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。     

激光诱导薄膜材料二维图案化纳米加工技术(特邀)EI北大核心CSCD

激光诱导周期性表面结构(Laser-Induced Periodic Surface Structures,LIPSS)是一种在激光辐照下自发生成的超衍射极限结构,但其结构类型较为单一。提出了一种新型的二维图案化激光纳米加工方法,通过同时利用激光诱导的热效应及表面等离激元干涉,在正交的两个方向上分别形成褶皱和LIPSS两种周期性结构。这种方法仅通过单步辐照就能在薄膜材料表面生成二维褶皱LIPSS,从而丰富LIPSS的结构类型。同时,通过调整加工材料的膜厚或基底,以及改变入射激光波长或角度,可以分别调制二维纳米结构在两个正交方向上的周期。此外,通过激光偏振也可以调控该结构的取向。该方法能够进一步拓宽基于LIPSS的可加工表面纳米结构的种类及应用。     

纳秒激光诱导光学元件后表面损伤过程中的爆炸流场及喷溅行为

紫外光学元件损伤动力学的研究是关联物质微观结构演化与光学元件宏观性质变化的重要纽带。在光学元件后表面损伤坑形成的过程中,激光能量沉积导致材料爆炸形成高温高压物质突破表面,并伴随形成爆炸流场和喷溅射流。爆炸流场与初始起爆强度具有强关联性,对爆炸流场及喷溅行为进行研究,可以帮助分析损伤初期的材料状态变化和响应机制,是损伤动力学研究的必需环节。基于多种时间分辨成像技术,捕获了损伤发展前期的材料电离和气化响应演化行为,分析了材料损伤起爆后气化电离等过程的弛豫时间,并确定各个行为转化的关键时间节点,描述了损伤区域能量快速释放的物理过程。     

光学超材料的制备方法与参数提取

在光学超材料研究过程中,其微观结构的控制制备技术至关重要。综述了国内外在光学超材料制备方法方面的大致发展历程。重点介绍了二维光学超材料的制备技术,并分析对比了各种经典制备方法的优缺点。在二维光学超材料制备方法基础上,进一步叙述了三维光学超材料的传统制备和新的研究制备方法。简要介绍了均匀介质光学超材料的介电常数、磁导率、折射率和阻抗等有效电磁参数的提取过程。     

超高时空分辨光电子显微镜的研究进展(特邀)

新型光电材料、磁性材料、低维量子材料等是目前凝聚态物理的研究前沿,其在微纳尺度的近场光学动力学具有丰富的物理内涵和广阔的应用前景。飞秒激光的超高时间分辨与光电子显微镜的超高空间分辨结合为一种超高时空分辨测量技术,为材料物理、表面物理等研究注入了新的活力,提供了强有力的平台。本文介绍了超高时空分辨光电子显微镜,讨论了其在金属表面等离激元动力学、低维材料等新型半导体材料动力学、材料异质结界面动力学等方面的应用和研究进展,最后展望了其在飞秒-纳米尺度表面和界面物理研究的应用前景。     

扫描方向对金属和硅复合薄膜表面激光诱导自组织加工质量的影响(特邀)EI北大核心CSCD

激光诱导周期性表面结构的质量可通过调整激光参数、改善材料表面和优化扫描策略等手段来提高。研究了扫描方向对线偏振激光诱导金属/硅复合薄膜表面氧化LIPSS的影响。结果表明,当扫描方向垂直于激光偏振方向时,纳米结构会出现分叉、不连续等问题;当扫描方向平行于激光偏振方向时,纳米结构呈现短程有序,但在光斑拼接处存在扭曲;而当扫描方向与激光偏振方向存在一定夹角时,容易获得长程均匀有序的周期性纳米结构。数值仿真结果表明造成这些现象的原因是近场效应对自组织过程具有不可忽略的影响。     

激光拉曼光谱在气体水合物研究中的应用

天然气水合物是一种重要的潜在能源。用激光拉曼光谱法表征气体水合物能够为研究水合物形成机理和开采方法提供重要信息。系统介绍了激光拉曼光谱法的基本原理,综述了激光拉曼光谱仪在气体水合物微观表征上的各种实际应用。通过激光拉曼测试可分析水合物气体组成、推测结构类型,再利用经验公式或者相对定量法可计算出其大/小笼的气体占有率和水合数;利用原位拉曼技术可以观测水合物形成和分解的微观过程,解析气体分子进入和离开笼子的进程、进行水合物形成和分解过程中气体浓度变化及水合物形成过程中气体溶解度的测定,辨识水合物系统中的相变过程,进而研究水合物形成和分解动力学;激光拉曼光谱法还可用于研究超高压条件下气体水合物的结构及其变化过程。原位拉曼光谱能够对深海天然气水合物及其环境在原位进行表征;利用拉曼成像技术可以对水合物晶体表面进行系统测定,探求气体组分在晶体表面的分布。随着激光拉曼技术的发展及与其他设备联用水平的提高,激光拉曼光谱仪向便携,高灵敏度发展,能够更广泛深入地进行气体水合物微观研究。     

激光薄膜吸收损耗控制研究进展

激光技术的不断发展对激光薄膜的光学性能、激光损伤阈值、机械性能等提出了越来越高的要求。具有低吸收损耗的激光薄膜在强激光、精密测量等领域有十分重要的应用。从电子束蒸发和离子束溅射沉积工艺、薄膜材料两个方面,对激光薄膜在吸收损耗控制方面的研究进展进行综述,详细介绍了制备过程中多个环节对薄膜吸收损耗的调控方法,以及单一材料和混合物薄膜的吸收机理、吸收调控方法。     

原子层厚度超表面光场调控原理及应用

超表面由亚波长尺度二维人工微结构构成,可以实现对光场振幅、相位、偏振等多参量进行调控,为光场调控提供了优良平台.二维材料作为一种新型层状结构材料,相对于三维体材料有着十分独特的光学和电学特性,其与超表面结合为纳米尺度平面光学器件的发展提供了新的可能.本文综述了基于原子层厚度的二维材料超表面发展,介绍了多种二维材料超表面...     

慢正电子束流技术在金属/合金微观缺陷研究中的应用

正电子湮没谱学技术是研究材料微观结构非常有效的一种核谱学分析方法, 主要用于获取材料内部微观结构的分布信息, 特别是微观缺陷结构及其特性等传统表征方法难以获取的微观结构信息. 近年来, 在慢正电子束流技术快速发展的基础上, 正电子湮没谱学技术在薄膜材料表面和界面微观结构的研究中得到了广泛应用. 特别是该技术对空位型缺陷的高灵敏表征能力, 使其在金属/合金材料表面微观缺陷的形成机理、缺陷结构特性及其演化行为等研究方面具有独特的优势. 针对材料内部微观缺陷的形成、演化机理以及缺陷特性的研究, 如缺陷的微观结构、化学环境、电子密度和动量分布等, 正电子湮没谱学测量方法和表征分析技术已经发展成熟. 而能量连续可调的低能正电子束流, 进一步实现了薄膜材料表面微观结构深度分布信息的实验表征. 本文综述了慢正电子束流技术应用研究的最新进展, 主要围绕北京慢正电子束流装置在金属/合金材料微观缺陷的研究中对微观缺陷特性的表征和表面微观缺陷演化行为的应用研究成果展开论述.     

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     

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。     

脉冲激光辐照硅材料引起表面波纹的特性研究

叙述了激光与材料相互作用过程中引起相干受激光散射的机制,以及形成材料表面波纹的特性。在激光波长1．06μm、能量15mJ、光斑直径2mm、脉冲半峰全宽约10ns和入射方向为布儒斯特角的条件下,进行了脉冲激光辐照硅材料形成表面波纹的实验研究。在脉冲激光辐照硅材料表面功率密度略大于材料损伤阈值的条件下,发现了硅材料表面形成的平行等间距直线条纹结构。用光学显微镜和原子力显微镜分别测量了被辐照硅材料表面的波纹形貌特征。在假设硅材料表面波纹的产生与声波在材料中的传播速度有关的条件下,由声波传播速度和激光辐照硅材料的脉冲宽度较好地解释了材料表面形成条纹的宽度．并认为在形成表面波纹的过程中,热应力起主要作用。     

激光安全与防护

叙述了激光与材料相互作用过程中引起相干受激光散射的机制,以及形成材料表面波纹的特性。在激光波长1.06拌m、能量15 mJ、光斑直径2 mm、脉冲半峰全宽约10ns和人射方向为布儒斯特角的条件下,进行了脉冲激光辐照硅材料形成表面波纹的实验研究。在脉冲激光辐照硅材料表面功率密度略大于材料损伤闭值的条件下,发现了硅材料表面形成的平行等间距直线条纹结构。用光学显微镜和原子力显微镜分别测量了被辐照硅材料表面的波纹形貌特征。在假设硅     

镀膜元件面形变化的时间效应和湿度效应

 对镀制强激光薄膜的光学元件在外界环境中时,表面面形发生的变化进行了研究。理论分析了表面面形的变化机制,明确水致应力具有物理和化学两种形成机制,是改变镀膜元件面形的主要因素;实验研究了镀制激光高反膜的K9材料元件存放过程中面形变化趋势,发现这种趋势变化具有时间效应和湿度效应。     

基于等离激元纳米结构非线性响应的超快光开关及脉冲激光器

非线性光学作为现代光学的一门重要分支,在各个领域都有着重要的研究意义和应用价值.然而,受限于材料固有的非线性极化率和与外来光场的有限作用长度,其非线性光学响应很弱.等离激元纳米结构可以将外来光场束缚在纳米结构周围,在光谱共振局域空间内形成一个巨大的电磁场增强,从而极大地促进光与物质的相互作用,提高了非线性光学响应.超快脉冲激光由于其优异的性能已经广泛应用于光通信、精密测量、生物医学、军用激光武器等重要领域,虽然商用的激光器已经发展得非常成熟,可以达到超高的峰值功率、超短的脉宽以及超高的重频,但是在中远红外波段的超快脉冲研究仍然是一个缺口,所以寻找一种性能优异的可饱和吸收体材料对于脉冲激光的发展具有重要的意义.本文综述了基于贵金属和非贵金属的等离激元纳米结构在超快光开关和脉冲激光方面的应用进展.很多宽禁带半导体,通过掺杂可以表现出类似金属的性质,由于掺杂可以形成自由载流子,当其尺寸在纳米尺度时,就会表现出局域表面等离激元共振的特性,从而实现超快的非线性光学响应,并且掺杂的载流子浓度不能达到金属载流子的浓度,可以有效减小过高载流子引起的带间损耗.通过泵浦探测和Z扫描测试发现,这些等离激元纳米结构在红外波段表现出超快的非线性光学响应以及宽带可调的性质,可以产生几百飞秒量级的脉冲激光,表明它们在超快光子学领域有很大的应用前景.最后总结了不同体系等离激元材料的优势和不足,展望了未来的发展和需要改进的工作.     

非线性光学超构表面

在线性光学范畴内,人们已经通过亚波长尺度的超薄超构表面成功实现了对光的众多新颖特性的调控功能.其主要理念是通过对具有亚波长尺度且空间方向变化的超构功能基元进行特定的排列,从而实现对光的偏振、相位和振幅的有效控制.近来,超构表面上的非线性光学特性也引起了大家的广泛关注.在本综述中,我们对非线性光学超构表面的设计、超构功能单元的材料和对称性选择、非线性手性光学、非线性贝里几何相位和非线性波前整形等内容进行了总结;最后对非线性光学超构表面在调控光与物质的相互作用中面临的挑战和前景进行了展望.     

正电子湮没谱学研究半导体材料微观结构的应用进展

<正>电子湮没谱学技术在研究材料微观缺陷、微观结构方面有着独特的优势,尤其是在针对阳离子空位等负电性空位型缺陷的研究中,可以获取材料内部微观缺陷的种类与分布的关键信息.正电子湮没寿命和多普勒展宽能谱是正电子湮没谱学的最基本的分析方法,在半导体材料的空位形成、演化机理以及分布等研究方面能够发挥独特的作用;此外,慢正电子束流技术在半导体薄膜材料的表面和多层膜材料的界面的微观结构和缺陷的深度分布的研究中有广泛的应用.通过正电子技术所得到的微观结构和缺陷、电子密度和动量分布等信息对研究半导体微观结构、优化半导体材料的工艺和性能等方面有着指导作用.本文综述了正电子湮没谱学技术在半导体材料方面的应用研究进展,主要围绕正电子研究平台在半导体材料微观缺陷研究中对材料的制备工艺、热处理、离子注入和辐照情况下,各种缺陷的微观结构的表征及其演化行为的研究成果展开论述.     

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.     

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.