(shí)驗(yàn)中首次觀察到由于沖

3、擊波效應(yīng)形成晶體的環(huán)形分層結(jié)構(gòu)，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(shí)，觀察到由于微爆炸而形成的空洞結(jié)構(gòu)。 飛秒激光誘導(dǎo)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(nèi)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(guān)系，在激光焦點(diǎn)區(qū)域?qū)崿F(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(nèi)誘導(dǎo)出鈮酸鋰晶體，控制飛秒激光的參數(shù)

4、，在玻璃內(nèi)部的任意空間內(nèi)誘導(dǎo)出光學(xué)中的“硅材料”鈮酸鋰晶體。 其次，利用飛秒激光誘導(dǎo)偏硼酸鋇晶體、鈮酸鋰晶體等晶體相變。 飛秒激光誘導(dǎo)偏硼酸鋇晶體，在高溫相偏硼酸鋇晶體內(nèi)部誘導(dǎo)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(jīng)拋光的鈮酸鋰晶體表面誘導(dǎo)出光柵結(jié)構(gòu)，并形成了其它晶相。 本文以硼酸鹽玻璃為例，對(duì)飛秒激光誘導(dǎo)晶體與晶體相變的機(jī)制進(jìn)行了理論上的探討，重點(diǎn)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(dòng)態(tài)平衡、基團(tuán)重組、熱擴(kuò)散等，系統(tǒng)分析了飛秒激光誘導(dǎo)玻璃內(nèi)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(jié)果，等離子體密度很高時(shí)就能在局部區(qū)域強(qiáng)烈地吸收激光能量，從而產(chǎn)生高密度超熱高壓等離子體，導(dǎo)致微爆炸；由此長(zhǎng)時(shí)間的輻照會(huì)在玻璃內(nèi)部形成一個(gè)空洞結(jié)構(gòu)，外圍的材料則會(huì)形成一個(gè)較大的溫度梯度；高溫高壓下，玻璃中的化學(xué)鍵斷裂，組成玻璃的基團(tuán)開始重組；激光輻照結(jié)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(jié)構(gòu)類型的偏硼酸鋇晶體。此外，飛秒激光的高重復(fù)率也是形成晶體的關(guān)鍵。 飛秒激光技術(shù)能使固體材料中微結(jié)構(gòu)基元重新組合，改變其性能，開拓了同質(zhì)異構(gòu)形成規(guī)律的新途徑，也是研究晶體結(jié)構(gòu)與性能的新方法。本文從玻璃與晶體的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)基團(tuán)在飛秒激光作用下的演變，分析了玻璃與晶體微結(jié)構(gòu)特征，為指導(dǎo)功能晶體生長(zhǎng)實(shí)踐和促進(jìn)實(shí)際晶體生長(zhǎng)理論發(fā)展