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     

飞秒激光双光束干涉高效率地制备硅表面超亲水结构

利用飞秒激光双光束干涉技术,结合柱透镜线扫描技术,在30 s内制备了面积为10 mm×10 mm的微米-纳米复合结构,极大地提升了激光加工效率.飞秒激光刻蚀后的硅表面包含双光束干涉引起的长周期微米结构,以及飞秒激光诱导的纳米周期结构.微米-纳米复合结构极大地提升了表面粗糙度,在毛细效应的作用下,硅在空气中显示出超亲水性...     

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.     

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．     

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。     

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。     

飞秒激光多光束干涉光刻硅表面减反微结构

为了得到均匀分布的硅表面微结构,提出了一种利用多束激光干涉光刻的方法来实现对硅表面微结构分布特征的控制.利用空间光调制器实现飞秒激光多光束干涉,形成分布均匀、周期可控的空间点阵,利用聚焦的空间点阵在单晶硅表面烧蚀得到规则分布的凹坑状结构,并通过改变附加给空间光调制器的相位实现对微结构分布特征及间距的控制.用扫描电子显微镜和分光光度计分别对结构的形貌特征和光学特性进行了测量,结果表明:采用底角为2°的四棱锥镜相位形成四光束干涉,通过10×物镜聚焦,在激光功率25 mW、曝光时间30 s时,可以形成间距约为3.3 μm的密排凹坑微结构,所形成的凹坑结构具有良好的减反效果,在1.2～2μm近红外波段的透过率相对抛光硅平均提高了11.5％o.     

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。     

Fabrication of complex nanostructures on ZnO crystals by the interference of three femtosecond laser beams

By adjusting the laser polarization combinations, fluences and pulse numbers, we fabricated several types of two-dimensional (2D) complex nanostructures on the surface of c-cut ZnO single crystal by the interference of three femtosecond laser beams with central wavelength of 800 nm, pulse duration of 50 fs and pulse repetition frequency of 1 kHz. The hexagonal 2D nanostructures with a period of 600 nm are very regular and uniform, in which nanoparticles, nanorings and nanoripples with sizes of 200 nm are embedded. Excited by 800 nm femtosecond laser pulses, the photoluminescence (PL) micrographs reveal that the 2D nanostructures can emit purer and brighter blue light compared with the plane surface. These nanostructures have potential applications in blue light-emitting diodes (LEDs), high density optical storage and other optoelectronic devices.     

利用多束飞秒激光干涉在金属箔和金属薄膜上形成阵列孔

报道了利用五束飞秒激光干涉，在镍箔和镀在玻璃上的铝膜上制备阵列孔的方法。光学显微镜和扫描电镜观察发现飞秒激光照射后在金属箔和薄膜上形成了微米量级的阵列孔。这一技术允许一步、大尺寸、微米量级的加工金属材料，具有潜在的工业应用价值。     

Controllable grating fabrication by three interfering replicas of single femtosecond laser pulse

The controllable periodic M-shape gratings are fabricated on the surface of silica glass by three coplanar interfering beams from a single femtosecond pulse. The configuration of the M-shape periodic structure is characterized by optical microscopy and atomic force microscopy. The experimental results and the theoretical simulation show that the period and the modulation depth ratio between the neighboring grooves of the fabricated gratings can be controlled by adjusting the collision angles and pulse energy of the three beams, respectively.     

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...     

基于多光子脉冲内干涉相位扫描法对飞秒激光脉冲进行相位测量和补偿的研究

研制了一套基于多光子脉冲内干涉相位扫描方法的可以同时对飞秒激光脉冲进行相位测量和补偿的实验系统装置.实验中,通过自主研发的LabVIEW程序控制液晶空间光调制器和光纤光谱仪,对待测飞秒激光脉冲施加相位扫描,并同时记录受到调制的飞秒激光脉冲的倍频光谱,得到了多光子脉冲内干涉相位扫描(MIIPS)轨迹图.通过MIIPS轨迹图的三次测量和迭代运算,还原出了经过预先啁啾调制的中心波长约为810 nm、重复频率为1 kHz的飞秒激光脉冲的光谱相位,测量精度在0.1 rad以内.根据测量结果,利用液晶空间光调制器对该飞秒激光脉冲进行相位补偿,得到了近似傅里叶变换极限的飞秒激光脉冲.这一装置将在多光子显微成像、脉冲整形、飞秒激光光谱学等众多领域发挥重要作用.     

飞秒激光改性6H-碳化硅晶体表面光电导增益现象研究

半绝缘6H型碳化硅(6H-SiC)具有高电阻率性质,在可见光照射下进行光电导测量时,通常光生电流很小;然而经过飞秒激光辐照改性之后,发现在可见光波段的光电导有明显的增益.本文利用紫外-可见-近红外吸收谱、X射线光电子能谱和发光光谱测量分析了激光改性之后碳化硅样品的光谱吸收、发射和晶体元素比例变化情况.分析认为碳化硅光电导增益的原因是飞秒激光辐照过程改变了碳化硅表面的硅碳元素的原子浓度比,形成新的物质结构形式,从而导致了表面光电导性能的提高.