CN1474202A - 飞秒激光单脉冲形成二维纳米尺度周期结构的工作装置 - Google Patents

Abstract

一种飞秒激光单脉冲形成二维纳米尺度周期结构的工作装置，其特征在于它包括飞秒激光器，沿飞秒激光器光束前进的方向依次是扩束望远镜、30％反射镜，该30％反射镜的反射光束依次经第三全反射镜、第一透镜、第四全反射镜形成第一参考光束到达样品，该30％反射镜的透射光束依次经第一全反射镜、50％反射镜、第二全反射镜、第二透镜形成物光束照射样品，该50％反射镜的反射光束经第三透镜和第五全反射镜形成第二参考光束到达样品。利用本发明可同时形成多个二维周期微结构。

Description

飞秒激光单脉冲形成二维纳米尺度周期结构的工作装置

技术领域：

本发明涉及二维纳米尺度周期结构，特别是采用飞秒激光单脉冲一次性形成二维纳米尺度周期结构的工作装置，更明确地说，是采用飞秒超短激光脉冲生成两组成交的全息光栅，在固态透明介质表明一次性穿入二维纳米尺度周期结构的工作装置。

背景技术：

近几年来，随着飞秒脉冲激光技术的不断发展，飞秒脉冲激光在微加工技术中的应用，引起了人们广泛的关注，由于脉冲宽度极短，约为100fs量级，因此功率密度极高。能在各种非光敏材料上(如各种透明玻璃材料)及光敏材料上(如光折变晶体、光聚光材料)，制备各种纳米尺度一维或二维周期结构，如周期光栅、量子点、量子镜等。这种飞秒微加工技术的最大优势是没有热效应，被加工部件不会产生任何热应力。例如，日本科学与技术公司的Ken-ichi Kawamura等人采用飞秒脉冲全息技术，在SiO₂薄膜上诱导形成微光栅(参见在先技术：Ken-ichi Kawamura等，Applied physics Letters，2001，Vol78，No8，1038-1040)，实验装置如图1所示。

后来，他们采用同样的方法，在这个形成的微光栅上，转动一个角度，再次曝光，又写入另一个光栅，形成了一个具有纳米尺度二维周期结构，如量子点、量子井等(参见在先技术：Ken-ichi Kawamura等，Applied physics Letters，2001，Vol79，No9，1228-1230)。

2002年，Yan Li等人采用类似的方法，在玻璃介质上产生微光栅，槽深可达600微米，实验装置如图2所示。

上述三种方法的最大缺点是飞秒脉冲一次只能形成一个一维周期结构微光栅。显然，如果在几微米甚至几十个微米内，一个相干飞秒脉冲采用全息术的方法，形成多个二维周期微结构，那么，对微光学领域的集成器件制作更有实际意义，如光存储器、量子井等微器件。

发明内容：

本发明要解决的技术问题在于克服上述在先技术中存在的缺点，提供一种飞秒激光单脉冲形成二维纳米尺度周期结构的工作装置，该工作装置可同时形成多个二维周期微结构。

本发明的技术解决方案如下：

一种飞秒激光单脉冲形成二维纳米尺度周期结构的工作装置，其特征在于它包括飞秒激光器，沿飞秒激光器光束前进的方向依次是扩束望远镜、30％反射镜，该30％反射镜的反射光束依次经第三全反射镜、第一透镜、第四全反射镜形成第一参考光束到达样品，该30％反射镜的透射光束依次经第一全反射镜、50％反射镜、第二全反射镜、第二透镜形成物光束照射样品，该50％反射镜的反射光束经第三透镜和第五全反射镜形成第二参考光束到达样品。

所述的飞秒激光器是一台具有放大系统的钛宝石激光器，输出波长为800nm，脉宽为100fs，重复频率为10Hz，输出能量为100μJ。

所述的扩束望远镜是一台具有50倍放大系数的扩束系统。

所述的30％反射镜是一块具有30％反射率，透过70％的介质膜镜。

所述的50％反射率镜是一块具有50％反射率的介质膜镜。

所述的透镜是三块焦距为30cm的消色差透镜。

所述的样品是用来记录二维纳米尺度周期结构的硅酸盐玻璃。：

本发明与在先技术相比，由于采用双参考束光束全息系统，单次飞秒激光脉冲，能一次写入纳米尺度二维周期微结构，生成量子点、量子井等，克服在先技术中要两次写入才能完成，不仅工作效率高，而且大大降低了对防震系统的要求，保证了微细加工的精度。

附图说明：

图1为在先技术1中所使用的实验光路。

图2为在先技术3中所使用的实验光路。

图3为本发明飞秒激光单脉冲形成二维纳米尺度周期结构的工作装置。

具体实施方式：

本发明飞秒激光单脉冲形成二维纳米尺度周期结构的工作装置如图3所示，包括：飞秒激光器组1，扩束望远镜2，部分反射率镜3，全反射镜4、6、7、8、9，50％反射率镜5，透镜10、11、12和样品玻璃13组成。

所说的飞秒激光器组1是一台具有放大系统的钛宝石激光器组，输出波长为800nm，脉宽为100fs，重复频率为10Hz，输出能量为100μJ。所说的扩束望远镜2，是一台具有50倍放大系数的用以改善激光输出光束质量的扩束系统。所说的部分反射率镜3，是一块具有30％反射率，透过70％的介质膜镜。所说的第一至第五全反射镜4、6、7、8、9是五块具有100％反射率的介质膜镜。所说的50％反射率镜5，是一块具有50％反射率的介质膜镜。所说的第一、第二、第三透镜10、11、12是三块焦距为30cm的消色差透镜。所说的样品13是用来记录二维纳米尺度周期结构的硅酸盐玻璃。

钛宝石激光器1经扩束望远镜以后，被部分反射镜3分成ω和ω1束，ω1光束经第三全反射镜7、透镜10和第四反射率镜8以后，到达样品13作为第一参考束，ω光束经第一全反射镜4、50％反射镜5、第三透镜12和第五全反射镜9到达样品13作为第二参考光束。

另一部分ω光束穿过50％反射镜5，被第二全反射镜6反射，再经第二透镜11作为物光束，分别和第一参考光束、第二参考光束相遇。欲要形成干涉条纹，必须准确调整到使第一参考光束、第二参考光束和物光束等光程。因此，实际上这是一个双参考光束全息系统。而干涉条纹间距，取决于它们的波长以及物光束和参考光束之间的夹角，即 $d=\frac{\mathrm{\λ}}{2\sin \frac{1}{2}\mathrm{\θ}}.$ 由于是一个双参考光束全息系统，将能形成纳米尺度二维周期结构。

为了获得较小的二维周期结构，采用二倍频的方法，将输出波长调整到400纳米。

Claims (7)

1、一种飞秒激光单脉冲形成二维纳米尺度周期结构的工作装置，其特征在于它包括飞秒激光器(1)，沿飞秒激光器(1)光束前进的方向依次是扩束望远镜(2)、30％反射镜(3)，该30％反射镜(3)的反射光束依次经第三全反射镜(7)、第一透镜(10)、第四全反射镜(8)形成第一参考光束到达样品(13)，该30％反射镜(3)的透射光束依次经第一全反射镜(4)、50％反射镜(5)、第二全反射镜(6)、第二透镜(11)形成物光束照射样品(13)，该50％反射镜(5)的反射光束经第三透镜(12)和第五全反射镜(9)形成第二参考光束到达样品(13)。

2、根据权利要求1所述的飞秒激光单脉冲形成二维纳米尺度周期结构的工作装置，其特征在于所述的飞秒激光器(1)是一台具有放大系统的钛宝石激光器，输出波长为800nm，脉宽为100fs，重复频率为10Hz，输出能量为100μJ。

3、根据权利要求1所述的飞秒激光单脉冲形成二维纳米尺度周期结构的工作装置，其特征在于所述的扩束望远镜(2)是一台具有50倍放大系数的扩束系统。

4、根据权利要求1所述的飞秒激光单脉冲形成二维纳米尺度周期结构的工作装置，其特征在于所述的30％反射镜(3)是一块具有30％反射率，透过70％的介质膜镜。

5、根据权利要求1所述的飞秒激光单脉冲形成二维纳米尺度周期结构的工作装置，其特征在于所述的50％反射率镜(5)是一块具有50％反射率的介质膜镜。

6、根据权利要求1所述的飞秒激光单脉冲形成二维纳米尺度周期结构的工作装置，其特征在于所述的透镜10、11、12是三块焦距为30cm的消色差透镜。

7、根据权利要求1或2或3或4或5或6所述的飞秒激光单脉冲形成二维纳米尺度周期结构的工作装置，其特征在于所述的样品(13)是用来记录二维纳米尺度周期结构的硅酸盐玻璃。

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