飞秒激光对硫系玻璃及光纤端面损伤特性研究

论文摘要

硫系玻璃及光纤因其独特的光学特性,包括超宽的红外透过范围、超高的线性和非线性折射率等特点而引起研究者广泛的关注。这些优异的光学特性使硫系玻璃及光纤在中红外波段的激光传输、超连续谱产生、拉曼光纤激光器等各个领域呈现出广阔的应用前景。在这些应用中,超短脉冲激光经常作用于硫系玻璃及光纤端面,而超短脉冲激光具有极短的脉宽和极高的峰值能量,容易使得玻璃或光纤表面发生不可逆的损伤。论文首先简述了硫系玻璃、光纤的优点及应用前景,介绍了飞秒激光的特点及其加工应用,然后概述了超短脉冲激光与光学材料的相互作用研究进展及现状。接着介绍了飞秒激光作用材料的损伤机理,主要包括自聚焦效应、热效应、缺陷诱导损伤。基于硫系玻璃光纤在超短脉冲作用下的广泛应用前景,本文开展了硫系玻璃及光纤的飞秒激光损伤特性研究。本文主要研究了飞秒激光对Ge-Sb-Se玻璃、As2S3玻璃及其光纤端面的损伤特性。采用熔融淬冷法制备了Ge11.5Sbx Se88.5-x（x=5,10,15,20,25,30）系列玻璃样品。通过多次蒸馏提纯制备了As2S3玻璃,并拉制成直径均匀As2S3玻璃光纤。通过自行搭建的损伤实验平台,探索了Ge-Sb-Se玻璃、As2S3玻璃及其光纤端面的飞秒损伤特性,主要包括Ge-Sb-Se玻璃的结构特性、水峰吸收与飞秒损伤特性之间的关系,As2S3玻璃及光纤端面在800 nm飞秒激光脉冲下的损伤特性对比。研究取得创新点主要包括:（1）随着Sb含量从5 mol%增加到30 mol%,Ge-Sb-Se玻璃的光学带宽由1.70 e V降低至1.24 e V,硬度从98.16 kg·mm-2增加至135.12 kg·mm-2,平均键能增加,而4μm波长下的激光损伤阈值从201.42 m J/cm2降低至121.87 m J/cm2,其中光致电离过程在飞秒激光作用硫系玻璃的损伤中占主导地位,同时水吸收峰波长对应低的激光损伤阈值;Ge-Sb-Se玻璃在激光波长分别为2.86μm和4μm下,其自聚焦临界功率分别从0.0685μW降低至0.0052μW,从0.1352μW降低至0.0104μW;（2）对比As2S3玻璃在中红外波段和800 nm激光波长下的损伤特性,发现其在800 nm波长下的损伤阈值更小,主要和光致电离过程及热积累相关;（3）对商用As2S3光纤端面在800 nm飞秒激光下的损伤特性研究发现,具有较低传输损耗的硫系光纤具有较强的抗激光损伤特性（激光损伤阈值约为61.42 m J/cm2）。本文的研究结果可以为未来设计新型硫系光子器件制备提供科学的参考依据。

论文目录

• 引言
• 1 绪论
•   1.1 硫系玻璃与光纤概述
•     1.1.1 硫系玻璃特点及性能
•     1.1.2 硫系玻璃光纤及其应用
•   1.2 飞秒激光特点及加工应用
•     1.2.1 飞秒激光特点及发展现状
•     1.2.2 飞秒激光加工应用
•   1.3 飞秒激光对光学材料的损伤研究
•     1.3.1 飞秒激光对玻璃材料的损伤研究
•     1.3.2 飞秒激光对光纤端面的损伤研究
•   1.4 本论文的研究内容、目的和意义
•     1.4.1 研究内容
•     1.4.2 研究目的和意义
• 2 激光损伤机理及损伤阈值的测量方法
•   2.1 飞秒激光作用于光学材料的损伤机理
•     2.1.1 非线性光致电离理论
•     2.1.2 雪崩电离理论
•   2.2 其他损伤机理
•     2.2.1 自聚焦效应
•     2.2.2 热积累效应
•     2.2.3 杂质缺陷诱导损伤
•   2.3 损伤的判定方法
•   2.4 损伤陨坑的观测
•   2.5 损伤阈值的计算方法
•     2.5.1 损伤的测量方法
•     2.5.2 光斑半径的测定
•     2.5.3 线性回归法计算损伤阈值
•   2.6 本章小结
• 3 飞秒激光对Ge-Sb-Se硫系玻璃损伤特性研究
•   3.1 引言
•   3.2 Ge-Sb-Se系列玻璃制备
•     3.2.1 玻璃的熔制过程
•     3.2.2 玻璃样品的加工过程
•   3.3 Ge-Sb-Se系列硫系玻璃的性能测试
•     3.3.1 差示扫描量热分析测试
•     3.3.2 红外吸收与透过光谱测定
•     3.3.3 维氏硬度测定
•     3.3.4 拉曼光谱测定
•     3.3.5 折射率测定
•   3.4 中飞秒激光作用硫系玻璃的损伤实验装置
•   3.5 Ge-Sb-Se硫系玻璃性能测试及分析
•     3.5.1 热稳定性
•     3.5.2 光吸收特性和光学带宽特性
•     3.5.3 网络致密性
•     3.5.4 拉曼结构特性
•   3.6 不同激光波长下Ge-Sb-Se硫系玻璃的损伤特性
•     3.6.1 Ge-Sb-Se硫系玻璃损伤阈值变化
•     3.6.2 Ge-Sb-Se硫系玻璃在不同激光功率作用下损伤陨坑的形貌变化
•   3.7 水峰吸收对Ge-Sb-Se硫系玻璃损伤特性的影响
•   3.8 Ge-Sb-Se硫系玻璃的自聚焦损伤效应
•   3.9 本章小结
• 2S₃硫系玻璃光纤端面损伤特性研究'>4 飞秒激光对As₂S₃硫系玻璃光纤端面损伤特性研究
•   4.1 引言
• 2S₃硫系玻璃及光纤的制备'>  4.2 As₂S₃硫系玻璃及光纤的制备
• 2S₃硫系玻璃预制棒的制备'>    4.2.1 As₂S₃硫系玻璃预制棒的制备
• 2S₃硫系玻璃光纤拉制'>    4.2.2 As₂S₃硫系玻璃光纤拉制
• 2S₃硫系玻璃及光纤性能测试'>  4.3 As₂S₃硫系玻璃及光纤性能测试
•     4.3.1 表面粗糙度测定
•     4.3.2 光纤传输性能测定
• 2S₃硫系玻璃及光纤端面的损伤实验装置'>  4.4 800nm飞秒激光对As₂S₃硫系玻璃及光纤端面的损伤实验装置
• 2S₃硫系玻璃及光纤性能结果分析'>  4.5 As₂S₃硫系玻璃及光纤性能结果分析
• 2S₃硫系光纤端面和玻璃的损伤特性'>  4.6 飞秒激光对As₂S₃硫系光纤端面和玻璃的损伤特性
• 2S₃硫系光纤端面和玻璃损伤阈值的对比'>    4.6.1 As₂S₃硫系光纤端面和玻璃损伤阈值的对比
• 2S₃硫系光纤端面和玻璃损伤陨坑与激光强度的关系'>    4.6.2 As₂S₃硫系光纤端面和玻璃损伤陨坑与激光强度的关系
• 2S₃硫系光纤端面在不同激光功率下的形貌特性'>    4.6.3 As₂S₃硫系光纤端面在不同激光功率下的形貌特性
• 2S₃硫系玻璃在800 nm波长与中红外波段损伤特性的对比研究'>  4.7 As₂S₃硫系玻璃在800 nm波长与中红外波段损伤特性的对比研究
• 2S₃光纤端面损伤形貌的影响'>  4.8 飞秒激光脉冲个数对As₂S₃光纤端面损伤形貌的影响
• 2S₃光纤的激光损伤特性研究'>  4.9 商用As₂S₃光纤的激光损伤特性研究
•   4.10 本章小结
• 5 结论与研究的不足
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢
• Abstract of Thesis
• 摘要

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 谢敏

导师: 戴世勋

关键词: 硫系玻璃,硫系光纤端面,飞秒激光损伤,损伤阈值

来源: 宁波大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 物理学,无机化工,无线电电子学

单位: 宁波大学

分类号: TQ171.1;TN253

DOI: 10.27256/d.cnki.gnbou.2019.000344

总页数: 77

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