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.     

飞秒激光诱导钛表面形成高空间频率周期条纹结构

利用波长为800 nm的飞秒激光,在空气和去离子水中诱导钛表面形成不同的周期条纹结构。在空气中,激光能量密度为0.265 J/cm2时,钛表面主要形成周期为500~560 nm低空间频率条纹结构;激光能量密度为0.102 J/cm2时,主要形成的是周期为220~340 nm高空间频率条纹结构。两种条纹均垂直于入射激光偏振方向,且条纹周期随着脉冲重叠数的增大而增大。在水中,除形成垂直激光偏振方向、周期为215~250 nm的高空间频率条纹结构,还形成了平行于激光偏振方向且周期约为入射激光波长八分之一的高空间频率条纹结构。利用表面等离子体理论、二次谐波及Sipe理论对各种周期条纹结构的形成机理进行分析,发现周期条纹结构的形成与钛表面氧化层有密切的关系。     

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.     

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.     

时间整形飞秒激光诱导熔融硅表面纳米周期条纹的电子动力学研究

研究了时间整形飞秒激光在熔融硅表面诱导纳米周期条纹结构的电子动力学过程.通过引入非线性电离机制和表面等离子激元的瞬态作用机理,建立了关于时间整形飞秒激光诱导和调控熔融硅表面纳米周期条纹结构的电子动力学模型,并应用该模型研究获得了纳米条纹周期与时间整形脉冲时间间隔的定量关系.理论研究结果表明,通过调节时间整形脉冲的时间间隔可以实现操控表面等离子激元与激光瞬态干涉过程中的波矢配对,最终可实现对诱导的纳米条纹周期的调控.此模型预测得到的纳米条纹周期与实验结果符合得很好.该研究对于深刻理解整形脉冲链诱导材料表面纳米周期结构的电子动力学操纵机制以及对条纹周期的调控都具有重要的理论价值.     

飞秒激光脉冲诱导透明介质的非线性吸收和折射率改变轮廓研究

实验研究了飞秒激光脉冲诱导熔融石英的非线性吸收特性,利用激光诱导自由电子等离子体浓度取决于多光子吸收系数和入射光强的关系;数值模拟了激光诱导折射率变化区域的大小,结合非线性吸收机理和飞秒激光脉冲与介质的相互作用,解释了飞秒激光脉冲超精细加工不受衍射极限的约束,可实现纳米级加工的机理结果表明,电介质的电离能越大,飞秒脉冲诱导的折射率变化区域就越小,但要求的激光脉冲能量也越大;为飞秒激光脉冲超精细加工的材料和激光参量选择提供了理论依据.     

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。     

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

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.     

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.     

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。     

不同烧蚀条件下飞秒激光脉冲诱导ZnO纳米结构研究

烧蚀条件对飞秒激光脉冲诱导氧化锌纳米结构有重要影响.研究了800 nm,150 fs,250 kHz的飞秒激光脉冲分别在空气中,去离子水中以及无水乙醇中垂直聚焦于氧化锌晶体表面,诱导形成不同形态的纳米结构.实验结果表明,在空气中利用飞秒激光脉冲辐照样品表面,形成了周期为180 nm的纳米线;在去离子水中辐照诱导形成了由氧化锌纳米线聚集而成的"纳米球";在无水乙醇中形成出现分叉结构的纳米线.拉曼光谱分析辐照前后晶体晶相结果表明,形成的纳米结构相对于辐照前特征峰437 cm-1强度有所下降,在570 cm-1处的峰值则显著增强.分析了在各种烧蚀条件下诱导形成纳米结构的演化过程以及物理机理.     

融石英表面高质量亚波长光栅结构的飞秒激光加工EI北大核心CSCD

采用钛蓝宝石飞秒激光加工系统在融石英表面诱导表面周期性微纳结构,研究了激光诱导表面周期结构的形成过程以及激光能量密度、脉冲数、光斑大小和脉冲的空间间隔对融石英表面激光诱导表面周期结构的形貌的影响。实验结果表明,飞秒激光在融石英表面可以诱导出周期性的亚波长结构,主要以垂直于激光偏振方向的光栅状结构为主,其周期在百纳米量级且具有更好的可复现性。在激光光斑控制在1μm附近时,所得到的形貌具有较高的规则性。根据实验结果设计了聚焦高斯光斑低通量的加工方式。所制备的光栅结构具有200~300 nm的周期,平均深度约为300 nm。     

飞秒激光相干场诱导材料功能微结构

飞秒激光在整个脉冲宽度内具有极好的相干性，因而当从同一光束分出的两束或两束以上的光束时间与空间上实现相互叠加时将会形成强度周期性调制的电磁场．这种周期调制的电磁场与材料产生相互作用，能诱导出相应的周期微结构．最近通过两束或两束以上飞秒激光干涉诱导功能微结构得到了广泛研究．文章综合了国内外飞秒激光研究小组在干涉诱导微结构方面的一些最新成果以及作者在这方面开展的工作，对飞秒激光干涉技术的原理及其在诱导微结构方面的应用进行了介绍．     

不同气压环境对飞秒激光在铬膜表面诱导周期性条纹结构的影响

实验研究了蓝色飞秒激光(1kHz,50fs,400nm)在105 Pa(标准气压)和10-3 Pa两种不同气压环境下,在单晶硅衬底的金属铬膜表面形成亚波长(~250nm)一维周期性条纹结构的情况,分析比较了入射激光能流、样品扫描速度、样品薄膜厚度等参数对表面条纹结构的影响.结果表明,10-3 Pa的真空环境可以有效改善铬膜表面亚波长条纹结构的形成质量;随着铬膜厚度的减小(100~25nm),表面条纹质量逐渐提高,但当铬膜太薄(≤25nm)时材料表面易出现烧蚀不均匀现象;另外,随着飞秒激光能流密度的降低或扫描速度的增大,条纹结构的空间周期将会减小,此时条纹之间的沟槽内逐渐出现纳米线分布.     

单次飞秒激光脉冲在玻璃内部产生多次微爆的研究

在入射能量不同的情况下，用近红外飞秒激光脉冲在重钡火石玻璃（ZBaF15）内部产生了色心和微爆，在熔融石英的内部产生了多次微爆现象.实验表明：入射能量较高时，色心的中间会产生微爆；在松聚焦条件下，一个飞秒激光脉冲在透明介质内会激发多次微爆.基于飞秒激光脉冲在透明介质内的自聚焦效应和自由电子等离子体的自散焦效应，理论分析了多次微爆产生的原因；也讨论了飞秒激光脉冲诱导玻璃折射率改变的机理.     

1kHz飞秒激光脉冲在空气中传输成丝的演化过程

利用高重复频率(１kHz)、低能量的飞秒激光脉冲研究激光脉冲在空气中传输成丝的演化过程.采用成像的方法观测飞秒激光脉冲在大气传输过程中光束截面上光强分布变化，以及大气等离子体通道对光强分布的反作用.实验结果表明，激光脉冲在传输过程中先形成双丝结构，再逐渐合并成单丝结构.实验结果与利用非线性薛定谔方程耦合多光子电离的数值模拟结果基本一致. 关键词： 飞秒激光脉冲 等离子体通道 成像     

飞秒激光在空气和水中对硅片烧蚀加工的实验研究

采用1 kHz,800 nm,50 fs—24 ps的钛宝石激光脉冲对单晶硅样品在空气和水溶液环境中的烧蚀加工特性进行了研究.实验观察到了超短脉冲激光在空气氛围中烧蚀形成的双层环状结构,分析揭示了加工区域中心和边缘的烧蚀物理机制分别为热熔化和库仑爆炸,并测量了双层环状结构半径随入射激光能量、脉冲数及持续时间等的变化关系,结果表明获取较大深-宽比的加工效果需选择小能量脉冲激光的多次作用.在水溶液环境中,实验发现飞秒激光在样品表面诱导产生了亚微米量级的多孔状结构,而皮秒激光则更容易实现对硅表面的非热性去除.这是由于激光诱导的光机械应力和空泡效应随脉冲宽度变大而增强所致,在实验上确立了区分这两种不同加工状态的临界脉冲宽度. 关键词： 飞秒激光 硅片 激光加工     

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。     

4H-SiC压力敏感膜片的低损伤飞秒激光加工

采用飞秒激光加工4H-SiC压力敏感膜片,研究了飞秒激光深度方向步进间距、扫描路径方向、单脉冲能量、扫描线间距等参数对4H-SiC烧蚀形貌和烧蚀速率的影响。实验结果表明,飞秒激光加工4H-SiC样品表面孔洞的形成主要与激光诱导微沟槽的重叠有关,激光能量分布更均匀能够有效减少4H-SiC被烧蚀表面的激光诱导微沟槽的数量,增大激光扫描路径与激光偏振方向的夹角能够有效降低激光诱导微沟槽的重叠概率,从而抑制孔洞的形成。采用优化后的飞秒激光加工工艺参数,制备出直径为1 600μm、厚度为100μm的4H-SiC压力敏感膜片。所制备的4H-SiC压力敏感膜片表面无明显孔洞,边缘过烧蚀深度小于10μm,实现了4H-SiC压力敏感膜片的低损伤飞秒激光加工。