基于微结构的光功能硼磷酸铌玻璃：可控显微热极化印刷机理研究

Niobium borophosphate (BPN) glasses with micro-structured second harmonic generation or diffractive optics properties have attracted widespread attention for their broad applications in integrated visible-near-infrared optical systems. The key technology is a simple, low cost and controllable micro-thermal-poling method to achieve nano/micro-scale optical function. Previous research has focused on micro-structured electric field and temperature filed induced microstructure on surface of optical glass by micro-thermal-poling method, but its mechanism is still poorly understood. A clear understanding of the mechanism will improve the method for preparing high quality functional photonic devices in nano/micrometer scale for different desired applications. Thus, this project aims to study the mechanism of micro-thermal-poling method in the preparation of micro-structured optical glasses. Particularly, we will focus on the effect of main poling conditions, micro-discharge and side effect of micro-patterned electrode on formation of micro-structured pattern and setting a quantitative model to understand the mechanism. We anticipate that this project will give a clear picture of the mechanism of microstructure formed during micro-thermal-poling and the outcome will be important inputs for applications with a theoretical basis and technical support in visible-near-infrared optical systems.

具有特定光功能的硼磷酸铌(BPN)玻璃在小型化集成化的可见-近红外光学系统中的具有广阔的应用前景，其微结构形貌和组成的可控印刷是决定倍频或衍射光学性能的关键因素。利用周期性显微图案电极进行热极化(显微热极化印刷)是简单、低成本地获得基于微结构的BPN玻璃并实现纳米或微米级尺度光功能的最主要手段之一，但关于其调控微结构的机理还需系统深入的研究。本项目拟采用透可见-近红外光的导电膜作为阳极，研究关键因素(电极周期性特征、极化电压、温度)、显微放电作用和显微图案电极边缘效应对BPN玻璃微结构形成的影响；考虑电极边缘效应及显微放电作用，建立热电场下BPN玻璃中的阳离子(碱金属和水合氢离子)迁移模型，利用多物理场耦合仿真模拟阳离子从玻璃表面向内部迁移的过程，分析微结构的形成机理，为优化显微热极化印刷方案并实现BPN玻璃在可见-近红外光学系统中应用提供理论基础和技术支撑。

具有特定光功能的硼磷酸铌(BPN)玻璃在小型化集成化的可见-近红外光学系统中具有广阔的应用前景，其微结构形貌和组成的可控印刷是决定倍频或衍射光学性能的关键因素。本项目通过显微热极化印刷，研究其关键因素（电极周期性特征、极化电压与温度）、显微放电作用和显微图案电极边缘效应对BPN等玻璃微结构形成的影响；通过热电场下电极边缘效应及显微放电作用，模拟阳离子从玻璃表面向内部迁移的过程，分析微结构的形成机理，为优化显微热极化印刷方案并实现BPN等玻璃在可见-近红外光学系统中应用提供理论基础和技术支撑。.1）通过具有微结构特性的ITO阳极进行显微热极化印刷，可以得到一个微米结构且周期性显微SHG的功能玻璃。建立静电场模型，通过Comsol定性地计算得到显微SHG的分布，与实验结果有着很好的一致性，验证了电极边缘效应。.2）通过具有周期性结构Si电极的显微热极化得到一个亚微米结构（最小可达0.5 微米）且周期性显微SHG的功能玻璃。微结构的电极导致局部气体显微放电和局部的电流密度变化，极化玻璃产生显微SHG图案；显微放电引起局部温度增加，同时极化引起极化层的大量阳离子移出和阴离子位错导致分子体积变化，两者导致玻璃表面出现显微结构。.3）采用网格Ni阳极，可以在钠钙硅玻璃表面得到新颖的显微SHG图案，显微SHG不仅出现在网格线位置，而且出现在方格里面。依据N2气氛下放电从网格附近开始逐渐向网格里扩展，初步推断显微SHG图案与极化过程中的放电过程所形成的电子风相关。.4）超低电压（125 V）下通过显微热极化印刷了超宽带的硫卤玻璃衍射光栅。超低的极化电压是由于掺银导致玻璃高电导率。表面形貌和亚表面微观结构的形成机理与玻璃结构的重排有关：Ag+离子的分布以及金属同极键Ge-Ge（Ga-Ga）和异质键Ge-S（Ga-S）之间的结构变化。极化样品的光学衍射形成原因不是阳极表面形貌，而是周期性的结构重排，该周期性结构分布导致周期性梯度折射率。