重大突破！上海光机所四项研究取得新进展
发布时间：2022-01-05
1月5日，据中科院上海光机所官微报道，近期上海光机所在透明导电薄膜的飞秒激光图案化加工等四项研究中取得新进展。四项研究具体包括透明导电薄膜的飞秒激光图案化加工研究、刻画各向同性激光冷却性质的实验研究、稀土氟化物晶体研究以及超宽带拍瓦级OPCPA系统色散控制等。对此，激光制造网小编特整理如下：
一、在透明导电薄膜的飞秒激光图案化加工研究方面取得进展
近期，中国科学院上海光学精密机械研究所薄膜光学实验室在透明导电氧化物（Transparent Conductive Oxides，TCO）薄膜的飞秒激光图案化加工研究方面取得新进展。研究团队通过对飞秒激光能量密度的控制实现对薄膜表面形貌的有效调控，揭示了飞秒激光图案化加工过程中薄膜表面形貌的激光能量密度依赖规律及形成机制，并提出了一种简便而准确的确定飞秒激光工艺参数的单脉冲激光测量方法。相关成果发表在《光学快讯》（Optics Express）上。
TCO薄膜由于其低成本、可见光波段优异的光电性能及近红外区域非常大的光学非线性，广泛应用于光学显示、太阳能电池及非线性光电子器件等领域。根据不同的应用和系统设计，需要制造图案化的TCO薄膜。飞秒激光加工是一种重要的材料图案化制造方法，是解决非周期性、特殊设计图案结构的优选方案。然而，如何控制激光工艺参数，获得高对比度的图案边界是TCO薄膜飞秒激光加工的难点。
图1 (a) SEM 图像和 (b) 在 0.44 J/cm2 能量密度下激光照射的 ITO 薄膜的表面轮廓。(c)–(h) 放大的 SEM 图像，对应于(a)中的标记
图2 (a)不同激光能量密度的激光照射开始后的电子和晶格温度。(b) 在 0.23到 0.55 J/cm2 的不同应用注量下峰值晶格温度的变化
研究团队系统研究了典型TCO薄膜在飞秒激光单脉冲辐照下，其表面图案随激光能量密度的演变规律及形成机制。研究结果表明，在飞秒激光辐照下，薄膜表面出现了几种不同类型的微/纳米结构且呈现激光能量密度的高度依赖性。这种能量密度依赖性归因于薄膜的表面非晶化、散裂烧蚀、应力辅助分层、沸腾蒸发和相爆炸等几种不同的去除机制。通过对薄膜中热电子和晶格温度随时间的演化仿真，证明了飞秒激光图案化加工TCO薄膜本质上是材料中自由电子和束缚电子受激加热将能量传递给晶格的过程。因此，控制电子的加热就控制了激光加工后薄膜的状态，以此为基础，提出了一种简便而准确的控制飞秒激光加工形态的激光工艺参数确定方法。这项工作为飞秒激光诱导宽禁带半导体的加工和改性机制提供了全面解析，并且对超短激光的半导体光子器件图案化制造具有实际指导意义。
二、在刻画各向同性激光冷却性质的实验研究中取得新进展
近期，中国科学院上海光学精密机械研究所中科院量子光学重点实验室冷原子物理研究团队在刻画各向同性激光冷却性质的实验研究中取得新进展，该进展将有助于推进各向同性激光冷却在量子传感中的应用，相关工作发表在Optics Express。
图1 实验原理、实验装置、实验时序示意图
图2 通过测定冷却激光失谐量与冷原子数的关系计算腔内漫反射光场的有效饱和因子
冷原子量子传感在量子科技研究中受到越来越多的关注，而各向同性激光冷却是该领域一个很有前景的方向，优点包括紧凑性、鲁棒性、光学对准精确度要求较低和不需要外加磁场等，对于野外和空间应用具有良好的适应性。研究团队针对量子传感的需求设计并演示了一种特殊形式的各向同性激光冷却系统，它的腔内漫反射光场是通过空心光束注入到腔内产生的，同时探测光在频率稳定和功率稳定两个方面得到了改进，从而显著提升了探测信号的信噪比。基于该实验系统，研究团队详细测量了各向同性激光冷却的一系列基本特性，并且通过结合实验结果和计算模拟，针对该实验系统中各向同性激光冷却的基本物理过程进行了定量描述。腔内漫反射光场的有效强度是一种较难直接测定的重要参量，在这一实验新进展中，它的值得到了准确的推断。
三、在稀土氟化物晶体研究方面取得进展
中国科学院上海光学精密机械研究所微纳光电子功能材料实验室激光晶体研究团队在CeF3晶体研究基础上，开展了Er:CeF3晶体生长、光谱和磁光性能研究。相关研究工作发表于《Journal of Alloys and Compounds》。
掺铒（Er3+）材料在激光器、光振荡器和光放大器等领域具有重要的应用。三氟化铈（CeF3）晶体具有大的稀土离子半径、高的透过率以及较低的声子能量有助于降低无辐射跃迁概率，是一种很有潜力的激光基质材料。另外，CeF3晶体属于六方晶系，拥有较宽的透过波段，是重要的磁光材料，在偏振开关、磁光隔离器、法拉第旋转器等方面具有应用前景。
图1 Er:CeF3晶体的荧光光谱曲线（a）和Verdet随波长的变化曲线（b）
光谱研究表明，Er:CeF3晶体有利于~1.5 μm激光的输出，在1564.6 nm处的发射截面为1.053×10-20 cm2，相应的荧光寿命为1.675 ms。另外，磁光研究发现Er3+可以有效提高CeF3晶体的磁光Verdet常数，其在可见532 nm和近红外1310 nm处的Verdet常数分别达到231.0和24.4 rad/(T·m)，比纯CeF3晶体分别提高了23.5%和12.4%，且高于传统商用TGG晶体。Er3+增强CeF3晶体的磁光效应主要源于Er3+和Ce3+之间的超交换作用，使晶体场产生进一步分裂，导致法拉第效应的增强。该项研究工作对探索兼具激光和磁光性能的多功能晶体具有一定参考价值。
四、在超宽带拍瓦级OPCPA系统色散控制取得新进展
近期，中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室研究团队在超宽带拍瓦级OPCPA系统的色散控制上取得新进展，相关成果发表在Optics & Laser Technology。
单光栅Offner展宽器并不是真正的无像差，它与共轭的Treacy压缩器之间存在色散失配。因此，在基于单光栅Offner展宽器的高峰值功率CPA或OPCPA激光系统中，通常需要引入额外的色散控制方法。虽然双光栅Offner 展宽器的无像差特性是众所周知的，但其在OPCPA系统中的色散控制优势仍未被探索，尤其是在材料色散相对较少的拍瓦级OPCPA系统。
图1 实验测得的放大光谱和压缩脉冲
团队充分研究了双光栅Offner 展宽器的色散特性，并从理论上实验证明了其在拍瓦级OPCPA系统中的色散控制优势。结果表明，在不使用任何额外色散控制方法的情况下，仅通过优化系统中的双光栅Offner展宽器和Treacy压缩器就可以直接实现近傅里叶变换极限(FTL)的脉宽输出。更重要的是，在原理验证实验中，基于该方案成功将3 ns啁啾脉宽、210 nm光谱带宽的放大脉冲压缩到了15.4 fs (FTL值为15 fs)。这也是目前OPCPA系统所实现的最宽放大脉冲光谱(全宽210 nm)和最窄压缩脉宽(
信息来源：上海光机所 整理：激光制造网
