双飞秒脉冲对N-BK7玻璃体内改性的影响：脉冲延迟与能量对比度的作用

《Optics》：Bulk Modification of N-BK7 Glass Induced by Ultrashort Pulse Pairs: Influence of Pulse Offset and Energy Contrast

　　

时间整形飞秒脉冲为控制透明材料中的能量沉积提供了一种灵活的手段。本研究采用具有可变延迟和能量对比度的双飞秒脉冲研究N-BK7玻璃的体内改性。每个子脉冲的能量均设定在单脉冲改性阈值以下，因此任何由此产生的改性均源于两个子脉冲在聚焦体积内的联合相互作用。结果揭示了一种叠加效应（additive effect），即两个各自处于亚阈值的子脉冲共同产生永久性体内改性。该效应在子脉冲能量相近时最为显著，而支持改性的能量对比度范围随延迟增加而收窄。伴随的第二子脉冲有效透过率（effective transmittance）下降表明，第一脉冲创建了一种瞬态材料状态，促进了后续的能量沉积。这些发现确定了脉冲延迟和能量对比度是控制体内改性的有效参数，并提示了在三维玻璃微加工中实现更局域化能量沉积和更小特征尺寸的潜在途径。

研究背景方面，超短脉冲激光加工为透明材料的高精度结构化提供了强大途径，其高峰值强度使得非线性吸收能够在选定深度的明确区域内引发，从而允许在材料体内实现三维改性，这一能力已支撑光波导直写、光子结构、体光栅以及三维光数据存储等应用。然而，改性过程的精确控制仍具挑战性，因为能量沉积受非线性激发、自由载流子动力学和脉冲传播等复杂相互作用的支配。在透明电介质中，强超短脉冲引发非线性光电离，产生自由载流子，瞬态改变材料的光学性质，随后激发载流子布居的演化和弛豫决定能量向材料的传递并最终可能导致永久结构改性。由于这些早期激发和弛豫动力学发生在飞秒至皮秒时间尺度上，材料响应不仅取决于总入射能量，还取决于其时间分布。在可用的时间整形方法中，将脉冲分裂为两个时间分离的子脉冲提供了控制激发和能量传递序列的直接手段，此前已在表面烧蚀、钻孔与微通道形成、晶圆切割、折射率改性和嵌入式光子结构制造中得到探索。在体内改性中，脉冲对辐照的响应由第一子脉冲后在聚焦区域内建立的瞬态状态所支配，自由载流子和激光诱导缺陷可改变局部吸收和折射率，从而改变第二子脉冲的传播和光学耦合。然而，皮秒脉冲分离与子脉冲能量对比度对BK7玻璃体内改性的联合影响仍缺乏充分理解。澄清这一依赖关系不仅关系到潜在的相互作用动力学，也关系到体积改性的空间控制。本研究中，研究人员研究了具有可变时间分离和能量比的双飞秒子脉冲对在N-BK7玻璃中产生的体内改性，每个子脉冲的能量保持在单脉冲改性阈值以下，因此任何观察到的永久改性均表明两个子脉冲的联合作用而非独立作用。辐照后相衬显微镜用于识别永久性体内改性，同时检查第二子脉冲的有效透过率以探测第一脉冲诱导的光学耦合变化。通过在皮秒尺度上改变脉冲延迟并系统改变两个子脉冲之间的能量对比度，研究人员确定了脉冲对产生叠加响应从而导致亚阈值以下改性的条件。研究结论表明，时间脉冲分裂在N-BK7体内改性中产生叠加效应，两个各自低于单脉冲改性阈值的子脉冲可以共同诱导永久改性，该叠加响应在所研究的皮秒延迟范围内持续存在，尽管支持改性的脉冲对比度范围随延迟增加而收窄并限制在子脉冲能量相近的条件下，伴随的透过率响应为第一子脉冲创建瞬态材料状态促进后续子脉冲能量沉积的顺序相互作用提供了额外证据。从实践角度看，该叠加效应为控制能量沉积的空间局域化引入了额外自由度，第一子脉冲创建的非均匀激发可能限制后续子脉冲驱动材料超过改性阈值的区域，为透明材料中减小特征尺寸和提高三维微加工分辨率开辟了潜在途径。控制脉冲延迟和能量比因此可能实现比仅通过脉冲能量更精确的改性体积裁剪。未来工作将通过定量比较单脉冲和双脉冲辐照产生的改性尺寸来评估实现改进空间分辨率的可能性，并应扩展所研究的脉冲延迟和子脉冲能量范围以确定叠加响应如何演化以及在何处受到屏蔽或空间离域的限制，亚皮秒延迟对于分辨等离子体屏蔽的贡献特别值得关注，效应的波长依赖性也应予以探索，包括结合基频波长及其二次谐波的脉冲序列激发。

在技术方法方面，研究人员搭建了基于Yb:KGW啁啾脉冲再生放大器的飞秒激光系统（中心波长1030 nm，脉宽约500 fs，重复率100 Hz），通过由反射镜、薄膜偏振器和半波片构成的延迟线将入射脉冲分裂为两个共线子脉冲，延迟在1.4至21 ps范围内可调，能量比E1/E2通过半波片调节，第一子脉冲能量固定为245 nJ（约为单脉冲改性阈值310 nJ的80%），第二子脉冲能量始终低于阈值。脉冲对经数值孔径NA=0.25的物镜聚焦至2 mm厚N-BK7硼硅酸盐光学玻璃内部约200 μm深处，样品置于三维平移台上以1 mm/s速度扫描，每种条件重复20个空间分离的改性点。辐照过程中使用InGaAs光电二极管和示波器实时监测透过信号以提取第二子脉冲的有效透过率，辐照后采用相衬光学显微镜检查永久性体内改性。

研究结果方面，在单脉冲与脉冲对辐照对比中，通过相衬显微镜结合透过率测量得出，单脉冲辐照在所选条件下不产生可见永久改性，而脉冲对在子脉冲能量相当时产生可见体内改性，表明改性并非由任一子脉冲独立作用而是由其在同一聚焦体积内的顺序作用产生，证实了两个亚阈值子脉冲的叠加效应，且该效应在所研究的延迟范围内持续至21 ps。在能量对比度范围的延迟依赖性方面，通过定义Rmax为仍能产生可检测体内改性的最大子脉冲能量比得出，延迟长于约4 ps时Rmax趋于平坦在1.1附近，而短于约2.5 ps时效应可观察至Rmax≈1.2，表明较长延迟下改性主要发生在两个子脉冲能量接近时，而较短延迟下相互作用可在更高脉冲对比度下持续。在第二子脉冲有效透过率方面，通过分析归一化有效透过率T2|1/T2得出，当两个子脉冲能量相当时该值明显下降，与相衬显微镜揭示脉冲对诱导体内改性的能量比范围一致，表明第一子脉冲改变了第二子脉冲所 encounter 的光学响应，支持顺序叠加过程的解释；随能量比演化呈现从弱脉冲对响应到产生改性区域的逐渐过渡，较大脉冲对比度下T2|1/T2接近1，能量比趋近1时T2|1/T2下降；延迟依赖性方面，R=1.0时透过率在整个研究区间内保持显著低于孤立脉冲参考且无明显单调恢复，R=1.2时随延迟增加趋近参考值，R=1.9时保持接近1，与较长延迟下改性需要更接近的子脉冲能量的显微观察一致。在机制讨论方面，通过与其他电介质中双脉冲研究的对比分析得出，本实验的脉冲序列为E1≥E2，与熔石英中弱种子脉冲使能后续强驱动脉冲的机制不同，表明在BK7中相等或更弱的第二子脉冲在皮秒延迟范围内且脉冲对比度足够低时仍可贡献于永久改性；约500 fs脉宽和最小1.4 ps分离无法分辨初始载流子演化，熔石英的时间尺度不能直接赋予N-BK7；叠加效应持续至21 ps与BK7中较长时间存在的瞬态材料响应一致，但研究人员未将其具体归因于自陷激子，因为该机制在熔石英中已确立但在本BK7测量中未被直接分辨，更谨慎的解释是该效应与BK7中瞬态电子、俘获载流子或缺陷相关态有关；屏蔽效应也应考虑，但由于E1≥E2，部分屏蔽或离域原则上可能在BK7中发生，然而本测量无法单独分离该贡献，实验上所研究的1.4–21 ps范围内净响应为叠加性的，若存在屏蔽则其在此条件下对能量接近的子脉冲相互作用不占主导；所观察响应不同于常规热积累，后者通常与高重复率玻璃加工相关，而本工作中相关相互作用发生在皮秒分离的单个脉冲对内，该时间尺度上电子–声子相互作用向晶格的能量传递可能提高局部晶格温度而热扩散仍然缓慢，因此亚阈值双脉冲改性更一致地关联于聚焦体积中瞬态电子和/或缺陷相关变化以及可能的瞬态晶格加热贡献而非累积热负载。讨论部分总结指出，叠加效应为控制能量沉积空间局域化提供了额外自由度，第一子脉冲创建的非均匀激发可能限制后续子脉冲驱动材料超过改性阈值的区域，为减小特征尺寸和提高透明材料三维微加工分辨率开辟潜在途径，控制脉冲延迟和能量比可能实现比仅通过脉冲能量更精确的改性体积裁剪；未来工作将通过定量比较单脉冲和双脉冲辐照产生的改性尺寸评估改进空间分辨率的可能性，并应扩展脉冲延迟和子脉冲能量范围以确定叠加响应如何演化及在何处受屏蔽或空间离域限制，亚皮秒延迟对分辨等离子体屏蔽贡献特别值得关注，效应的波长依赖性也应探索包括基频与二次谐波组合的脉冲序列激发。