飛秒矢量光場空間調控及其在微納加工中的應用.pdf

1、隨著現代高科技的發(fā)展，飛秒激光微納結構加工技術的應用也越來越廣泛。飛秒激光由于具有超短脈沖持續(xù)時間和超高峰值功率，極大地抑制了激光加工過程中熱擴散的負面作用，即飛秒激光具有獨特的“冷加工”方式，適合于激光超精細加工。飛秒激光微納加工在微電子學、微反應器以及其他微型設備加工工藝上具有潛在的應用價值。
　　偏振態(tài)作為光的基本參數之一，一直是科研前沿熱點之一。矢量光場是近年來提出的新概念，其具有空間偏振態(tài)非均勻分布特性，為研究光與物質相

2、互作用提供一種嶄新手段，也導致一些新特性、新現象和新效應的產生。但是，由于受到生成技術等方面因素的制約，目前相關的研究工作才剛剛開始。在所有的研究之中，飛秒矢量光場應用于激光微納加工逐漸受到人們的重視。到目前為止，關于激光微納加工的絕大部分研究均建立于空間均勻偏振光源，傳統(tǒng)光源加工出來的微結構樣式單一，這嚴重制約了微納加工的研究進展?；陲w秒矢量光場的獨特性質和在微納加工領域的潛在利用價值，本論文專注于飛秒矢量光場的生成并將其應用于微納

3、加工的實驗和理論研究，并從以下幾個方面分別進行討論:
　　1.通過波前整形方法，將計算機生成的全息光柵加載到純相位空間光調制器上，經4f系統(tǒng)變換生成空間偏振態(tài)任意分布的飛秒矢量光場。分析生成的飛秒矢量光場空間偏振態(tài)分布以及飛秒激光脈沖時域上的特性，并提出使用傳統(tǒng)單脈沖自相關儀測量飛秒矢量光束脈沖寬度的方法，并討論該飛秒矢量光場生成裝置對激光脈沖寬度的影響，從實驗上對光學元件進行優(yōu)化設計，從而消減實驗裝置對脈沖的展寬效果。另外，研究

4、了通過該實驗裝置生成一些偏振態(tài)分布復雜的飛秒矢量光束，如具有一類多階貝塞爾函數形式等。
　　2.理論分析了飛秒激光在材料表面誘導生成自組織周期光柵結構的物理機制。討論了利用飛秒激光在材料表面通過非線性光電離和雪崩電離激發(fā)自由載流子密度達到臨界密度，并在材料表面形成等離子體的物理過程。闡釋了飛秒激光在材料表面誘導表面等離子體激元，入射光與表面等離子體干涉的物理模型。該模型指出由于飛秒激光激發(fā)的表面等離子體波具有縱向分量，其傳輸方向和

5、電場方向與入射光的空間偏振方向相同，入射光與表面等離子體波干涉使得自由載流子在表面形成周期性分布，自由電子從表面出射后形成的正電荷區(qū)由于庫侖爆炸作用導致最終周期光柵結構的形成。這種觀點較好地解釋了激光誘導自組織亞波長周期光柵結構的形成。
　　3.利用飛秒矢量光場在焦場的光強以及偏振態(tài)分布區(qū)別于均勻偏振光的特性，從偏振態(tài)調控出發(fā)，研究不同偏振態(tài)分布的脈沖激光在材料表面的加工結果。當激光能量密度達到材料損傷閾值并誘導生成亞波長周期光柵

6、結構，其光柵取向垂直于入射激光的偏振方向。本文中，通過調控焦場偏振態(tài)的二維分布在半導體硅表面誘導生成不同空間分布的二維亞波長周期光柵結構。理論分析了其光柵微結構形成過程及與激光能量密度的關系。另外，根據金屬材料的高熱導率和熱擴散特性，利用銅材料實驗分析多脈沖激光作用材料生成光柵結構的過程中，分析多脈沖激光加工微結構的物理過程。闡釋一級布拉格散射在多脈沖激光誘導亞波長周期光柵結構過程中的重要作用。
　　4.利用該實驗裝置對單光束進行