基于激光場(chǎng)分布的納秒激光誘導(dǎo)亞波長(zhǎng)條紋機(jī)理的研究.pdf

1、激光輻照實(shí)驗(yàn)中經(jīng)?？梢杂^察到各種周期性條紋結(jié)構(gòu)，一種周期突破光衍射極限的具有類似光柵結(jié)構(gòu)的亞波長(zhǎng)周期性條紋，引起了研究者們的廣泛興趣。這種條紋目前只在飛秒及少數(shù)皮秒激光燒蝕試驗(yàn)中被觀察到，由于納秒激光輻照材料損傷是熱作用主導(dǎo)的，普遍認(rèn)為納秒激光不能刻蝕出亞波長(zhǎng)條紋結(jié)構(gòu)。但是在溶膠凝膠法制備的二氧化硅顆粒結(jié)構(gòu)中，通過(guò)納秒激光輻照，實(shí)現(xiàn)了亞波長(zhǎng)條紋結(jié)構(gòu)的刻蝕。該工藝的實(shí)現(xiàn)將亞波長(zhǎng)條紋的激光刻蝕拓展到納秒激光范圍，將有助于促進(jìn)亞波長(zhǎng)周期性條紋

2、激光刻蝕加工產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。
　　基于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，本文結(jié)合納秒激光損傷機(jī)理，借鑒飛秒激光刻蝕理論，根據(jù)經(jīng)典的麥克斯韋方程，建立了納秒激光刻蝕亞波長(zhǎng)條紋的理論分析模型。重點(diǎn)分析激光場(chǎng)分布在損傷過(guò)程中的變化情況，尤其是損傷微坑形貌與尺寸發(fā)展對(duì)激光場(chǎng)分布的實(shí)時(shí)影響。通過(guò)有限元分析軟件COMSOL模擬了不同薄膜結(jié)構(gòu)和不同激光波長(zhǎng)下，亞波長(zhǎng)條紋形成過(guò)程中薄膜的激光場(chǎng)分布。分析了不同薄膜結(jié)構(gòu)，不同激光波長(zhǎng)下，亞波長(zhǎng)周期性條紋的微觀結(jié)構(gòu)及條紋周期，

3、初步探索了納秒激光之所以能夠刻蝕出亞波長(zhǎng)周期性條紋的機(jī)理。
　　亞波長(zhǎng)條紋結(jié)構(gòu)形成的初期，顆粒結(jié)構(gòu)起了很重要的作用。在激光輻照下，顆粒結(jié)構(gòu)的介電常數(shù)會(huì)發(fā)生變化，同時(shí)由于顆粒散射作用促使局域表面等離子體的形成，并誘導(dǎo)形成周期性的場(chǎng)分布。這種周期性的場(chǎng)分布刻蝕玻璃基，在玻璃基上形成周期性凹槽。凹槽形成之后，光柵輔助的SP-laser干涉是主導(dǎo)的機(jī)制。整個(gè)過(guò)程中條紋周期主要取決于入射激光的波長(zhǎng)和材料的介電常數(shù)。
　　數(shù)值模擬結(jié)果表

4、明，納秒激光輻照所形成的條紋結(jié)構(gòu)中:1）多孔SiO2結(jié)構(gòu)在納秒激光輻照初期能夠形成局域的強(qiáng)場(chǎng)分布;2）條紋結(jié)構(gòu)形成的初期，顆粒的尺寸對(duì)激光場(chǎng)分布的影響不是很大;3）納秒激光形成的條紋結(jié)構(gòu)取向基本一致，且垂直于偏振方向，并且所形成的條紋周期與入射激光的波長(zhǎng)有直接的聯(lián)系;4）條紋結(jié)構(gòu)的周期與材料的介電常數(shù)有關(guān)，而材料的介電常數(shù)與材料的電離度有關(guān)，也就是說(shuō)條紋結(jié)構(gòu)的周期取決于激光的能量密度。
　　本文研究的結(jié)果對(duì)強(qiáng)激光材料學(xué)科的發(fā)展有一