馮　杰，范宗學，單常亮，魏欣芮，吳　琴，楊永佳，周自剛

(西南科技大學 理學院，綿陽 621010)

基于熱效應飛秒激光誘導LiNbO表面結構的研究

馮杰，范宗學，單常亮，魏欣芮，吳琴，楊永佳，周自剛*

(西南科技大學 理學院，綿陽 621010)

摘要：為了研究飛秒激光與鈮酸鋰表面作用過程中熱效應對其表面的影響，采用重復頻率為25MHz、脈寬為100fs、平均輸出功率為500mW的緊聚焦飛秒激光對鈮酸鋰表面進行刻蝕。通過建立熱擴散理論模型，模擬重復頻率25MHz的飛秒激光在刻蝕點的溫度場分布，并通過電子顯微鏡對刻蝕點的形貌進行分析，發(fā)現(xiàn)刻蝕點從內(nèi)至外形成了3種大小不同、排列疏密不同的顆粒狀結構區(qū)域，且中心區(qū)域被高溫燒蝕并伴有裂縫產(chǎn)生。通過能量色散譜儀對刻蝕點的3種不同結構區(qū)域中Nb和O元素的相對含量進行測量，結合刻蝕點的溫度場分布、形貌和元素含量進行了分析。結果表明,Nb和O元素在溫度場的驅動下向外擴散；兩者的相對含量對刻蝕點的表面結構具有極大影響。這一結果對高重頻飛秒激光刻蝕鈮酸鋰物理機制及應用的研究是有幫助的。

關鍵詞：激光光學；表面結構；熱效應；鈮酸鋰；飛秒激光；溫度場分布

*通訊聯(lián)系人。E-mail: zhouzigang1973@163.com

引言

近年來，利用飛秒激光微加工鈮酸鋰制作光波導[1-2]、光柵[3]、光開關[4]等微光學器件得到了廣泛的關注，但是通過飛秒激光改變鈮酸鋰的折射率來形成這些微光學器件的機理和結構，較為復雜且仍沒有公認的解釋。飛秒激光與鈮酸鋰相互作用的過程繁雜，包括多光子電離、雪崩電離、隧道電離等過程[5]，且重復頻率不同的飛秒激光對鈮酸鋰的影響也不一樣。針對重復頻率的不同，飛秒激光與鈮酸鋰相互作用的表現(xiàn)主要有兩種，取決于飛秒激光脈沖的間隔時間是長或短于熱擴散時間，在輻照區(qū)域能否形成能量的累積。其中一種是低重復頻率飛秒激光和鈮酸鋰相互作用時不具有明顯的熱效應[6]，另一種則具有明顯的熱效應[7]。目前，利用高重復頻率飛秒激光與玻璃相互作用時產(chǎn)生的溫度場，誘導玻璃材料的元素重新分布，從而改變材料的結構(如燒蝕、致密化)和性質(zhì)(如折射率)已有相關報道[8-10]，本文中主要是針對鈮酸鋰材料進行研究。

作者針對高重復頻率飛秒激光與鈮酸鋰相互作用的熱效應，建立飛秒激光與鈮酸鋰相互作用的熱擴散模型，模擬不同重復頻率的飛秒激光在刻蝕點的溫度場分布，并結合刻蝕點的形貌及Nb和O元素的相對含量，研究高重復頻率飛秒激光的熱效應對刻蝕鈮酸鋰晶體表面結構變化的影響。

1熱擴散模型

1.1　模型建立

由于高重復頻率飛秒激光與鈮酸鋰表面相互作用后，在本實驗中作用區(qū)域的尺寸(約80μm)遠大于激光聚焦光斑的尺寸(約3μm)，故作用區(qū)域的形成主要是受飛秒激光和鈮酸鋰作用過程中熱效應的影響，因此通過建立熱擴散模型近似模擬作用區(qū)域的溫度場分布。而由于高重復頻率飛秒激光與鈮酸鋰相互作用后，激光脈沖能量被電子吸收并傳遞給晶格，在晶體內(nèi)部擴散、累積形成溫度場[11]。因此，假設飛秒激光脈沖能量是一個熱源，并用q(x,y,z)表示。由于鈮酸鋰的尺寸遠大于熱量擴散范圍，故不考慮邊界對熱擴散的影響。熱擴散方程和初始溫度分布如下式所示：

(1)

(2)

式中，T是溫度，t是熱量擴散時間，α是熱擴散系數(shù)，c是比熱容，ρ是鈮酸鋰的密度，A是激光能量的吸收系數(shù)，i是脈沖數(shù)目，T(x,y,z,i/f)是在第i個脈沖到達時刻(i/f)的溫度分布,δ為與時間相關的函數(shù)。當t=i/f時，δ=1;當t≠i/f時，δ=0。由于在鈮酸鋰晶體中熱量從吸收區(qū)域擴散出來的時間大約是1μs[12]，所以假設在1μs時間內(nèi)所有的脈沖能量都是瞬時熱源，且溫度在1μs時刻達到平衡，并假設每個瞬時熱源的直徑為3μm，且熱量分布服從高斯分布，因此第i個脈沖的熱量為：

(3)

式中，q0是單脈沖最大吸收能量值,L為熱源邊長。當?shù)趇個脈沖照射后，在鈮酸鋰內(nèi)總熱量為:

(4)

聯(lián)立方程(1)式~(4)式求解，得到溫度場分布:

(5)

1.2　溫度場分布模擬

根據(jù)實驗條件,取單個脈沖能量20nJ，激光能量的吸收系數(shù)65%，根據(jù)(5)式可得不同重復頻率飛秒激光照射鈮酸鋰表面區(qū)域的中心(x=y=z=0)的平衡溫度曲線,如圖1所示。f=25MHz時,飛秒激光在鈮酸鋰晶體表面的溫度分布模擬如圖2所示(圖中D是測量直徑)。

Fig.1　Equilibrium temperature at different repetition rate

Fig.2　Temperature field distribution

由圖1可知，激光輻照區(qū)域中心的平衡溫度隨著重復頻率的增加而增加，重復頻率越高熱累積效應越明顯。在重復頻率為11.8MHz時，輻照區(qū)域中心的平衡溫度達到鈮酸鋰的熔點(1240℃)，而25MHz所對應區(qū)域中心的平衡溫度約為1800℃。

2刻蝕實驗

2.1　光路搭建

實驗裝置如圖3所示。飛秒激光采用摻鈦寶石振蕩器，中心波長為800nm，重復頻率f=25MHz，脈沖寬度為100fs，平均輸出功率P=500mW，利用格蘭棱鏡及半波片共同組成能量控制裝置，通過800nm的全反鏡和40×(數(shù)值孔徑dNA=0.65)的顯微物鏡將光束緊聚焦到樣品表面，聚焦光斑的直徑約為3μm。3維電動平移臺由電腦控制，在x軸和y軸上的控制精度為10nm，z軸上為50nm。實驗中采用的材料為z方向切割的鈮酸鋰晶體，尺寸為20mm×5mm×1mm，各個面均已被拋光。通過控制電動平移臺的移動，將激光束垂直聚焦到樣品表面進行刻蝕。

Fig.3　Experiment setup

2.2　形貌分析

圖4為激光輻照鈮酸鋰表面刻蝕點的電子掃描顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)形貌圖。根據(jù)圖4可觀察到刻蝕點從中心向邊緣，由3個不同的區(qū)域構成，其中，中心圓形區(qū)域C的直徑為37.4μm，中央環(huán)形區(qū)域B的直徑在37.4μm~67.8μm范圍內(nèi)，邊緣環(huán)形區(qū)域A直徑在67.8μm~81.4μm范圍內(nèi)。圖5所示為刻蝕點A,B,C 3個區(qū)域的局部放大圖。從圖5中觀察可得，區(qū)域A,B,C中分別形成了大小、疏密程度不同的顆粒狀結構，其中區(qū)域C中的顆粒最大且排列稀疏，并且區(qū)域C中有黑色的裂縫形成；而區(qū)域B中的顆粒大小從中央向邊緣逐漸變小且排列密集，但不存在黑色的裂縫；區(qū)域A中的顆粒大小最小且排列緊密，同樣不存在黑色的裂縫。

Fig.4　Morphology of the etched area

Fig.5　Partial enlarged view of the etched area

根據(jù)理論模擬的溫度場分布圖(見圖2)，區(qū)域C的邊界溫度為1074℃，區(qū)域B的邊界溫度為273℃，區(qū)域A的邊界溫度為114℃。由于區(qū)域C的溫度普遍高于鈮酸鋰的熔點，導致該區(qū)域被高溫燒蝕而形成燒蝕區(qū)，并伴有裂縫產(chǎn)生，而區(qū)域A、區(qū)域B的溫度不同且遠低于鈮酸鋰熔點，導致在區(qū)域A、區(qū)域B中形成不同程度的溫度沉積區(qū)。

2.3　元素含量分析

通過能譜分析儀(energy dispersive spectroscopy,EDS)對刻蝕點A,B,C 3個區(qū)域的局部位置進行測量，得到相應區(qū)域表面Nb和O的質(zhì)量分數(shù)、原子數(shù)分數(shù)和原子數(shù)比，如表1所示。

Table 1　Relative content of elements at different regions

從表1中可得出，區(qū)域C中O和Nb的質(zhì)量分數(shù)都是最低的，區(qū)域B中Nb的質(zhì)量分數(shù)最高，而區(qū)域A中O的質(zhì)量分數(shù)最高。由于溫度場的存在，被飛秒激光強場電離產(chǎn)生的O和Nb離子在溫度場梯度力的作用下向外擴散，且由于中心的溫度場較周圍區(qū)域更高，產(chǎn)生的溫度場梯度力更大，Nb和O更容易被驅動向外擴散，導致中心區(qū)域C中的Nb和O的相對含量比區(qū)域A和B低。由于O原子量16小于Nb原子量93，O更容易被力驅動向外擴散，導致C區(qū)域的O/Nb原子數(shù)比最小，而由于Nb的質(zhì)量大、體積大，向外擴散的能力小于O向外擴散的能力，從而有部分Nb擴散到區(qū)域B中而沒有繼續(xù)向外擴散，導致區(qū)域B的O/Nb原子數(shù)比低于區(qū)域A。

在區(qū)域C中O/Nb原子數(shù)比最小，且Nb和O的含量也最少，由于Nb原子的半徑大于O原子半徑，原子與原子之間的縫隙大，且半徑大的原子堆積在一起的體積更大，故形成排列稀疏、尺寸較大的顆粒狀形貌，且由于區(qū)域C內(nèi)的溫度高于鈮酸鋰的熔點，導致該區(qū)域有被燒蝕并伴有裂縫產(chǎn)生的現(xiàn)象。而區(qū)域B和區(qū)域A的溫度小于鈮酸鋰的熔點，且兩區(qū)域中Nb和O的含量相近，故形成的結構沒有明顯的燒蝕，且A和B兩個區(qū)域也比較相似，但由于區(qū)域A中Nb和O的含量更高且O/Nb原子數(shù)比更大，故區(qū)域A的結構排列更為緊密、顆粒狀結構更小。

3結論

隨著飛秒激光重復頻率的增大，熱累積效應越明顯，且當單脈沖能量為20nJ、重復頻率高于11.8MHz時，激光與鈮酸鋰作用區(qū)域中心的溫度高于鈮酸鋰的熔點；25MHz飛秒激光在鈮酸鋰表面上刻蝕時，會誘導刻蝕點表面形成3種不同的顆粒狀結構區(qū)域，中心區(qū)域被高溫燒蝕并伴有裂縫產(chǎn)生，且刻蝕區(qū)域的Nb,O元素在溫度場的作用下向外擴散并重新分布；在刻蝕點內(nèi)Nb和O元素含量越少的區(qū)域中，形成的顆粒狀結構越稀疏，而O和Nb原子數(shù)比越小，形成的顆粒狀結構越大。以上結論對高重復頻率飛秒激光與鈮酸鋰相互作用的機理和利用飛秒激光加工鈮酸鋰微光學器件的研究具有一定的意義。

參考文獻

[1]ZHOU Z G, LUO C, YANG Y J,etal. Fabrication of 1×4 optical waveguide splitter by femtosecond laser in LiNbO3[J].Acta Photonica Sinica, 2013, 42(4):402-404(in Chinese).

[2]LI S L, YE Y K. Development of femtosecond laser direct writing waveguides in transparent optical materials [J]. Laser Technology, 2012, 36(6):783-787(in Chinese).

[3]YU B H, LI Y H, DAI N L,etal. Diffraction gratings ablated on LiNbO3crystal by femtosecond laser pulses [J]. Chinese Journal of Lasers, 2008, 35(8):1161-1164(in Chinese).

[4]HE F, CHENG Y. Femtosecond laser micro machining: frontier in laser precision micro machining [J]. Chinese Journal of Lasers, 2007, 34(5):594-622(in Chinese).

[5]THOMSON R, LEBURN C, REID D,etal. Ultrafast nonlinear optics [M].Berlin, Germany:Springer,2013:317-329.

[6]YELENA V W, LI X X, ZBIGNIEW S,etal. Single-pulse ultrafast-laser machining of high aspect nano-holes at the surface of SiO2[J]. Optics Express, 2008,16(19):14411-14420.

[7]SHANE M E, ZHANG H B, HERMAN P R. Heat accumulation effects in femtosecond laser-written waveguides with variable repetition rate [J]. Optics Express, 2005, 13(12): 4708-4716.

[8]DENG Y P, JIA T Q, LENG Y X,etal. Experimental and theoretical study on the ablation of fused silica by femtosecond lasers[J]. Acta Physica Sinica, 2004, 53(7):2216-2220(in Chinese).

[9]YASUDA N, SHIMIZU M, SAKAKURA M,etal. Formation of elemental distribution in glasses by femtosecond laser irradiation [J]. Materials Science and Engineering, 2011, 8(11): 2012-2015.

[10]MASAHIRO S, MASAAKI S, SHINGO K,etal. Formation mechanism of element distribution in glass under femtosecond laser irradiation [J]. Optics Letters, 2011, 6(11): 2161-2163.

[11]YU B H, DAI N L, WANG Y,etal. Morphology and mechanism of femtosecond aser-induced structural changes in lithium niobate crystal [J]. Acta Physica Sinica, 2007, 56(10): 5821-5826(in Chinese).

[12]VALLE G D, OSELLAME R, LAPORTA P. Micromachining of photonic devices by femtosecond laser pulses[J].Journal of Optics, 2009, A11(1):013001.

Study on surface structure of lithium niobate crystal induced

by femtosecond laser based on thermal effect

FENGJie,FANZongxue,SHANChangliang,WEIXinrui,WUQin,YANGYongjia,ZHOUZigang

(School of Science, Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010， China)

Abstract：In order to study thermal effect of femtosecond laser on the surface of LiNbO3crystal, LiNbO3crystal surface was etched by tightly-focused femtosecond laser pulses with repetition rate of 25MHz, pulse duration of 100fs and average output power of 500mW. A theoretical thermal diffusion model was built to simulate the temperature filed distribution of the area etched by laser pulses with repetition rate of 25MHz, and the morphology of the etched area was analyzed by a scanning electron microscope. There were three regions with different sizes and densities from the inside to the outside of the etched area, and the central region was ablated by high temperature and was accompanied with the appearance of cracks. Relative contents of Nb and O at the three regions were measured by using energy dispersive spectroscopy and were analyzed with temperature field distribution and morphology. The result shows that Nb and O elements spread out under the drive of temperature field, and relative contents of Nb and O have an important influence on surface structure of etch area. The results are useful for mechanism research of the interaction between high repetition rate femtosecond laser and LiNbO3crystal.

Key words:laser optics; surface structure; thermal effect; lithium niobate; femtosecond laser; temperature field distribution

收稿日期：2014-08-11；收到修改稿日期：2015-01-17

作者簡介：馮杰(1993-)，男，大學本科生，主要從事飛秒激光與物質(zhì)相互作用及集成光學的相關研究。

基金項目：四川省學術和技術帶頭人培養(yǎng)基金資助項目(14zd3104；14zd3110)；國家大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃資助項目(201310619004)

中圖分類號：TN249；TN25

文獻標志碼：A

doi:10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2015.06.029

文章編號：1001-3806(2015)06-0869-04