專利名稱：貴金屬納米微結(jié)構(gòu)體光柵的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微結(jié)構(gòu)體光柵，特別是一種在摻有貴金屬氧化物的玻璃中誘導(dǎo)形成含貴金屬納米微結(jié)構(gòu)體光柵的制備方法。
本發(fā)明的基本思想是采用飛秒激光輔以熱處理，在摻貴金屬氧化物的玻璃上，相干誘導(dǎo)形成含金屬納米粒子的微結(jié)構(gòu)體光柵，此方法也可用于光存儲(chǔ)和光子晶體制備。
本發(fā)明的方法的實(shí)質(zhì)是采用單脈沖飛秒激光經(jīng)分束后聚焦，實(shí)現(xiàn)空間和時(shí)間上的相干迭加，通過干涉場(chǎng)并輔以熱處理在玻璃中產(chǎn)生含金屬納米粒子的微結(jié)構(gòu)體光柵。具體步驟如下(1)選用脈沖寬度為飛秒級(jí)的超短脈沖激光，經(jīng)分束片分成兩束，然后由兩塊凸透鏡聚焦，在焦點(diǎn)處嚴(yán)格實(shí)現(xiàn)空間與時(shí)間上的相干；(2)選用合適的摻貴金屬氧化物的玻璃；(3)控制發(fā)射激光束的能量，使激光束在玻璃中產(chǎn)生干涉相長(zhǎng)時(shí)達(dá)到的能量密度大于玻璃的多光子反應(yīng)閾值，但小于玻璃的破壞閾值，將上述兩束相干飛秒脈沖激光聚焦于上述的玻璃上，在兩光束相交的微區(qū)內(nèi)產(chǎn)生含貴金屬原子的周期性微結(jié)構(gòu)，形成玻璃輻照樣品；(4)將上述相干的飛秒脈沖激光作用過的玻璃輻照樣品在高于攝氏500度(低于600度)的溫度下熱處理一段時(shí)間后，冷卻到室溫，在兩光束干涉的微區(qū)內(nèi)，便產(chǎn)生含貴金屬納米粒子的周期性微結(jié)構(gòu)，形成體光柵。
所述的激光脈沖寬度為50fs～500fs。
所述的玻璃輻照樣品的熱處理溫度為500℃～600℃，相應(yīng)的熱處理時(shí)間為半小時(shí)。
所述的相干飛秒激光輻照玻璃時(shí)，每輻照一次后移動(dòng)玻璃，再次輻照，多次移動(dòng)多次輻照，以產(chǎn)生多層周期性微結(jié)構(gòu)體光柵。
上述具體做法的第一點(diǎn)，選用飛秒脈沖激光的原因是當(dāng)激光的脈沖寬度為飛秒時(shí)，因聚焦的飛秒脈沖激光極高功率密度，基頻光和自相位調(diào)制引起的超連續(xù)白光能使玻璃介質(zhì)產(chǎn)生多光子吸收。當(dāng)將兩束相干飛秒脈沖激光聚焦并相交，在相交的微區(qū)內(nèi)，飛秒脈沖激光相干形成周期性的相干場(chǎng)，能引發(fā)材料周期性的結(jié)構(gòu)變化。
上述具體做法的第二點(diǎn)，摻貴金屬氧化物的玻璃起兩方面的作用。其一，飛秒脈沖產(chǎn)生的多光子吸收會(huì)激發(fā)出玻璃中非橋氧電子；其二，玻璃中的貴金屬離子捕獲非橋氧電子能被還原成金屬原子。
上述具體做法的第三點(diǎn)，當(dāng)脈沖寬度為飛秒的兩束激光經(jīng)凸透鏡聚焦并在焦點(diǎn)相干后的能量密度大于玻璃的多光子反應(yīng)閾值、但低于玻璃的破壞閾值時(shí)，相干場(chǎng)將通過多光子吸收，促使玻璃中的貴金屬離子捕獲非橋氧電子而被還原成貴金屬原子，這樣含貴金屬原子的周期性微結(jié)構(gòu)在玻璃上(可以在表面、內(nèi)部)形成。
上述具體做法的第四點(diǎn)是因?yàn)椋谏鲜鱿喔蓤?chǎng)的作用下，在玻璃微區(qū)內(nèi)形成的是含貴金屬原子的周期性微結(jié)構(gòu)陣列，此微區(qū)內(nèi)納米粒子尚未形成，在高于攝氏500度(低于600度)的溫度下熱處理一段時(shí)間后，已經(jīng)形成的貴金屬原子，在熱能的作用下發(fā)生擴(kuò)散并聚集形成納米顆粒(尺寸1～15nm)，這樣在玻璃上幾微米到幾十個(gè)微米的微區(qū)內(nèi)，形成了含貴金屬納米粒子的周期性微結(jié)構(gòu)陣列，由于貴金屬納米粒子的折射率大于玻璃的折射率，周期結(jié)構(gòu)的縱向深度達(dá)幾十微米，這種納米微結(jié)構(gòu)陣列即為體光柵，可作為光纖通訊中的微光柵。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在先技術(shù)中利用飛秒脈沖激光作用在摻有貴金屬氧化物的玻璃中誘導(dǎo)產(chǎn)生貴金屬納米粒子，并使納米粒子在玻璃內(nèi)有序排列，而本發(fā)明方法與之有著本質(zhì)的不同第一，本方法與在先技術(shù)的機(jī)理不同，本方法是利用單個(gè)飛秒脈沖，在實(shí)現(xiàn)空間和時(shí)間上的相干后誘導(dǎo)周期性結(jié)構(gòu)，而不是利用高重復(fù)率脈沖逐行掃描誘導(dǎo)周期性結(jié)構(gòu)。第二，本方法利用飛秒脈沖的相干光，使相干強(qiáng)度達(dá)到單光束強(qiáng)度的4倍，這意味著與在先技術(shù)相比，入射光能量可以降低4倍就能誘導(dǎo)出周期性微結(jié)構(gòu)。第三，本方法與在先技術(shù)產(chǎn)生周期性結(jié)構(gòu)的區(qū)域尺寸有數(shù)量級(jí)上的差別，本方法可在幾微米到幾十微米的微區(qū)上產(chǎn)生周期性結(jié)構(gòu)，微區(qū)尺寸可通過改變?nèi)肷涔庵睆胶途劢雇哥R的焦距來控制，因此這種周期性微結(jié)構(gòu)更適合光電集成的需要。第四，也是本方法與在先技術(shù)最本質(zhì)的區(qū)別，本方法可在上述微區(qū)內(nèi)產(chǎn)生周期性的納米微結(jié)構(gòu)并形成體光柵，而且結(jié)構(gòu)周期很容易通過調(diào)整兩束光的夾角和入射光束的能量來改變，在先技術(shù)的結(jié)構(gòu)周期很難突破微米量級(jí)，也沒有形成體光柵。
本發(fā)明也包括在摻有貴金屬氧化物的玻璃中誘導(dǎo)多層周期性微結(jié)構(gòu)，只需將計(jì)算機(jī)控制的三維載物移動(dòng)平臺(tái)沿Z方向移動(dòng)即可。
圖2為實(shí)施例1用光學(xué)顯微鏡(100×/0.9物鏡)觀察到的微結(jié)構(gòu)體光柵圖片。
圖3為實(shí)施例2用光學(xué)顯微鏡(100×/0.9物鏡)觀察到的微結(jié)構(gòu)體光柵圖片。
圖4為實(shí)施例3用光學(xué)顯微鏡(100×/0.9物鏡)觀察到的微結(jié)構(gòu)體光柵圖片。
權(quán)利要求
1.一種貴金屬納米微結(jié)構(gòu)體光柵的制備方法，其特征在于該方法包括下列步驟①.選用脈沖寬度為飛秒級(jí)的超短脈沖激光，經(jīng)分束片分成兩束，然后用兩塊凸透鏡聚焦，在焦點(diǎn)處形成相干；②.選用摻貴金屬氧化物的玻璃；③.控制發(fā)射激光束的能量，使激光束在玻璃中產(chǎn)生干涉相長(zhǎng)時(shí)達(dá)到的能量密度大于玻璃的多光子反應(yīng)閾值，但小于玻璃的破壞閾值；將上述兩束相干飛秒脈沖激光聚焦于上述玻璃上，以飛秒相干激光單脈沖輻照玻璃，形成玻璃輻照樣品；④.玻璃輻照樣品在500℃～600℃溫度下進(jìn)行熱處理，自然冷卻至室溫。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的貴金屬納米微結(jié)構(gòu)體光柵的制備方法，其特征在于所述的激光脈沖寬度為50fs～500fs。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的貴金屬納米微結(jié)構(gòu)體光柵的制備方法，其特征在于所述的玻璃輻照樣品的熱處理溫度為500℃～600℃，相應(yīng)的熱處理時(shí)間為半小時(shí)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的貴金屬納米微結(jié)構(gòu)體光柵的制備方法，其特征在于所述的相干飛秒激光輻照玻璃時(shí)，每輻照一次后移動(dòng)玻璃，再次輻照，多次移動(dòng)多次輻照，以產(chǎn)生多層周期性微結(jié)構(gòu)體光柵。
全文摘要
一種貴金屬納米微結(jié)構(gòu)體光柵的制備方法，其特點(diǎn)是該方法包括下列步驟①選用脈沖寬度為飛秒級(jí)的超短脈沖激光，經(jīng)分束片分成兩束，然后用兩塊凸透鏡聚焦，在焦點(diǎn)處形成相干；②選用摻貴金屬氧化物的玻璃；③控制發(fā)射激光束的能量，使激光束在玻璃中產(chǎn)生干涉相長(zhǎng)時(shí)達(dá)到的能量密度大于玻璃的多光子反應(yīng)閾值，但小于玻璃的破壞閾值；將上述兩束相干飛秒脈沖激光聚焦于上述的玻璃上，以飛秒相干激光單脈沖輻照玻璃，形成玻璃樣品；④玻璃樣品在500℃～600℃溫度下進(jìn)行熱處理，自然冷卻至室溫，即在摻有貴金屬氧化物的玻璃中誘導(dǎo)產(chǎn)生貴金屬納米微結(jié)構(gòu)體光柵。
文檔編號(hào)G02B5/18GK1448733SQ0311634
公開日2003年10月15日 申請(qǐng)日期2003年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月11日
發(fā)明者曲士良, 曾惠丹, 趙崇軍, 邱建榮, 朱從善 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所