近期上海光機所在透明導電薄膜的飛秒雷射圖案化加工等四項研究中取得新進展。四項研究具體包括透明導電薄膜的飛秒雷射圖案化加工研究、刻畫各向同性雷射冷卻性質的實驗研究、稀土氟化物晶體研究以及超寬帶拍瓦級OPCPA系統色散控制等。對此，雷射製造網小編特整理如下：
一、在透明導電薄膜的飛秒雷射圖案化加工研究方面取得進展
近期，中國科學院上海光學精密機械研究所薄膜光學實驗室在透明導電氧化物（Transparent Conductive Oxides，TCO）薄膜的飛秒雷射圖案化加工研究方面取得新進展。研究團隊通過對飛秒雷射能量密度的控制實現對薄膜表面形貌的有效調控，揭示了飛秒雷射圖案化加工過程中薄膜表面形貌的雷射能量密度依賴規律及形成機制，並提出了一種簡便而準確的確定飛秒雷射工藝參數的單脈衝雷射測量方法。相關成果發表在《光學快訊》（Optics Express）上。
TCO薄膜由於其低成本、可見光波段優異的光電性能及近紅外區域非常大的光學非線性，廣泛應用於光學顯示、太陽能電池及非線性光電子器件等領域。根據不同的應用和系統設計，需要製造圖案化的TCO薄膜。飛秒雷射加工是一種重要的材料圖案化製造方法，是解決非周期性、特殊設計圖案結構的優選方案。然而，如何控制雷射工藝參數，獲得高對比度的圖案邊界是TCO薄膜飛秒雷射加工的難點。
圖1 (a) SEM 圖像和 (b) 在 0.44 J/cm2 能量密度下雷射照射的 ITO 薄膜的表面輪廓。(c)–(h) 放大的 SEM 圖像，對應於(a)中的標記
圖2 (a)不同雷射能量密度的雷射照射開始後的電子和晶格溫度。(b) 在 0.23到 0.55 J/cm2 的不同應用注量下峰值晶格溫度的變化
研究團隊系統研究了典型TCO薄膜在飛秒雷射單脈衝輻照下，其表面圖案隨雷射能量密度的演變規律及形成機制。研究結果表明，在飛秒雷射輻照下，薄膜表面出現了幾種不同類型的微/納米結構且呈現雷射能量密度的高度依賴性。這種能量密度依賴性歸因於薄膜的表面非晶化、散裂燒蝕、應力輔助分層、沸騰蒸發和相爆炸等幾種不同的去除機制。通過對薄膜中熱電子和晶格溫度隨時間的演化仿真，證明了飛秒雷射圖案化加工TCO薄膜本質上是材料中自由電子和束縛電子受激加熱將能量傳遞給晶格的過程。因此，控制電子的加熱就控制了雷射加工後薄膜的狀態，以此為基礎，提出了一種簡便而準確的控制飛秒雷射加工形態的雷射工藝參數確定方法。這項工作為飛秒雷射誘導寬禁帶半導體的加工和改性機制提供了全面解析，並且對超短雷射的半導體光子器件圖案化製造具有實際指導意義。
二、在刻畫各向同性雷射冷卻性質的實驗研究中取得新進展
近期，中國科學院上海光學精密機械研究所中科院量子光學重點實驗室冷原子物理研究團隊在刻畫各向同性雷射冷卻性質的實驗研究中取得新進展，該進展將有助於推進各向同性雷射冷卻在量子傳感中的應用，相關工作發表在Optics Express。
冷原子量子傳感在量子科技研究中受到越來越多的關注，而各向同性雷射冷卻是該領域一個很有前景的方向，優點包括緊湊性、魯棒性、光學對準精確度要求較低和不需要外加磁場等，對於野外和空間應用具有良好的適應性。研究團隊針對量子傳感的需求設計並演示了一種特殊形式的各向同性雷射冷卻系統，它的腔內漫反射光場是通過空心光束注入到腔內產生的，同時探測光在頻率穩定和功率穩定兩個方面得到了改進，從而顯著提升了探測信號的信噪比。基於該實驗系統，研究團隊詳細測量了各向同性雷射冷卻的一系列基本特性，並且通過結合實驗結果和計算模擬，針對該實驗系統中各向同性雷射冷卻的基本物理過程進行了定量描述。腔內漫反射光場的有效強度是一種較難直接測定的重要參量，在這一實驗新進展中，它的值得到了準確的推斷。
三、在稀土氟化物晶體研究方面取得進展
中國科學院上海光學精密機械研究所微納光電子功能材料實驗室雷射晶體研究團隊在CeF3晶體研究基礎上，開展了Er:CeF3晶體生長、光譜和磁光性能研究。相關研究工作發表於《Journal of Alloys and Compounds》。
摻鉺（Er3+）材料在雷射器、光振盪器和光放大器等領域具有重要的應用。三氟化鈰（CeF3）晶體具有大的稀土離子半徑、高的透過率以及較低的聲子能量有助於降低無輻射躍遷概率，是一種很有潛力的雷射基質材料。另外，CeF3晶體屬於六方晶系，擁有較寬的透過波段，是重要的磁光材料，在偏振開關、磁光隔離器、法拉第旋轉器等方面具有應用前景。
光譜研究表明，Er:CeF3晶體有利於~1.5 μm雷射的輸出，在1564.6 nm處的發射截面為1.053×10-20 cm2，相應的螢光壽命為1.675 ms。另外，磁光研究發現Er3+可以有效提高CeF3晶體的磁光Verdet常數，其在可見532 nm和近紅外1310 nm處的Verdet常數分別達到231.0和24.4 rad/(T·m)，比純CeF3晶體分別提高了23.5%和12.4%，且高於傳統商用TGG晶體。Er3+增強CeF3晶體的磁光效應主要源於Er3+和Ce3+之間的超交換作用，使晶體場產生進一步分裂，導致法拉第效應的增強。該項研究工作對探索兼具雷射和磁光性能的多功能晶體具有一定參考價值。
四、在超寬帶拍瓦級OPCPA系統色散控制取得新進展
近期，中國科學院上海光學精密機械研究所強場雷射物理國家重點實驗室研究團隊在超寬帶拍瓦級OPCPA系統的色散控制上取得新進展，相關成果發表在Optics & Laser Technology。
單光柵Offner展寬器並不是真正的無像差，它與共軛的Treacy壓縮器之間存在色散失配。因此，在基於單光柵Offner展寬器的高峰值功率CPA或OPCPA雷射系統中，通常需要引入額外的色散控制方法。雖然雙光柵Offner 展寬器的無像差特性是眾所周知的，但其在OPCPA系統中的色散控制優勢仍未被探索，尤其是在材料色散相對較少的拍瓦級OPCPA系統。
團隊充分研究了雙光柵Offner 展寬器的色散特性，並從理論上實驗證明了其在拍瓦級OPCPA系統中的色散控制優勢。結果表明，在不使用任何額外色散控制方法的情況下，僅通過優化系統中的雙光柵Offner展寬器和Treacy壓縮器就可以直接實現近傅立葉變換極限(FTL)的脈寬輸出。更重要的是，在原理驗證實驗中，基於該方案成功將3 ns啁啾脈寬、210 nm光譜帶寬的放大脈衝壓縮到了15.4 fs (FTL值為15 fs)。這也是目前OPCPA系統所實現的最寬放大脈衝光譜(全寬210 nm)和最窄壓縮脈寬(<15 fs)。
來源：上海光機所 、雷射製造網