飛秒激光器發(fā)展進展
發(fā)布時間：2020-09-11 16:15
超短脈沖激光器從上世紀80年代開始，經(jīng)歷了從染料到固體飛秒激光器的發(fā)展，開辟了科學和工業(yè)應(yīng)用的新時代。但其昂貴的價格，龐大的體積，對環(huán)境的穩(wěn)定性差等缺陷阻礙了飛秒激光的應(yīng)用。探索新機理，突破現(xiàn)有飛秒激光局限，研制新一代飛秒激光成為世界范圍內(nèi)熱門研究課題。自90年代初，光纖激光器利用半導(dǎo)體激光器泵浦，具有小巧、結(jié)構(gòu)簡單、無需水冷和可集成化的特點，逐步發(fā)展起來并成為鈦寶石激光器強有力的競爭者和替代者。早期的飛秒激光器，采用摻鉺的通信光纖，工作波長1550nm，普通單模光纖色散為負，能提供與自相位調(diào)制對應(yīng)的啁啾補償，于是孤子鎖模（Soliton mode locking）[2]和展寬脈沖（Stretched pulse）鎖模就成為主流機制。由于其倍頻光的波長在775nm，經(jīng)過拉曼移頻可移到800nm附近，在商用激光器上，已經(jīng)用作鈦寶石放大器的種子脈沖。飛秒激光器的用途是什么？
自90年代末以來，研究人員一直在將飛秒激光器的超短脈沖寫入具有寬帶隙的塊狀材料中，這些材料通常是絕緣體。但到目前為止，對于具有窄帶隙的材料，如硅和其他半導(dǎo)體材料，精密超快激光寫入還是不能實現(xiàn)的。人們一直致力于為3D 激光寫入在硅光子學中的應(yīng)用以及半導(dǎo)體中新物理現(xiàn)象的研究創(chuàng)造更多條件，從而拓展硅應(yīng)用的巨大市場。
近日，來自于法國、卡塔爾、俄羅斯和希臘的科學家Margaux Chanal等人在最新一期的《自然通訊》（Nature Communications）雜志上發(fā)表了一篇名為《Crossing the threshold of ultrafast laser writing in bulk silicon》的論文。論文中表示，之前在硅中進行超快速激光寫入的嘗試中，飛秒激光器在結(jié)構(gòu)上無法對體硅進行處理的問題得到了突破，采用極端NA值允許激光脈沖可實現(xiàn)足夠的電離破壞硅中化學鍵，導(dǎo)致硅材料永久性結(jié)構(gòu)改變。
此次試驗中，科學家發(fā)現(xiàn)，飛秒激光器即使將激光能量提高到技術(shù)上的最大脈沖強度在結(jié)構(gòu)上仍然無法對體硅進行處理。不過，將飛秒激光器替換成超快激光時，在誘導(dǎo)體硅結(jié)構(gòu)操作中沒有受到物理上的限制。他們還發(fā)現(xiàn)激光能量必須以快速的方式在介質(zhì)中傳輸，以便使非線性吸收的損失最小化。原來之前工作時遇到的問題源于激光器的小數(shù)值孔徑（NA），也就是激光傳輸聚焦時可以投射的角度范圍?？蒲腥藛T通過采用硅球作為固體浸入介質(zhì)解決了數(shù)值孔徑問題。當將激光聚焦在球體的中心時，硅球完全抑制折射大大增加數(shù)值孔徑，從而解決了硅光子寫入問題。
事實上，在硅光子應(yīng)用中，進行3D激光寫入將可能大大改變硅光子學領(lǐng)域中設(shè)計和制備的方法。而硅光子學則被視為微電子學的下一場革命，影響著激光在芯片級別的最終數(shù)據(jù)處理速度，這一3D激光寫入技術(shù)的研發(fā)為微電子學打開了新世界的大門。
