強場誘導(dǎo)微納結(jié)構(gòu)的表征和功能化.pdf

1、進入21世紀(jì)以來，信息技術(shù)的發(fā)展和人們對于寬帶網(wǎng)絡(luò)需求的增長對信息傳播技術(shù)提出了更高的要求。以光子或光電子做為信息載體的集成光路取代集成電路成為未來發(fā)展的方向。集成光路技術(shù)的發(fā)展首先要解決的問題是如何將各種光功能微納結(jié)構(gòu)高精度、高效率的的復(fù)合在玻璃等基板材料上。近幾年，研究人員發(fā)現(xiàn)，利用強場可以在基板材料表面和內(nèi)部誘導(dǎo)各種光功能微納結(jié)構(gòu)，這將極大地促進集成光路技術(shù)的發(fā)展。
　　本文針對強場誘導(dǎo)微納結(jié)構(gòu)的表征和相關(guān)功能演示進行了研究

2、。主要采用兩種強場:高重復(fù)頻率飛秒激光，以及聚焦電子束。利用這兩種強場，我們在玻璃基板表面及內(nèi)部誘導(dǎo)了多種微納結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)研究了各種微納結(jié)構(gòu)的性能和形成機理，并且演示了這些微納結(jié)構(gòu)在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用。本文的主要研究成果和結(jié)論如下:
　　1、在透明玻璃內(nèi)部利用高重復(fù)頻率飛秒激光照射誘導(dǎo)析出了銅納米顆粒。對銅納米顆粒的形貌，尺寸和空間分布進行了表征。研究了銅納米顆粒摻雜的玻璃材料的光學(xué)性能，并且演示了在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用。對銅納米顆粒析出的機

3、理進行了探索，認(rèn)為是飛秒激光照射過程中多種非線性效應(yīng)引起的光還原以及高溫?zé)釄鲎饔孟裸~原子的遷移和團聚導(dǎo)致的。研究了銅納米顆粒的析出位置對飛秒激光誘導(dǎo)的熱場分布的依賴性。同時，還觀察到析出的銅納米顆粒在高重復(fù)頻率飛秒激光的二次照射過程中的擦除現(xiàn)象。利用高重復(fù)頻率飛秒激光照射制備的銅納米顆粒摻雜的玻璃材料可以應(yīng)用于具有超快響應(yīng)速度的光開光等光學(xué)元器件以及三維激光彩色內(nèi)雕產(chǎn)品中。
　　2、利用高重復(fù)頻率飛秒激光照射在玻璃表面及內(nèi)部誘導(dǎo)微

4、突起和微通道結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)研究了微突起結(jié)構(gòu)的形貌和尺寸對飛秒激光照射參數(shù)及照射方式的依賴性。對微突起結(jié)構(gòu)形成的機理進行了研究，認(rèn)為是玻璃材料對飛秒激光脈沖能量的線性吸收和非線性吸收共同作用的結(jié)果。利用高重復(fù)頻率飛秒激光直寫技術(shù)在玻璃內(nèi)部誘導(dǎo)了微通道結(jié)構(gòu)。采用羅丹明酒精溶液做為熒光標(biāo)記物質(zhì)，對微通道結(jié)構(gòu)的尺寸和連通性等性能進行了表征，證明微通道結(jié)構(gòu)長度可控，直徑均勻，連通性好。利用高重復(fù)頻率飛秒激光照射制備的微突起結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用于微透鏡等光學(xué)元

5、件領(lǐng)域，而微通道結(jié)構(gòu)則可以應(yīng)用于微型全分析系統(tǒng)。
　　3、系統(tǒng)研究了高重復(fù)頻率飛秒激光照射在不同玻璃體系內(nèi)部誘導(dǎo)的元素重新分布現(xiàn)象。在硅酸鹽玻璃內(nèi)，觀察到了玻璃網(wǎng)絡(luò)形成離子和玻璃網(wǎng)絡(luò)改性離子在激光照射區(qū)域內(nèi)相對含量的變化。對其形成機理進行了分析，認(rèn)為是這些離子在飛秒激光誘導(dǎo)的高溫?zé)釄龅淖饔孟乱圆煌乃俾氏蛲膺w移造成的。并且首次觀察到離子的遷移和富集出現(xiàn)在溫度低于玻璃熔化溫度(Tm)的區(qū)域。在碲酸鹽玻璃中，觀察到了新奇的元素重新分布

6、現(xiàn)象。在飛秒激光照射區(qū)域內(nèi)，各種玻璃組分的相對含量沒有發(fā)生變化，而玻璃材料的密度卻發(fā)生了變化。我們認(rèn)為碲酸鹽玻璃中含有的[TeO4]和[TeO3]等微小的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)單元是造成這種現(xiàn)象的根本原因。利用高重復(fù)頻率飛秒激光照射誘導(dǎo)元素重新分布，我們可以對玻璃材料內(nèi)部微區(qū)的光學(xué)性能等進行空間選擇性操控，這對于制備光波導(dǎo)等光學(xué)元器件具有重要的意義。
　　4、利用聚焦電子束刻蝕法，我們在玻璃基板表面制備了金納米結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)研究了金納米結(jié)構(gòu)的尺寸、

7、形貌、表面等離子體共振性能以及金納米結(jié)構(gòu)周圍電場強度的分布情況。利用原子層沉積方法在金納米結(jié)構(gòu)表面沉積了Al2O3薄膜，研究了表面等離子共振峰峰位、峰強對Al2O3薄膜厚度的依賴性。將曙紅Y染料復(fù)合在金納米結(jié)構(gòu)及Al2O3薄膜表面，系統(tǒng)研究了曙紅Y分子熒光強度和熒光量子效率增強倍數(shù)對Al2O3薄膜厚度的依賴性。發(fā)現(xiàn)在1nmAl2O3薄膜存在的情況下，熒光增強效果最好。對其機理進行了探討，認(rèn)為金屬引起的熒光淬滅效應(yīng)和金納米結(jié)構(gòu)表面等離子效