超短脈沖激光誘導產生亞波長周期結構的研究.pdf

1、激光誘導材料破壞一直是激光與物質相互作用領域的一個研究重點，蘊涵著豐富的物理意義。在這個領域，激光誘導表面周期微結構是一個普遍的現象，一般認為是由入射激光與表面散射光的干涉引起的。近年，隨著超短脈沖激光在燒蝕研究中的應用，一種周期明顯小于激光波長的新條紋結構引起了人們的廣泛關注。但到目前為止，這種深亞波長條紋的起源仍未清楚：這種條紋的周期不能由現有的理論定量推導出來；這種條紋朝向的強偏振依賴性的起因也尚不明確。另一方面，這種深亞波長微納

2、結構的出現表明超短脈沖激光誘導產生納米結構可以作為一種新的納米結構制備技術。但由于存在技術上的瓶頸，這種方法無法被廣泛應用。因此，對這種條紋的形成及其物理機制進行深入研究，具有重要的科學意義和應用價值。 在本論文中，我們系統(tǒng)地研究了超短脈沖激光在多種材料上誘導產生亞波長周期結構的物理現象，重點關注兩個方面：超短脈沖激光誘導亞波長結構的形成機制，以及用飛秒激光燒蝕直接制備大面積均勻納米結構的新方法。本論文主要的研究內容及創(chuàng)新性成果

3、如下： (1)發(fā)展了一種可制備具有特定形貌的大面積均勻納米結構的新技術。首先，利用兩束激光交替燒蝕的技術，首次實現了對激光誘導條紋結構形貌的控制，在ZnO表面獲得了規(guī)則的納米方塊結構。進一步，我們提出并實現了飛秒激光大面積制備納米結構的新技術。通過高效的掃描方法并調控激光脈沖的波長、能量、偏振等條件，成功實現了在ZnO、ZnSe及石墨的表面制備大面積納米光柵、納米顆粒及納米方塊結構，并研究了各種加工條件對形成的納米結構質量的影響

4、，揭示了影響結構形貌的關鍵因素。經過加工后，材料表面的光電特性發(fā)生了顯著改變，并可隨納米結構的改變而呈現不同的光譜特征。這種新技術具有效率高、通用性強、環(huán)保等的優(yōu)點，并克服了以往激光燒蝕制備微納結構過程中的二度污染問題，在光電子領域具有廣闊的應用前景。 (2)首次系統(tǒng)研究了在半導體、金屬以及寬帶隙材料上飛秒激光制備的大面積微納結構的光學特性。實驗結果證實了這種微納結構的光學特性與其表面形貌的強依賴關系——表面微納結構的尺度，表面

5、形貌的拓撲結構，以及表面的粗糙度等形貌特征決定了結構的光學特性。在合適的輻照能量密度下，飛秒激光制備的微納結構可以在可見及近紅外光譜區(qū)達到很低的反射率，表明這種制備方法在太陽能光電池領域有著重要的應用前景。 (3)通過對超短脈沖激光燒蝕寬帶隙材料及碳材料的系統(tǒng)研究，發(fā)現了若干深亞波長結構的新現象，提出了相關新機制，揭示了深亞波長條紋偏振依賴以及周期性的起源。重要的發(fā)現如下：在皮秒激光的輻照下深亞波長結構同樣可以出現；在飛秒激光的

6、輻照下石墨及金剛石表面出現了相似的深亞波長條紋結構；在石墨上的深亞波長結構具有多周期現象等?；谏鲜霭l(fā)現，提出了關于深亞波長條紋形成機制的新機制：材料表面的高激發(fā)態(tài)(接近破壞閾值激光輻照導致大量自由電子)決定了表面的光學特性；腔模以及表面等離子體激元(Surfaceplasmons(SPs))的TM波特性是深亞波長條紋偏振依賴性的起源；表面等離子體激元的干涉形成的駐波決定了深亞波長條紋的初始周期；條紋凹槽中發(fā)生的納米尺度庫侖爆炸是這種條

7、紋形成的主要燒蝕機制。上述機制的提出對理解深亞波長條紋的形成有重要幫助，同時也加深了對超短脈沖激光與物質相互作用的認識。 (4)通過對電介質、半導體及導體上超短脈沖激光形成的近亞波長條紋結構的系統(tǒng)研究，明確了這種條紋的“非經典”特征，并進一步確認了這種條紋形成的新機制——起源于初始的直接SP—laser干涉及之后的光柵輔助SP—laser耦合。另外，首次提出了一個可以獲得高激發(fā)表面的介電常數、電子密度、以及電子碰撞時間的方法?；?/p>

8、于該模型的數值模擬與實驗結果符合得很好。這個模型可以給激光誘導近亞波長條紋的現象提供一個完整的物理圖像，同時也將促進對激光誘導深亞波長條紋的理解。 綜上所述，本論文對超短脈沖激光誘導亞波長周期結構的物理現象進行了系統(tǒng)的研究，并取得了重要的創(chuàng)新研究成果。一方面，本論文提出并成功實現的飛秒激光燒蝕制備大面積微納結構的新技術，為激光大規(guī)模制備納米材料的技術開辟了新的途徑，在新型光電器件領域具有重要的應用價值。另一方面，本論文對超短脈沖