7期 巫股忠,等:飞秒激光在光敏玻璃上制作微凹面 1599 FOTURAN,经热处理及氢氟酸腐蚀过程后,在表 面制作了微凹面图4给出了制作的微凹面的SEM 分析图(以30°的倾斜角度拍摄图片左上角的尺寸 代表微凹面在表面的直径).从图中可以看到:当人 射单脉冲能量固定时,微凹面的直径开始时随着入 (a)l700nJ 射脉冲数的增加而增大,而当入射脉冲数增加到几 百个时,其直径增大的速度明显减慢,产生了饱和 效应 单个飞秒激光脉冲入射至 FOTURAN玻璃上 时,发生的光化学反应很微弱,远未能充分消耗照射 区的银离子,使热处理后引起的晶化区域极其有限 腐蚀后在照射区得到的结构变化也由于太微弱,与 周围未照射区腐蚀后的形貌无明显差别而变得难于 图3用相等的脉冲数目(20个)和不同的单脉冲能量 入射后制作的微凹面的SEM图片 分辨随着入射脉冲数目的增加,由于累积的效应, Fig 3 SEM micrographs of micro-concave-surfaces 照射区域产生更多的自由电子,不断地消耗银离子, fabricated with identical number of pulse shots(20)使得热处理后的晶化区域也随之扩大,从而使得腐 d different pulse energies 蚀后区域的尺寸也随着入射脉冲数目的增加而增 为确定入射脉冲数对制作微凹面的影响,利用大但当照射区的银离子耗尽时,出现饱和效应,腐 恒定的入射单脉冲能量(1400aJ)及不同的脉冲数蚀后的区域不再显著增大 目(10、20、100、200、1000、3000个)入射至 3讨论 利用飞秒激光在 FOTURAN上制作微结构的 原理,一般认为:聚焦的飞秒激光照射 FOTURAN 表面后,被照射区发生光化学反应,产生自由电子 这些自由电子将银离子(Ag+)还原为银原子(Ag), 从有形成含有银原子的潜在改性区域.经热处理后 潜在改性区转变成以银原子为核心的易溶于氢氟酸 (HF)的锂硅酸盐(Li2O·SiO2)微晶区域.经氢氟酸 腐蚀后,微晶区被去除而形成微结构.至于飞秒激光 诱导 FOTURAN产生自由电子的光化学反应机 理,有人在对比了紫外激光和飞秒激光入射的情形 后,提出了 FOTURAN对飞秒激光的六光子吸收 模型,认为自由电子是通过两步过程而产生:首先价 (c)100 带电子在吸收三个光子后(光子能量1.60eV),被 激发至缺陷能级(由玻璃内杂质和缺陷决定);这些 电子再吸收三个光子后,被激发至导带成为自由电 子.虽然目前对自由电子的产生机理尚无统一确 切的解释,但这个模型提供了较直观而清晰的物理 图形,易被人们接受.飞秒激光的极高峰值功率,使 W—14a 得 FOTURAN内的这两步非线性光学效应过程容 易实现 图4用相同的单脉冲能量(1400mJ)和不同的脉冲数 FOTURAN玻璃被聚焦的飞秒激光曝光在焦 入射后制作的微凹面的SEM图片 点处发生多光子吸收需要满足一定的阈值.聚焦光 Fig. 4 SEM micrographs of micro-concave-surface fabricated with identical single pulse energy 束横截面内光强的高斯分布,使得只有光斑中心附 (1400 n)and different number of pulse shots 近的光强能达到产生多光子吸收的阙值条件,这减 小了激光曝光后潜在改性区域横向尺寸;而聚焦光7期 巫殷忠 ，等 ：飞秒激光在光敏玻璃上制作微 凹面 ■I (d)200 (e)1000 图4 用相 同的单脉冲 能量(1400nJ)和 不同的脉冲数 入射后制作 的微 凹面的 SEM 图片 Fig．4 SEM micrographsofmicro—concave—surfaces fabricatedwith identicalsinglepulseenergy (1400 nJ)anddifferentnumberofpulseshots FOTuRAN，经 热 处 理 及 氢 氟 酸 腐 蚀 过 程 后 ，在 表 面制作 了微 凹面 ．图 4给 出了制 作 的微 凹面 的 SEM 分析 图(以 30。的倾 斜 角度 拍 摄 ，图片 左上 角 的尺 寸 代表 微 凹面在 表 面 的直 径 )．从 图 中可 以看 到 ：当 入 射单 脉 冲能量 固定 时 ，微 凹面 的直 径 开 始 时 随着 入 射脉冲数的增加而增大，而当入射脉 冲数增加 到几 百个 时 ，其 直 径 增 大 的速 度 明 显 减 慢 ，产 生 了饱 和 效 应． 单 个飞 秒激 光 脉 冲入 射 至 FOTURAN 玻 璃 上 时 ，发生 的光 化学反 应很 微弱 ，远 未能充 分 消耗照 射 区的银离 子 ，使 热处 理后 引起 的 晶化 区域极其 有 限． 腐蚀 后在 照射 区得 到 的 结 构变 化 也 由于 太微 弱 ，与 周 围未照 射 区腐 蚀后 的形 貌无 明显 差别 而变得 难 于 分辨．随着入射脉冲数 目的增加 ，由于累积的效应 ， 照 射 区域产 生更 多 的 自由电子 ，不断地 消耗 银离 子 ， 使 得热 处理 后 的晶化 区域 也 随 之 扩 大 ，从 而使 得 腐 蚀 后 区域 的 尺 寸 也 随 着 入 射 脉 冲数 目的增 加 而 增 大 ．但 当照射 区 的银 离 子 耗尽 时 ，出 现饱 和 效 应 ，腐 蚀后 的区域不 再显 著增 大． 3 讨 论 利用 飞秒激 光 在 FOTURAN 上 制 作 微 结 构 的 原理 ，一般 认 为 ：聚焦 的 飞秒 激 光 照射 FOTURAN 表面后 ，被 照射 区发 生光 化 学 反 应 ，产 生 自由 电子． 这 些 自由电子将银 离 子 (Ag )还原 为 银 原子 (Ag)， 从 有形成 含 有银原 子 的潜在 改性 区域 ．经热 处理 后 ， 潜 在改性 区转变成 以银 原子 为核 心 的易溶 于氢 氟酸 (HF)的锂硅 酸盐 (LiO ·SiO。)微 晶区域．经氢 氟酸 腐蚀 后 ，微 晶区被 去除 而形 成微结 构．至于 飞秒激 光 诱 导 FOTURAN 产 生 自 由 电 子 的 光 化 学 反 应 机 理 ，有 人 在对 比 了紫外 激 光 和 飞 秒 激光 入 射 的情形 后 ，提 出 了 FOTURAN 对 飞 秒 激 光 的六 光 子 吸 收 模 型 ，认 为 自由 电子是通 过两 步过 程而 产生 ：首先 价 带 电子在 吸收 三 个 光 子 后 (光 子 能 量 1．6OeV)，被 激发 至缺 陷能级 (由玻 璃 内杂 质 和 缺 陷决 定 )；这些 电子再 吸 收三个 光 子 后 ，被激 发 至导 带 成 为 自由 电 子 ]．虽 然 目前 对 自由 电子 的产 生 机 理 尚无 统 一确 切的解 释 ，但这个 模 型 提 供 了较 直 观 而 清 晰 的 物理 图形 ，易被人 们接 受 ．飞秒 激 光 的极 高 峰值 功 率 ，使 得 FOTURAN 内的这两步非线性光学效应过程容 易 实现 ． FOTURAN 玻璃 被 聚 焦 的 飞 秒 激 光 曝 光 在 焦 点处 发 生多光 子 吸 收需 要 满 足 一 定 的 阈值 ．聚焦 光 束 横截 面 内光强 的 高斯 分 布 ，使 得 只有 光 斑 中心 附 近 的光 强能 达到 产 生多 光 子 吸 收 的 阈值 条 件 ，这 减 小 了激光 曝光 后潜 在 改 性 区 域 横 向尺 寸 ；而 聚焦 光