透明介质材料具有高透光性、高耐热性和良好的耐腐蚀性,被广泛应用于航空航天、微电子器件和光学元件等领域,这些应用对透明介质材料微纳加工的精度与质量提出了一定的要求。超快激光具有超高的峰值强度与超短的脉冲持续时间,可突破衍射极限并极小化热影响区,具有出色的加工精度与加工质量,为透明介质材料的微纳尺度加工提供了多样化的手段。综述了透明介质材料的超快激光微纳加工研究进展,包括超快激光加工透明介质材料的内部结构、相关机理和应用领域三个方面,并对透明介质材料的超快激光微纳加工进行了总结与展望。

对比分析了单量子阱TE模和TM模增益谱及其折射率变化谱随应变、阱宽的变化规律,同时分析了应变和阱宽对兼顾增益和折射率变化的影响。进一步考虑波导的光学限制因子及多量子阱阱间载流子浓度分布的不均匀性,提出一种多参数调配方法,据此设计出C波段内兼顾增益谱和折射率变化谱的低偏振混合应变多量子阱结构。最后,通过分析选定合适的载流子浓度。当载流子浓度为3.22×1024m-3时,TE模和TM模3 dB谱宽交叠区面积分别为84.81 nm/cm和74.50 nm/cm,增益偏振相关性和折射率偏振相关性分别保持在4%和6%以内。该研究结果有助于未来全光网络中相关器件的优化设计。

对比分析了InGaAs/InGaAsP柱状量子点材料TE模和TM模增益谱及其折射率变化谱随点区材料组分、垒区材料组分和量子点高宽比的变化特性, 并剖析了其中的物理机理。进一步联合考虑点区和垒区组分变化对兼顾增益与折射率变化以及偏振相关性的影响, 提出了一种多参数调配方法, 并据此设计出在1550nm通信波段(1540~1560nm)内兼顾增益与折射率变化的低偏振量子点材料In0.97Ga0.03As/In0.76Ga0.24As0.52P0.48。最后通过分析, 选定合适的工作载流子浓度。当载流子浓度为0.6×1024 m-3时, TE模和TM模的3dB谱宽交叠区面积分别为8.66×103和7.55×103nm/cm, 增益和折射率变化的偏振相关性分别在3%和10%以内。研究结果有助于未来全光网络中关键器件的优化设计。

有源区载流子浓度变化导引的折射率变化是许多新型光通信器件的工作机理, 对量子线材料折射率变化偏振相关性的研究有利于改善器件的性能。首先分析了线区材料组分、垒区材料组分、柱状量子线直径和载流子浓度对量子线材料TE模和TM模折射率变化的影响。以此为基础, 提出了一种实现量子线材料折射率变化低偏振相关的多参数调配方法, 并设计出C波段(1 530～1 565 nm)内折射率变化低偏振相关(<1%)的InGaAs/InGaAsP量子线材料, 表明该多参数调配方法对量子线材料折射率变化低偏振相关的设计具有指导作用。

实验研究了低损耗硫系玻璃As₂S₃光纤的纤芯在532 nm近带隙光照射下的光敏性。实验结果表明,光开始照射时其纤芯的光致折射率变化朝负方向快速减小,然后随着光照时间延长,折射率变化朝正方向缓慢恢复增加。这两个过程经历的时间和折射率变化的大小均取决于光照功率。光照功率增大到一定阈值时,在恢复过程中,光致折射率变化出现正增加,且随光照功率继续增大和曝光时间延长,折射率变化可增加到约3×10 ^-3。另外,实验初步制备了As₂S₃光纤的布拉格光栅,曝光期间其中心波长先蓝移,后恢复并红移。同时,实验还发现,在近带隙光照下As₂S₃光纤出现光阻断效应现象, 其截止效率约为55%。

对比分析了量子阱材料增益谱及其折射率变化谱随阱宽、应变和载流子浓度的变化特性,在此基础上以两谱线3 dB谱宽交叠区面积为度量,分析了各因素对兼顾材料增益与折射率变化的影响,并剖析了其中的物理机理。研究表明,两谱线3 dB谱宽交叠区面积随阱宽的变化过程中存在一个极大值;引入压应变有利于增大交叠区面积;交叠区面积随载流子浓度单调增加的过程中存在一个转折点,在转折点之前增加迅速,在转折点之后增加放缓。基于以上影响规律,选取适当的阱宽与压应变量,在载流子浓度为3.0×1024 m-3时,设计出的In0.583Ga0.417As/In0.817Ga0.183As0.4P0.6量子阱在C波段内可恰当地兼顾增益与折射率变化,两谱线3 dB谱宽交叠区面积为3.7×104 nm/cm。

使用飞秒激光, 采用激光直写技术在有机玻璃(PMMA)内部写出折射率变化(Δn)的光学结构, 制备得到了体光栅, 将一组体光栅置于室温, 另一组进行退火处理。通过试验对比两组样品, 探索了退火处理对Δn的影响机理。试验结果表明：退火未对光学结构的物理尺寸造成明显影响, 但造成了拉曼光谱中1640 cm-1拉曼峰强度的增加, 对应于Δn的增大; 飞秒激光在PMMA内产生的折射率变化的光学结构不够稳定, Δn随时间的延长会缓慢增大, 退火处理会加快Δn的增大。

考虑温度变化和载流子注入阱间分布不均匀性,给出求解量子阱材料折射率变化的理论分析模型。分析了量子阱应变量大小、阱宽、垒区材料组分和注入载流子浓度对TE模和TM模折射率变化的影响。设计出折射率变化低偏振相关的混合应变多量子阱结构,在0~40 ℃的温度范围,其折射率变化量在1 530~1 570 nm波长范围内具有较大数值(6×10-3),且具有低的偏振相关性;当载流子浓度从1×1024 m-3增大到3×1024 m-3时,其折射率变化量在增大的同时,仍可在一定温度下保持低偏振相关。Refractive Index Change of Mixed Strain Multiple Quantum Well

利用太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)测试向列相液晶E7 和5CB 在磁场、电场和光场作用下的太赫兹光学性质，较为全面地总结向列相液晶在不同场强下的折射率变化。实验观察到E7和5CB 在磁场下的负磁致折变效应和在电场下的正电致折变效应。磁致折射率变化最大达到-0.087，电致折射率变化最大达到0.051，而光致折变与电致折变的物理本质相同，在7.961 W/cm²的532 nm 激光泵浦下折射率变化最大达到0.015。这些研究结果为液晶材料在太赫兹波段的可调相移器、滤波器和空间光调制器等重要功能器件中的应用打下基础。

以“阳”加速器和PTS装置为驱动源，开了展单晶氟化锂(LiF，通光方向[100])窗口材料在准等熵压缩下的光学特性实验研究。应用全光纤激光多普勒探针系统(DPS，激光波长1550 nm)同时测量了Ly12铝材料电极加窗和未加窗的后界面速度历史，结合窗口材料修正方法获取了单晶氟化锂窗口材料在实验条件下折射率随密度的变化和界面粒子速度修正因子。每次实验可获取窗口材料样品的连续加载历史数据，进而处理得到LiF窗口材料在近50 GPa准等熵压力范围内的修正因子。结合拟合的线性关系，进一步处理获得了在实验过程中折射率随密度的变化。将这些实验结果与D.E. Fratanduono, Y. Ma, B.J. Jensen的对应数据比较，其中与光子多普勒测速系统 (PDV, 1550 nm)测量结果基本相符，不确定度与多次冲击实验得到的结果相当。