專利名稱：貴金屬納米微結構體光柵的制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及微結構體光柵，特別是一種在摻有貴金屬氧化物的玻璃中誘導形成含貴金屬納米微結構體光柵的制備方法。
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，相干誘導形成含金屬納米粒子的微結構體光柵，此方法也可用于光存儲和光子晶體制備。
本發(fā)明的方法的實質是采用單脈沖飛秒激光經(jīng)分束后聚焦，實現(xiàn)空間和時間上的相干迭加，通過干涉場并輔以熱處理在玻璃中產(chǎn)生含金屬納米粒子的微結構體光柵。具體步驟如下(1)選用脈沖寬度為飛秒級的超短脈沖激光，經(jīng)分束片分成兩束，然后由兩塊凸透鏡聚焦，在焦點處嚴格實現(xiàn)空間與時間上的相干；(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)生干涉相長時達到的能量密度大于玻璃的多光子反應閾值，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)內產(chǎn)生含貴金屬原子的周期性微結構，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間后，冷卻到室溫，在兩光束干涉的微區(qū)內，便產(chǎn)生含貴金屬納米粒子的周期性微結構，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℃，相應的熱處理時間為半小時。
所述的相干飛秒激光輻照玻璃時，每輻照一次后移動玻璃，再次輻照，多次移動多次輻照，以產(chǎn)生多層周期性微結構體光柵。
上述具體做法的第一點，選用飛秒脈沖激光的原因是當激光的脈沖寬度為飛秒時，因聚焦的飛秒脈沖激光極高功率密度，基頻光和自相位調制引起的超連續(xù)白光能使玻璃介質產(chǎn)生多光子吸收。當將兩束相干飛秒脈沖激光聚焦并相交，在相交的微區(qū)內，飛秒脈沖激光相干形成周期性的相干場，能引發(fā)材料周期性的結構變化。
上述具體做法的第二點，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，當脈沖寬度為飛秒的兩束激光經(jīng)凸透鏡聚焦并在焦點相干后的能量密度大于玻璃的多光子反應閾值、但低于玻璃的破壞閾值時，相干場將通過多光子吸收，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構在玻璃上(可以在表面、內部)形成。
上述具體做法的第四點是因為，在上述相干場的作用下，在玻璃微區(qū)內形成的是含貴金屬原子的周期性微結構陣列，此微區(qū)內納米粒子尚未形成，在高于攝氏500度(低于600度)的溫度下熱處理一段時間后，已經(jīng)形成的貴金屬原子，在熱能的作用下發(fā)生擴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微米的微區(qū)內，形成了含貴金屬納米粒子的周期性微結構陣列，由于貴金屬納米粒子的折射率大于玻璃的折射率，周期結構的縱向深度達幾十微米，這種納米微結構陣列即為體光柵，可作為光纖通訊中的微光柵。
本發(fā)明的優(yōu)點在先技術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產(chǎn)生貴金屬納米粒子，并使納米粒子在玻璃內有序排列，而本發(fā)明方法與之有著本質的不同第一，本方法與在先技術的機理不同，本方法是利用單個飛秒脈沖，在實現(xiàn)空間和時間上的相干后誘導周期性結構，而不是利用高重復率脈沖逐行掃描誘導周期性結構。第二，本方法利用飛秒脈沖的相干光，使相干強度達到單光束強度的4倍，這意味著與在先技術相比，入射光能量可以降低4倍就能誘導出周期性微結構。第三，本方法與在先技術產(chǎn)生周期性結構的區(qū)域尺寸有數(shù)量級上的差別，本方法可在幾微米到幾十微米的微區(qū)上產(chǎn)生周期性結構，微區(qū)尺寸可通過改變入射光直徑和聚焦透鏡的焦距來控制，因此這種周期性微結構更適合光電集成的需要。第四，也是本方法與在先技術最本質的區(qū)別，本方法可在上述微區(qū)內產(chǎn)生周期性的納米微結構并形成體光柵，而且結構周期很容易通過調整兩束光的夾角和入射光束的能量來改變，在先技術的結構周期很難突破微米量級，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多層周期性微結構，只需將計算機控制的三維載物移動平臺沿Z方向移動即可。
圖2為實施例1用光學顯微鏡(100×/0.9物鏡)觀察到的微結構體光柵圖片。
圖3為實施例2用光學顯微鏡(100×/0.9物鏡)觀察到的微結構體光柵圖片。
圖4為實施例3用光學顯微鏡(100×/0.9物鏡)觀察到的微結構體光柵圖片。
權利要求
1.一種貴金屬納米微結構體光柵的制備方法，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)生干涉相長時達到的能量密度大于玻璃的多光子反應閾值，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℃溫度下進行熱處理，自然冷卻至室溫。
2.根據(jù)權利要求1所述的貴金屬納米微結構體光柵的制備方法，其特征在于所述的激光脈沖寬度為50fs～500fs。
3.根據(jù)權利要求1所述的貴金屬納米微結構體光柵的制備方法，其特征在于所述的玻璃輻照樣品的熱處理溫度為500℃～600℃，相應的熱處理時間為半小時。
4.根據(jù)權利要求1或2或3所述的貴金屬納米微結構體光柵的制備方法，其特征在于所述的相干飛秒激光輻照玻璃時，每輻照一次后移動玻璃，再次輻照，多次移動多次輻照，以產(chǎn)生多層周期性微結構體光柵。
全文摘要
一種貴金屬納米微結構體光柵的制備方法，其特點是該方法包括下列步驟①選用脈沖寬度為飛秒級的超短脈沖激光，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)生干涉相長時達到的能量密度大于玻璃的多光子反應閾值，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產(chǎn)生貴金屬納米微結構體光柵。
文檔編號G02B5/18GK1448733SQ0311634
公開日2003年10月15日 申請日期2003年4月11日 優(yōu)先權日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 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所