利用飞秒激光在玻璃和晶体中诱导出功能晶体材料的方法.pdf

本发明涉及一种利用飞秒激光在玻璃和晶体中诱导出功能晶体材料的方法，属激光应用技术领域，也属于新材料科学技术领域。本发明采用特定的激光装置，在飞秒激光辐照下产生结构变化或相变，其特征在于用5×聚焦透镜将飞秒激光光束聚焦于玻璃或晶体表面下100μm，严格控制激光强度，在特定区域上辐照一定时间；飞秒激光的参数为：波长800nm，重复率200KHz，脉冲宽度为120fs，输出功率420mW，辐照时间为10－20分钟。辐照处理后产生的新晶体具有新的光、电学性能，它们在集成光电路、三维光存储、光子晶体等领域有广阔的应用前景。

1.  一种利用飞秒激光在玻璃和晶体中诱导出功能晶体材料的方法，采用特定的激光装置，在飞秒激光辐照下产生结构变化或相变，其特征在于用5×聚焦透镜将飞秒激光光束聚焦于玻璃或晶体表面下100μm，严格控制激光强度，在特定区域上辐照一定时间；飞秒激光的参数为：波长800nm，重复率200KHz，脉冲宽度为120fs，输出功率420mW，辐照时间为10-20分钟。

2.  根据权利要求1所述的一种利用飞秒激光在玻璃和晶体中诱导出功能晶体材料的方法，其特征在于所述的玻璃，其基本组成成分就是形成晶体的元素。

3.  根据权利要求1或2所述的一种利用飞秒激光在玻璃和晶体中诱导出功能晶体材料的方法，其特征在于所述的玻璃为硼酸盐玻璃[47.5BaO∶47.5B₂O₃∶5Al₂O₃(mol％)]、或铌酸盐玻璃[32.5Li₂O∶27.5Nb₂O₅∶40SiO₂(mol％)]、或钛酸盐玻璃[32.5BaO∶32.5TiO₂∶35SiO₂(mol％)]。

4.  根据权利要求1所述的一种利用飞秒激光在玻璃和晶体中诱导出功能晶体材料的方法，其特征在于所述的飞秒激光是由氩离子激光器和锁模钛宝石激光器并通过再生放大器产生。

利用飞秒激光在玻璃和晶体中诱导出 功能晶体材料的方法
技术领域
本发明涉及一种利用飞秒激光在玻璃和晶体中诱导出功能晶体材料的方法，属激光应用技术领域，也属于新材料科学技术领域。
背景技术
当前在世界科技领域中，对利用飞秒激光与透明材料相互作用引起的透明材料在激光聚焦处的微小区域内发生折射率变化和晶化等结构调整引起了广泛关注。利用飞秒激光进行透明材料如玻璃、聚合物、晶体等空间有选择性的微结构改性，可以获得新的光、电功能特性。
2000年在美国光学学会杂志(Optics Letters)上曾有K.Miura等学者发表相关内容的文章。
发明内容
本发明的目的是利用特定的飞秒激光发生装置，在飞秒激光辐照下产生相变，以获得新的功能晶体材料。
本发明是一种利用飞秒激光在玻璃和晶体中诱导出功能晶体材料的方法，采用特定的激光装置，在飞秒激光辐照下产生相变，其特征在于用5×聚焦透镜将飞秒激光光束聚焦于玻璃或晶体表面下100μm，严格控制激光强度，在特定区域上辐照一定时间；飞秒激光的参数为：波长800nm，重复率200KHz，脉冲宽度为120fs，输出功率420mW，辐照时间为10-20分钟。
上述的飞秒激光是由氩离子激光器和锁模钛宝石激光器并通过再生放大器产生。
飞秒激光在玻璃和晶体中诱导出功能晶体材料，本发明的具体内容如下：
1.偏硼酸钡(BaB₂O₄，或BBO)晶体的相变：高温相偏硼酸钡晶体(α-BBO)经过飞秒激光辐照之后转变为低温相(β-BBO)晶体。
2.硼酸盐玻璃[47.5BaO：47.5B₂O₃：5Al₂O₃(mol％)]在飞秒激光辐照下转化为低温相偏硼酸钡晶体(β-BBO)，或高温相偏硼酸钡晶体(α-BBO)。
3.铌酸盐玻璃[32.5Li₂O：27.5Nb₂O₅：40SiO₂(mol％)]在飞秒激光辐照下形成铌酸锂(LiNbO₃)晶体，在钛酸盐玻璃[32.5BaO：32.5TiO₂：35SiO₂(mol％)]中形成(Ba₂TiO₄)晶体。
本发明的理论依据
以前大量的实验已经证明，在高温高压下，晶体的结构会发生相变。飞秒激光的作用区域小，而玻璃和晶体地热传导率也很小，所以飞秒激光辐照时容易产生一个极高温的环境，在理论上可以达到10⁶K。这种高温下，玻璃和晶体内形成强大的冲击波，产生200GPa的超高压环境。这种环境已经足够使晶体产生相变。在飞秒激光辐照下产生的相变与飞秒激光的波长、输出功率、脉冲宽度、重复率诸因素有关，在飞秒激光各参数一定的情况下，飞秒激光的辐照时间有决定性的意义。
经飞秒激光辐照后的玻璃或晶体，由于在特定区域进行选择性的微观结构的改性，因此可获得新晶体，获得具有新的光、电功能特性的晶体材料。它们在集成电路、三维光存储、光子晶体等领域有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明飞秒激光诱导功能晶体的装置示意图。
具体实施方式
现将几个实施例叙述于后
实施例一：
偏硼酸钡晶体(α-BaB₂O₄或α-BBO)的转变
偏硼酸钡晶体的熔点为1095±5℃，相变温度为920±10℃。偏硼酸钡晶体通常有两种结构类型，即高温相(α-BaB₂O₄，α-BBO)和低温相(β-BaB₂O₄，β-BBO)，两相的主要区别在于层状结构中与Ba²⁺离子配位的氧离子数目的不同。低温相偏硼酸钡晶体是非常理想和广泛应用的非线性晶体材料。应用在激光倍频(SHG)，光参量放大(OPA)和光参量振荡(OPO)等方面。
选用高温相偏硼酸钡晶体(α-BaB₂O₄)，用5×聚焦透镜将飞秒激光光束聚焦于高温相偏硼酸钡晶体(α-BaB₂O₄)表面下100μm，严格控制激光强度，采用飞秒激光的参数为：波长800nm，重复率为200KHz，脉冲宽度为120fs，输出功率420mW，辐照时间为20分钟。通过显微照片和拉曼(Raman)光谱可知，已产生相转变并形成新晶体(β-BaB₂O₄)；
实施例二：
硼酸盐玻璃[47.5BaO：47.5B₂O₃：5Al₂O₃(mol％)]在飞秒激光辐照下转化为低温相偏硼酸钡晶体(β-BaB₂O₄)。
硼酸盐玻璃的成分及组成为[47.5BaO：47.5B₂O₃：5Al₂O₃(mol％)]。用5×聚焦透镜将飞秒激光光束聚焦于硼酸盐玻璃表面下100μm，严格控制激光强度，采用飞秒激光的参数为：波长800nm，重复率为200KHz，脉冲宽度为120fs，输出功率420mW，辐照时间为20分钟。通过显微照片和拉曼(Raman)光谱可知，已产生相转变并形成新晶体(β-BaB₂O₄)；
实施例三：
铌酸锂玻璃中形成铌酸锂(LiNbO₃)晶体。
铌酸盐玻璃的成分为：[32.5Li₂O：27.5Nb₂O₅：40SiO₂(mol％)]。用5×聚焦透镜将飞秒激光光束聚焦于铌酸锂玻璃表面下100μm，严格控制激光强度，采用飞秒激光的参数为：波长800nm，重复率为200KHz，脉冲宽度为120fs，输出功率420mW，辐照时间为10分钟。通过显微照片和拉曼(Raman)光谱可知，已产生相转变并形成铌酸锂晶体(LiNbO₃)。
实施例四：
钛酸盐玻璃中形成钛酸钡晶体Ba₂TiO₄
钛酸盐玻璃的成分为：[32.5BaO：32.5TiO₂：35SiO₂(mol％)]。用5×聚焦透镜将飞秒激光光束聚焦于铌酸锂玻璃表面下100μm，严格控制激光强度，采用飞秒激光的参数为：波长800nm，重复率为200KHz，脉冲宽度为120fs，输出功率420mW，辐照时间为20分钟。通过显微照片和拉曼(Raman)光谱可知，已产生相转变并形成Ba₂TiO₄晶体。