单光束飞秒激光诱导微纳周期结构的现象与机理

飞秒激光具有超快和超强（聚焦后局域电场达到10^10V／cm，相当于氢原子的库仑场强）的特点，因此它与材料发生相互作用时会产生多光子吸收、多光子电离、自聚焦等非线性效应．文章介绍最近发现的单光束飞秒激光在物质内部诱导自组装纳米光栅，沿光束传播方向排列成行的纳米周期孔洞结构以及材料表面诱导纳米周期结构等新现象，并对这些现象的机理作了阐述．     

单光束飞秒激光诱导微纳周期结构的现象与机理

飞秒激光具有超快和超强（聚焦后局域电场达到1010 V/cm,相当于氢原子的库仑场强）的特点,因此它与材料发生相互作用时会产生多光子吸收、多光子电离、自聚焦等非线性效应.文章介绍最近发现的单光束飞秒激光在物质内部诱导自组装纳米光栅,沿光束传播方向排列成行的纳米周期孔洞结构以及材料表面诱导纳米周期结构等新现象,并对这些现象的机理作了阐述.     

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。     

入射角对飞秒激光诱导金属表面周期性结构的影响

用脉宽为60 fs,频率为1 kHz,中心波长为800 nm的飞秒脉冲激光照射在高纯度的Cu、Ag、Au金属靶材表面,在损伤阈值附近产生周期性结构,并随着脉冲作用数的增加,产生的规则周期性结构被破坏.研究了人射角度对周期性结构大小的影响,发现在较小角度时,三种金属周期性结构大小几乎没有区别,在较大角度时,三者之问的差别也微乎其微;不同金属的损伤阈值各不相同,因此,认为入射激光的能量密度在较小角度时只影响表面周期性结构的锐利程度,并不影响其大小.并从激光诱导金属表面产生周期性结构的理论出发进行了理论验证,也表现出同样的规律     

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。     

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。     

超短脉冲激光诱导周期性表面结构

激光诱导周期性表面结构（Laser-induced periodic surface structures,LIPSS）具有纳米尺度的特征结构和自重复的微观尺度的排列图案,因此,LIPSS在传感器、太阳能发电、光催化等方面具有广泛的应用前景。本文首先介绍LIPSS形成过程中超快激光与物质相互作用的复杂过程,强调瞬态光学性质和表面结构变化的作用。然后综述几种具有代表性的LIPSS形成机理,并且讨论了各自的优缺点。接着介绍了LIPSS形成过程中材料的变化,主要包括材料化学成分、晶体结构和表面微观结构的变化。最后综述了LIPSS在材料表面处理、光学和机械等方面的应用。     

基于整形飞秒激光脉冲的三维微纳制备

飞秒激光脉冲加工具有热效应小、加工精度突破衍射极限、三维内部加工能力等特性,在微纳制备领域独具优势。综述了利用飞秒激光脉冲整形技术结合飞秒激光三维直写进行透明介质中微纳制备的最新进展,这些技术有望在新型集成光学和微纳光学中发挥重要的作用。     

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。     

飞秒激光烧蚀硅表面产生微纳结构过程中激光脉冲数目的影响

为了研究飞秒激光脉冲数目与硅表面形貌之间的关系,在相同的SF6气体氛围下,改变照射硅表面的飞秒激光脉冲数,发现在飞秒激光照射下由硅表面形成的微型锥状尖峰的高度与飞秒激光脉冲数呈现一种非线性关系.通过对该关系的研究有利于找出在制造具有较高吸收效率的高微型锥状尖峰的"黑硅"的实验条件,有利于基于"黑硅"材料的光电器件转化效...     

Sub-wavelength Ripple Formation on Silicon Induced by Femtosecond Laser Radiation

Periodic microstructures on silicon bulk axe formed by the irradiation of the femtosecond laser with the laser wavelength of 800 nm and the pulse length of 130 fs. We investigate the surface periodic ripple structures produced by femtosecond laser treatment. The effects of feedrate of sample, v, on laser-induced surface topography are studied. We find that the femtosecond laser produce periodic ripples of the sub-micron level on silicon surface. At the same time, we realize the optimal conditions to produce these surface structures. When choosing NA = 0.3, and v = 2000μm/s or 3000μm/s, we find a series of periodic-structure ripples where the spacing is about 120 nm and the width is about 45nm. The experimental results indicate that femtosecond laser treatment can produce line arrays on the sub-micron level, which is a positive factor for fabricating grating and other optical applications in nanoscales.     

飞秒激光诱导的Mn2+掺杂锗酸盐玻璃上转换发光

研究了室温下的飞秒激光诱导过渡金属Mn2+掺杂锗酸盐玻璃的上转换发光现象。样品的激发光谱与发射光谱表明,激发过程是能级6A(6S)→4E(4G)/4A1(4G)的跃迁,该过程源于Mn2+离子的4T1(4G)→6 A1(6 S)跃迁。由409 nm单色光激发样品得到的发射光谱与800 nm飞秒激光激发的光谱相一致。通过分析飞秒激光泵浦功率密度与荧光强度的依赖关系以及飞秒激光辐照样品前后的吸收谱,认为该上转换过程为双光子同时吸收过程。随着Mn2+浓度的提高,上转换发光的中心波长发生红移。     

Terahertz Radiation from Graphite Excited by Femtosecond Laser Pulses

We experimentally investigate the terahertz （THz） generation from a graphite surface induced by femtosecond laser pulses, and systematically study the dependence on the excitation power, the crystal orientation of graphite, polarization state and incident angle of optical beam. New evidence related to excitation and detection geometry is found and presented, which supports the THz generation mechanism of transient photocarrier transporting along the basal plane normal. Our observation also suggests other probable contributions by in-plane charge oscillations. The results may be helpful to explore and understand the photoelectric properties of graphite and other allotropes of carbon.     

Bubble Generation in Germanate Glass Induced by Femtosecond Laser

We report the observation of bubble generation and migration in a germanate glass during irradiation by a femtosecond laser of high repetition rate.Bubbles are formed around the focal area of the laser beam,and their movement indicates the presence of thermal gravity convection in the glass melt,which is beyond the existing theoretical model about temperature field of focal area.Inside the bubbles,oxygen molecules are observed by the confocal Raman micro-spectroscopy.The generation of molecular oxygen and bubbles is explained in terms of the spatial separation of Ge and O ions and micro-explosion inside the glass melt.     

飞秒脉冲激光作用下金属薄膜的热弹性研究

利用双曲-双温两步热传导和热电子崩力模型,考虑到晶格温度与应变速率的耦合效应,得到了用于描述飞秒激光作用下金属薄膜热力效应的超快热弹性模型。以飞秒脉冲激光辐照金属铜薄膜为例,运用具有人工粘性和自适应步长的有限差分算法,对不同能量密度和脉冲宽度条件下薄膜体内温度场和应力场的变化规律进行了数值模拟,对比分析了电子晶格耦合系数对超快加热过程的影响。结果表明,飞秒脉冲激光辐照早期为明显的非平衡加热过程,电子温度迅速升高,而晶格温度的升高却相对较慢;激光辐照早期的热力耦合效应导致薄膜前表面附近的热应力表现为压应力,随着时间的推移,热应力由压应力转变为张应力,为激光加工和激光对抗提供了理论参考。     

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。     

Laser Mode-Dependent Size of Plasma Zones Induced by Femtosecond Laser Pulses in Fused Silica

We carry out the numerical simulations of femtosecond laser propagation with TEMoo mode, TEM10 mode and a beam combining both the modes in fused silica. It is found that the transverse size of plasma zones induced by laser pulses with the TEM10 mode is smaller than that induced by the TEM00 mode, while the longitudinal size is almost the same, and the saturated plasma density is higher. The transverse size, the longitudinal size and the ratio of the longitudinal to transverse size, for the beam combining both the modes, all could be reduced at the same time in comparison with the TEM00 mode under the same focusing conditions.     

飞秒激光加热金属薄膜反演问题的求解

飞秒激光加热金属薄膜时会在金属内部形成电子温度和晶格温度不平衡的热输运过程,此过程一般可以用抛物两步模型描述。飞秒激光抽运-探测技术可以对上述过程中金属表面的瞬时电子温度进行测量。通过上述实验结果结合抛物两步模型,反推金属微尺度热物性参数是一个反演问题。本文分析了此反演问题求解的可行性,并采用遗传算法对此反演问题进行了...     

飞秒激光作用下光学与激光玻璃的暗化阈值测量

报道了各种商用光学玻璃和激光玻璃在800nm、120fs、1kHz钛宝石脉冲激光作用下,产生光致暗化的阈值。