6H-SiC的飞秒激光超衍射加工

利用飞秒激光直写微纳加工平台, 对6H-SiC材料进行了突破衍射极限的微纳结构加工研究. 使用中心波长和脉宽分别为800 nm和130 fs的钛蓝宝石激光器和荧光倒置显微镜搭建了飞秒激光直写微纳加工平台, 研究了在不同的实验条件下对6H-SiC的光学加工情况, 采用扫描电子显微镜对加工结构进行表征. 通过分析不同的激光功率和不同的曝光时间等实验条件下加工的分辨率, 发现分辨率随着激光功率的减小而提高, 随扫描速度的增大而提高, 且能突破光学衍射极限. 最终获得125 nm的加工线宽, 并加工了加工线宽240 nm, 周期1.0 μm的线阵列. 研究结果为微机电系统(MEMS)的微器件设计开创了新的思路, 对发展MEMS器件具有重要意义. 关键词： 飞秒激光直写 超衍射加工 6H-SiC 微机电系统     

飞秒激光加工蓝宝石超衍射纳米结构

蓝宝石具有超强硬度及耐腐蚀、耐高温、在紫外-红外波段具有良好的透光性等优点,在军工业以及医疗器械方面具有广泛的应用前景.然而这些优点又对蓝宝石的机械加工或化学腐蚀加工带来困难.飞秒激光脉冲具有热损伤小、加工分辨率高、材料选择广等特点,被广泛应用于固体材料改性和高精度三维微纳器件加工.本文提出了利用飞秒激光多光子吸收特性在蓝宝石表面实现超越光学衍射极限的精细加工.利用聚焦后的波长为343 nm的飞秒激光,配合高精密三维压电位移台,实现激光焦点和蓝宝石晶体的相对三维移动,在蓝宝石晶体衬底上进行精确扫描,得到了线宽约61 nm的纳米线,纳米线间的最小间距达到142 nm左右.利用等离子体模型解释了加工得到的纳米条纹的产生原因,研究了激光功率、扫描速度对加工分辨率的影响.最终本工作实现了超越光学衍射极限的加工精度,为实现利用飞秒激光对高硬度材料的微纳结构制备提供了参考.     

超快激光的光电应用

超快激光一般是指脉冲宽度短于10ps的脉冲激光,主要指短皮秒和飞秒(10-15s)激光。这个时间尺度短于激发态电子向晶格弛豫能量的所需时长,使光与物质相互作用呈现了与通常光激发显著不同的特性,也促成了其崭新的光电应用。围绕飞秒激光与物质相互作用快(作用时间短)、强(瞬态功率高)、精(非线性使作用区体积小,用作加工分辨率高)的特点,开展了系列研究,包括飞秒激光超快光谱用于光/电-电/光转换动力学探索,激光诱导气体成丝用于近程遥感探测,及飞秒激光微纳加工用于新原理、新材料微纳集成器件的制备。介绍了相关研究的进展。     

提高能量密度的超衍射极限激光光束相位补偿技术

定义了激光光束衍射远场光斑压缩前后的能量比以及能量密度比来衡量超衍射极限激光光束的质量。通过利用反向传递算法设计了合适的补偿相位板,不但对准直放大的单一横模激光光束进行小于光学衍射极限的发散度的压缩,同时又保证光束能量集中于压缩后的远场衍射主瓣中,使压缩后的远场衍射光斑的能量密度增加。给出了相应的实例。这一结论不但解决了光学超分辨中光束压缩与能量损失不可避免这一矛盾,而且为发散度小且能量密度高的超衍射极限激光光束的实验工作以及该类光束的实际应用提供了理论基础。     

用于飞秒激光纳米加工的TiO_2粒子阵列诱导多种基底表面近场增强

利用纳米粒子辅助对飞秒激光能量进行空间局域化,使其在基底表面诱导产生纳米尺度的近场增强,这对超衍射极限微结构加工具有重要意义.目前对于粒子阵列诱导飞秒激光纳米孔加工的研究仅限于金属Au粒子及低折射率聚苯乙烯介电粒子等,本文提出并开展了应用高折射率TiO_2介电粒子阵列作为辅助诱导激光近场增强从而进行飞秒激光超衍射纳米孔加工的研究.对TiO_2介电粒子阵列在Si,Pt及SiO_2表面的近场强度分布进行了数值模拟,研究其基底表面近场增强的规律及物理过程.研究结果发现,使用硅基底时,阵列与单一TiO_2球形粒子相比其近场增强仅下降约30%;相对于入射激光强度而言,在直径约为100nm的空间范围内获得140倍的近场增强,这一现象可用于百纳米孔的激光加工.同时在其他典型基底的理论计算结果中也表明,几乎在所有金属及介电材料表面均可以实现良好的百纳米空间范围内的近场增强,并且具有近场随着基底折射率变大而增强的规律.这些现象的产生归因于TiO_2粒子中磁四极振荡产生的激光前向场增强及粒子与基底的耦合作用.进一步引入镜像电荷模型对基底光学参数对其表面近场增强的影响规律进行了分析和解释.本文的模拟结果对飞秒激光近场超衍射极限纳米加工的应用有着重要的意义.     

平面超透镜的远场超衍射极限聚焦和成像研究进展

突破瑞利衍射极限,实现纯光学的远场超衍射极限聚焦和成像在科学和工程的各个领域都有重要意义.现有光学超分辨技术都存在一些固有的限制因素,如工作距离短、适用领域窄、不利于集成等问题.平面超透镜由于理论上的创新、设计灵活、效率高、方便集成等优势,成为实现超衍射极限的有效途径.本文综述了平面超透镜的物理原理及其在超衍射极限聚焦和成像方面近年来的研究进展,并讨论了该领域面临的问题和未来的研究重点和方向.     

高准确度多功能激光直写装置

采用高数值孔径物镜和高准确度纳米平台搭建了一台激光直写装置,可以在光敏感薄膜材料上进行打点、刻画矢量和标量图形等多种操作,其最小特征尺寸小于300 nm,重复性5 nm.在刻写前准确标定刻写激光功率,刻写过程中采用象散法精确自动聚焦,刻写完成后采用两种不同波长的激光束探测样品的透过率和反射率的细微变化,最终实现了高准确度亚微米图形的刻写和检测.     

高准确度多功能激光直写装置

采用高数值孔径物镜和高准确度纳米平台搭建了一台激光直写装置,可以在光敏感薄膜材料上进行打点、刻画矢量和标量图形等多种操作,其最小特征尺寸小于300 nm,重复性5 nm.在刻写前准确标定刻写激光功率,刻写过程中采用象散法精确自动聚焦,刻写完成后采用两种不同波长的激光束探测样品的透过率和反射率的细微变化,最终实现了高准确度亚微米图形的刻写和检测.     

衍射微透镜列阵的研究与应用

本文研究了衍射微透镜列阵的设计与制作工艺方法，在此基础上研制出一系列衍射微透镜列阵，衍射效率均大于８５％，在深紫外、可见及红外波前传感器中得到了成功应用。     

飞秒激光精密微纳加工的研究进展

飞秒激光由于其超快时间特性和超高峰值功率特性在精密微纳加工领域引起了人们广泛的重视.在与物质的相互作用中它能快速、准确地将能量作用在特定的区域内,从而可以获得极高的分辨率和加工精度.文章综述了飞秒激光精密微纳加工的最新研究进展,分别就飞秒激光烧蚀微加工和飞秒激光双光子聚合产生三维微纳结构进行了介绍,阐述了各自的物理机制.最后对飞秒激光微纳加工的研究前景做了初步探讨.     

Squeezing properties of a trapped ion in the running-wave laser beyond the Lamb--Dicke limit

Beyond the Lamb--Dicke limit, this paper investigates the squeezing properties of the trapped ion in the travelling-wave laser. It shows that the squeezing properties of the trapped ion in the travelling-wave laser are strongly affected by the sideband number $k$, the Lamb--Dicke parameter $\eta$ and the initial average phonon number.     

Near diffraction limit output and gain saturation of soft X-ray laser

By using of travelling wave amplification, we have got a soft x-ray laser with near diffraction limit output and gain saturation in the experiment of four series coupling targets with reflector.     

Three‐dimensional optical laser lithography beyond the diffraction limit

Direct laser writing has become a versatile and routine tool for the mask‐free fabrication of polymer structures with lateral linewidths down to less than 100 nm. In contrast to its planar counterpart, electron‐beam lithography, direct laser writing also allows for the making of three‐dimensional structures. However, its spatial resolution has been restricted by diffraction. Clearly, linewidths and resolutions on the scale of few tens of nanometers and below are highly desirable for various applications in nanotechnology. In visible‐light far‐field fluorescence microscopy, the concept of stimulated emission depletion (STED) introduced in 1994 has led to spectacular record resolutions down to 5.6 nm in 2009. This review addresses approaches aiming at translating this success in optical microscopy to optical lithography. After explaining basic principles and limitations, possible depletion mechanisms and recent lithography experiments by various groups are summarized. Today, Abbe's diffraction barrier as well as the generalized two‐photon Sparrow criterion have been broken in far‐field optical lithography. For further future progress in resolution, the development of novel tailored photoresists in combination with attractive laser sources is of utmost importance.     

Near diffraction limit output and gain saturation of soft X-ray laser

Abstract: By using of travelling wave amplification, we have got a soft x-ray laser with near diffraction limit output and gain saturation in the experiment of four series coupling targets with reflector.     

激光惯性约束聚变靶制备技术研究进展

在实验室实现聚变反应释放的能量大于点燃聚变反应所需能量的阈值是当今世界ICF研究的主要目标,实现这一目标仍需要深入研究一系列的关键物理问题。在ICF研究中,制靶能力的发展与提升至关重要,靶的质量是实验成功的核心要素之一。本文介绍了国际ICF靶制备工作近年来在新型烧蚀层材料靶丸、新型靶丸支撑技术、优化黑腔材料与构型以及减小燃料填充管直径等方面取得的一系列进展,并结合ICF物理需求,简要阐述了ICF靶的发展趋势。     

光栅制备工艺的新进展

从全息光栅法出发 ,详细阐述了应用偶氮苯聚合物光致表面调制效应制备光栅的新工艺 ,说明使用偶氮苯聚合物薄膜制备光栅方法的特点 ,介绍了采用新工艺制备的光栅的独特性质———光栅可热擦除或光学擦除 ,同时提出应用新材料光栅制造方法所面临的问题。采用新工艺实验制备了薄膜光栅     

极坐标激光直写法制作圆对称连续衍射元件掩模的能量表征方法研究

采用激光直写法制作连续衍射光学元件,具有过程简单、周期短、成本低等优点。介绍了极坐标激光直写法制作圆对称连续衍射元件的原理。通过实验,研究了衍射微结构深度与激光功率、曝光位置半径与激光功率的关系。实验结果显示,在相同曝光位置半径条件下,微结构深度与激光功率呈正比;在相同微结构深度条件下,曝光位置半径与激光功率呈正比。分析总结出了极坐标激光直写法制作圆对称连续衍射元件的能量表征方法,并采用该方法成功制作了圆对称连续衍射聚光透镜掩模。     

通过光致还原调制氧化石墨烯寿命并用于微纳图形制备

氧化石墨烯因其宽带可调谐的荧光发射特性已被广泛应用于荧光成像、金属离子高灵敏检测和光电器件的制备.相比于荧光强度,氧化石墨烯荧光寿命不受材料厚度和激发功率的影响,具有更为稳定和均一的特性.本文研究了在激光还原过程中氧化石墨烯荧光寿命逐渐减小的变化行为,发现了长寿命sp~3杂化结构向短寿命sp~2杂化结构的转变.通过精确控制还原时间,结合激光直写技术,在单层氧化石墨烯薄膜上实现了二维码、条形码、图形和数字等微纳图形的制备,还在多层氧化石墨烯薄膜结构上获得了多寿命多层微纳图形.这种微纳图形的制备具有灵活无掩膜、高对比和多模式的特点,可用于高密度光学存储、信息显示和光电器件制备等诸多领域.