飞秒激光辅助刻蚀制备蓝宝石光栅(特邀)

利用飞秒激光辅助刻蚀技术,在蓝宝石表面实现了周期、占空比及高度可调的光栅结构。解决了飞秒激光加工硬脆材料时表面质量较差、碎屑堆积导致的加工精度降低和难以制备深结构的问题。蓝宝石光栅结构的粗糙度从78 nm(激光直写后)降低到了7 nm(干法刻蚀后),实现了周期为800 nm光栅,以及深宽比为4的蓝宝石微结构的制备。飞秒激光辅助刻蚀技术能够制备蓝宝石表面高平滑光栅,并对光栅各级次衍射效率进行提升。     

飞秒激光形成的半导体低维结构与发光

采用飞秒激光辐照硅和硅锗样品,用扫描电子显微镜(SEM)观察样品同,发现样品上产生了某低维结构.用飞秒激光作用产生等离子体相干驻波对硅和硅锗表面的融蚀模型来解释低维结构的形成机制,发现硅的表面周期约为400 nm的光栅结构在波长719 nm处有较强的光致荧光(PL)峰.该光致荧光的发光强度较小,其机制可从激光的脉宽和重复率两个方面来分析.当激光辐照的能量明显超过硅的融蚀阈值时,光栅形状消失,另一种锥状结构开始形成.控制加工条件,可以获得用于衍射和微分束的纳米光栅.     

飞秒激光诱导金属钨表面周期性自组织结构的研究EI北大核心CSCD

飞秒激光诱导金属表面周期性自组织微纳米条纹结构,在调控热辐射源、摩擦、超亲水性、超疏水性和打标等方面具有广泛的应用前景.研究了800nm飞秒激光诱导金属钨表面周期性自组织结构的形成规律和形成机理.采用Sipe干涉模型和有限时域差分法,仿真了第1个飞秒激光脉冲刻蚀后随机粗糙表面引起的激光电磁场能量表面分布和第20个脉冲后低空间频率条纹结构引起的激光电磁场能量表面分布.揭示了低空间频率条纹与高空间频率条纹的形成机理,考察了表面微观形貌的演化和条纹周期随着脉冲增多而递减的现象.     

基于法布里-珀罗腔产生飞秒激光脉冲串在硅表面诱导高质量亚波长周期条纹(特邀)EI北大核心CSCD

为了制备高质量表面周期结构,利用法布里-珀罗腔对飞秒激光进行时域整形,输出子脉冲间隔在1~300 ps内灵活可调的飞秒激光脉冲串,在硅表面诱导亚波长周期条纹。实验结果显示,利用飞秒激光脉冲串诱导得到的亚波长周期条纹明显优于原始高斯光诱导的亚波长周期条纹。利用子脉冲间隔为100 ps的脉冲串诱导的亚波长条纹最佳,条纹周期为1008 nm,结构取向角为2.8°,边缘粗糙度为3.9 nm,可达到光刻工艺的标准。     

飞秒激光诱导硒化锌晶体表面自组织生长纳米结构

 以250 kHz高重复频率钛宝石飞秒激光聚焦到硒化锌晶体表面,利用扫描电子显微镜观测飞秒激光辐照后晶体的表面结构。发现线偏振激光辐照的区域形成了自组织周期性纳米结构,其周期为160 nm左右,并且可以通过改变激光的偏振方向调节纳米光栅结构的取向;当晶体相对于激光光束以10 mm/s速度移动,经激光扫描后,在晶体表面形成了长程类布拉格光栅。当飞秒激光光束为圆偏振光时,辐照区域形成均匀的纳米颗粒。     

飞秒激光诱导金属钨表面周期性自组织结构的研究

飞秒激光诱导金属表面周期性自组织微纳米条纹结构,在调控热辐射源、摩擦、超亲水性、超疏水性和打标等方面具有广泛的应用前景.研究了800nm飞秒激光诱导金属钨表面周期性自组织结构的形成规律和形成机理.采用Sipe干涉模型和有限时域差分法,仿真了第1个飞秒激光脉冲刻蚀后随机粗糙表面引起的激光电磁场能量表面分布和第20个脉冲后低空间频率条纹结构引起的激光电磁场能量表面分布.揭示了低空间频率条纹与高空间频率条纹的形成机理,考察了表面微观形貌的演化和条纹周期随着脉冲增多而递减的现象.     

采用飞秒激光诱导制备彩色金属

采用脉宽为35～65fs,中心波长为800nm的飞秒脉冲激光对经抛光的镍片进行表面扫描处理,并在金属表面上制备了彩色镍图案;设置不同的激光扫描速度和能量密度扫描处理不锈钢表面,亦制备了彩色图案。介绍了实验过程,分析了实验结果,扫描电子显微镜（SEM）形貌分析显示,经过飞秒激光扫描处理的金属表面出现了纳米量级的激光诱导周期表面结构（NC—LIPSS）,在镍上形成的结构周期约为480—510nm,在不锈钢上形成的结构周期约为480～540nm。     

采用飞秒激光诱导制备彩色金属

采用脉宽为35～65 fs,中心波长为800 nm的飞秒脉冲激光对经抛光的镍片进行表面扫描处理,并在金属表面上制备了彩色镍图案;设置不同的激光扫描速度和能量密度扫描处理不锈钢表面,亦制备了彩色图案。介绍了实验过程,分析了实验结果,扫描电子显微镜(SEM)形貌分析显示,经过飞秒激光扫描处理的金属表面出现了纳米量级的激光诱导周期表面结构(NC-LIPSS),在镍上形成的结构周期约为480～510 nm,在不锈钢上形成的结构周期约为480～540 nm。     

飞秒激光烧蚀硅材料表面形成周期波纹形貌研究

基于Sipe-Drude模型和表面等离子体激元(SPP)的干涉理论分别对单脉冲飞秒激光诱导硅表面形成低频率周期性波纹进行分析研究.探究了波长800 nm、脉宽150 fs的单个飞秒激光烧蚀硅造成不同激发水平下波纹形貌的变化,考虑到材料的光学性质变化(由Drude模型得到的介电常数变化),引入包含双温方程的电子数密度模型.计算结果表明,Sipe-Drude和SPP理论都适用于分析和解释高激发态下周期性波纹,但Sipe-Drude理论更适合分析更为广泛的周期性波纹结构.同时,波纹延伸方向总是垂直于入射激光偏振方向,其空间周期略小于激光波长,并受到入射激光通量的影响.在激光通量为0.38 J/cm~2时,波纹周期达到最小值.另外,还得到了不同入射角度的波纹周期变化情况,并在不同偏振态下随入射角度增大时波纹周期呈现相反的变化趋势.该研究对于理解飞秒激光造成硅表面形成周期结构及其在加工硅材料领域具有重要参考意义.     

飞秒激光烧蚀LiNbO3晶体的形貌特征与机理研究

采用了不同能量的单脉冲和多脉冲飞秒激光对LiNbO₃晶体进行烧蚀，并刻蚀了表面衍射型光栅.通过扫描电镜和原子力显微镜观察了烧蚀点的形貌特征，首次发现利用单束飞秒激光脉冲对LiNbO₃晶体烧蚀，可以得到超衍射极限的烧蚀点，当聚焦光斑直径约为2μm、能量为170nJ的单脉冲飞秒激光作用时，烧蚀点的直径约为400nm，100nJ，17个脉冲作用时烧蚀点的直径约为800nm.同时可以观察到在能量较低的多脉冲飞秒激光作用下， LiNbO₃晶体呈现出大约200nm周期性分布的波纹状结构.实验结果表明，选择合适参数的飞秒激光脉冲可以对LiNbO₃晶体进行超衍射极限加工，这对于利用飞秒激光制作LiNbO₃基质的微纳光电子器件有十分重要的意义.     

线性、径向和环向偏振飞秒激光诱导非晶合金周期性表面结构

研究在复杂偏振条件下,飞秒激光诱导非晶合金Zr44Ti11 Cu10Ni10Be25(at％)表面周期性结构的形成机理.实验采用波长800 nm、脉宽120 fs的超短脉冲激光,分别在线性、径向、环向偏振条件下,诱导非晶合金表面生成复杂的周期性表面结构.表面结构由周期为652～723 nm的低频条纹和周期为1 304～1 765 nm的微型条纹组成.通过有限差分时域法仿真分析,发现微型条纹由粗糙表面引起的定向调制的表面散射电磁波与入射激光干涉形成.仿真结果与实验结果一致,验证了微型条纹形成机理的有效性.     

超快激光对涂有量子点玻璃表面的微构造

基于金属量子点的局域等离激元效应,提出一种新的固体介质表面微结构的制备方法。利用飞秒激光辐照涂有Cu2S量子点的K9玻璃,在其表面制备出了类似光栅结构的亚波长周期性条纹。当飞秒激光的中心波长为1300 nm、脉宽为50 fs、激光功率为230 mW时,玻璃表面的亚波长周期性条纹结构尺寸为34 nm。通过模拟得到了附有Cu2S量子点玻璃表面的近场分布,模拟结果表明,出现这种周期性条纹结构是入射飞秒激光与量子点产生的等离激元场之间产生干涉引起的。该制备方法可以降低透明介质微构造的激光功率阈值,改善了透明基质表面的微纳结构加工工艺。     

飞秒激光诱导自组织纳米周期结构及其光学特性的研究进展

飞秒激光具有超快、超强的特点.飞秒激光微纳加工发展非常迅速. 本文综述了近十年来利用飞秒激光在金属、半导体、介质等各类材料中制备的纳米周期结构, 阐述了若干关于飞秒激光诱导纳米周期结构的物理机理的观点.讨论了基于偏振调制的多光束 干涉在半导体表面制备纳米周期结构,简要叙述了周期结构对材料光学特性的影响. 关键词： 飞秒激光 纳米周期结构 多光束干涉 光学特性     

双束延时飞秒激光调控制备二维亚波长周期阵列结构

利用偏振垂直的双束延时蓝色飞秒激光（400 nm）经柱透镜聚焦扫描钼表面,获得了二维矩形周期排列的方形和（椭）圆形阵列结构,以及六边形周期排列的三角形阵列结构。最小结构尺寸和周期达到100 nm和280 nm。研究发现双束飞秒激光的能量密度和能量比是不同类型结构形成及形貌转化的关键参数。通过优化激光参数,实现了圆形和三角形阵列结构的大面积均匀制备。两种周期排布的阵列结构的形成与双束延时飞秒激光与材料作用的超快动力学过程之间的瞬态关联作用以及作用过程中表面等离激元波的共线和非共线激发密切相关。该二维周期阵列结构加工方法及理论可拓展至其它硬质金属和半导体硅表面。     

线性、径向和环向偏振飞秒激光诱导非晶合金周期性表面结构（英文）

研究在复杂偏振条件下,飞秒激光诱导非晶合金Zr_(44)Ti_(11)Cu_(10)Ni_(10)Be_(25)(at%)表面周期性结构的形成机理.实验采用波长800 nm、脉宽120 fs的超短脉冲激光,分别在线性、径向、环向偏振条件下,诱导非晶合金表面生成复杂的周期性表面结构.表面结构由周期为652~723 nm的低频条纹和周期为1 304~1 765 nm的微型条纹组成.通过有限差分时域法仿真分析,发现微型条纹由粗糙表面引起的定向调制的表面散射电磁波与入射激光干涉形成.仿真结果与实验结果一致,验证了微型条纹形成机理的有效性.     

飞秒激光在6H SiC晶体表面制备纳米微结构

激光诱导周期性纳米微结构在多种材料包括电介质、半导体、金属和聚合物中观察到。研究了800nm和400nm飞秒激光垂直聚焦于6H SiC晶体表面制备纳米微结构。实验观察到800nm和400nm线偏光照射样品表面分别得到周期为150nm和80nm的干涉条纹,800nm圆偏振激光单独照射样品表面得到粒径约100nm的纳米颗粒。偏振相互垂直的800nm和400nm激光同时照射晶体得到粒径约100nm的纳米颗粒阵列,该纳米阵列的方向随400nm激光强度增加而向400nm偏振方向偏转。利用二次谐波的观点对以上纳米结构的形成给出了解释。     

飞秒激光直写长周期光纤光栅及其光谱特性

基于800nm飞秒激光脉冲,设计并搭建了长周期光纤光栅制备系统,该系统通过采用20倍率的显微物镜将飞秒激光脉冲诱导入标准单模光纤纤芯位置,采用水平、垂直双CCD视频监控方式实现对飞秒激光脉冲刻蚀长周期光纤光栅的逐点监测,对未载氢处理的标准单模光纤进行了不同周期、不同周期长度和不同占空比刻写实验.研究结果表明,当选取激光脉冲能量为1.3mW、光栅周期为500μm、光栅占空比为0.6时,该光栅在谐振波长1 300nm处最大谐振峰强度为11.65dB,带外损耗低于2dB,且光栅谐振波长随光栅长度不发生明显漂移;通过光栅占空比的调整,可实现刻写光栅光谱特性的优化设计,使得谐振峰由多峰转为单峰.     

纳秒强激光诱导K9玻璃表面损伤实验

 使用脉宽约10 ns的Nd:YAG激光器,研究低加工缺陷条件下K9光学玻璃在单激光脉冲作用下的损伤形貌。利用软边光阑加长程衍射的方法实现光斑整形,利用微分干涉光学显微镜和扫描电镜对样品前后表面的损伤形貌进行观察和成像,对比研究了K9光学玻璃前后表面的损伤形貌,分析了损伤机制。研究结果显示：在红外纳秒激光辐照下,加工缺陷是K9光学玻璃产生初始损伤的主要诱因;前表面的损伤主要表现为微坑及高温等离子体产生的冲蚀变色和表面微裂纹;后表面出现了均匀的亚波长周期性光栅结构,这种周期性结构是后表面损伤增长的主要诱因。     

单光束飞秒激光诱导的电子态密度分布对双周期纳米光栅的影响EI北大核心CSCD

研究了不同脉冲能量下1kHz飞秒激光脉冲在石英玻璃内部诱导的损伤痕迹、纳米光栅结构及其双折射特性,发现在激光辐照区域顶端形成的微纳结构具有两种周期性:沿光传输方向的周期为ΛK;沿激光偏振方向的周期为ΛE.通过数值模拟飞秒脉冲在石英玻璃内部的传输过程,研究了入射能流密度分布及自由电子密度分布对双周期纳米光栅结构的影响.结果表明,较大的入射能流密度有利于纳米光栅的形成,且产生的电子密度会影响周期ΛK,电子密度越大,周期ΛK越大.从理论上分析了双周期纳米光栅结构的形成过程,认为等离子体非对称生长及其引起的局域场强分布影响了双周期纳米光栅结构的形成.     

飞秒激光烧蚀齿曲面的复耦合模型及形貌影响

针对飞秒激光烧蚀齿曲面过程中能量累积效应与变离焦效应对齿面形貌与烧蚀尺寸的影响问题,建立飞秒激光烧蚀复耦合模型,通过有限差分法求解得到激光烧蚀面齿轮材料18Cr2Ni4WA的电子与晶格在不同的脉宽与能量密度下的温度变化分布,对烧蚀凹坑的深度及半径进行仿真。考虑激光束在加工齿面时,与被加工齿面之间存在倾斜角,根据光斑能量分布方式得到齿面底角与激光能量的定量关系,结合焦半径与折射率的变化,对飞秒激光烧蚀齿面深度、半径与形貌进行研究。通过实验得到当激光能量密度为1.783 J/cm²且被加工齿面底角过大时,激光能量降低烧蚀过程只发生在材料表面;当能量密度为2.376 J/cm²、激光脉冲数为3 000时,烧蚀凹坑的微结构细密良好。研究结果表明飞秒激光烧蚀曲面时,激光有效能量随着倾斜角的变化降低,同时激光光斑的能量分布影响了烧蚀凹坑深度的变化,可为提高飞秒激光加工齿曲面质量提供参考。