超短脈沖激光誘導(dǎo)產(chǎn)生亞波長周期結(jié)構(gòu)的研究.pdf

1、激光誘導(dǎo)材料破壞一直是激光與物質(zhì)相互作用領(lǐng)域的一個研究重點(diǎn)，蘊(yùn)涵著豐富的物理意義。在這個領(lǐng)域，激光誘導(dǎo)表面周期微結(jié)構(gòu)是一個普遍的現(xiàn)象，一般認(rèn)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(yīng)用，一種周期明顯小于激光波長的新條紋結(jié)構(gòu)引起了人們的廣泛關(guān)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(xiàn)有的理論定量推導(dǎo)出來；這種條紋朝向的強(qiáng)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(jié)構(gòu)的出現(xiàn)表明超短脈沖激光誘導(dǎo)產(chǎn)生納米結(jié)構(gòu)可以作為一種新的納米結(jié)構(gòu)制備技術(shù)。但由于存在技術(shù)上的瓶頸，這種方法無法被廣泛應(yīng)用。因此，對這種條紋的形成及其物理機(jī)制進(jìn)行深入研究，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)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(dǎo)產(chǎn)生亞波長周期結(jié)構(gòu)的物理現(xiàn)象，重點(diǎn)關(guān)注兩個方面：超短脈沖激光誘導(dǎo)亞波長結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制，以及用飛秒激光燒蝕直接制備大面積均勻納米結(jié)構(gòu)的新方法。本論文主要的研究內(nèi)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(jié)構(gòu)的新技術(shù)。首先，利用兩束激光交替燒蝕的技術(shù)，首次實現(xiàn)了對激光誘導(dǎo)條紋結(jié)構(gòu)形貌的控制，在ZnO表面獲得了規(guī)則的納米方塊結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步，我們提出并實現(xiàn)了飛秒激光大面積制備納米結(jié)構(gòu)的新技術(shù)。通過高效的掃描方法并調(diào)控激光脈沖的波長、能量、偏振等條件，成功實現(xiàn)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(jié)構(gòu)，并研究了各種加工條件對形成的納米結(jié)構(gòu)質(zhì)量的影響

4、，揭示了影響結(jié)構(gòu)形貌的關(guān)鍵因素。經(jīng)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(jié)構(gòu)的改變而呈現(xiàn)不同的光譜特征。這種新技術(shù)具有效率高、通用性強(qiáng)、環(huán)保等的優(yōu)點(diǎn)，并克服了以往激光燒蝕制備微納結(jié)構(gòu)過程中的二度污染問題，在光電子領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。 (2)首次系統(tǒng)研究了在半導(dǎo)體、金屬以及寬帶隙材料上飛秒激光制備的大面積微納結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性。實驗結(jié)果證實了這種微納結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性與其表面形貌的強(qiáng)依賴關(guān)系——表面微納結(jié)構(gòu)的尺度，表面

5、形貌的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以及表面的粗糙度等形貌特征決定了結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性。在合適的輻照能量密度下，飛秒激光制備的微納結(jié)構(gòu)可以在可見及近紅外光譜區(qū)達(dá)到很低的反射率，表明這種制備方法在太陽能光電池領(lǐng)域有著重要的應(yīng)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(xiàn)了若干深亞波長結(jié)構(gòu)的新現(xiàn)象，提出了相關(guān)新機(jī)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(xiàn)如下：在皮秒激光的輻照下深亞波長結(jié)構(gòu)同樣可以出現(xiàn)；在飛秒激光的

6、輻照下石墨及金剛石表面出現(xiàn)了相似的深亞波長條紋結(jié)構(gòu)；在石墨上的深亞波長結(jié)構(gòu)具有多周期現(xiàn)象等。基于上述發(fā)現(xiàn)，提出了關(guān)于深亞波長條紋形成機(jī)制的新機(jī)制：材料表面的高激發(fā)態(tài)(接近破壞閾值激光輻照導(dǎo)致大量自由電子)決定了表面的光學(xué)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(jī)制。上述機(jī)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(zhì)相互作用的認(rèn)識。 (4)通過對電介質(zhì)、半導(dǎo)體及導(dǎo)體上超短脈沖激光形成的近亞波長條紋結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)研究，明確了這種條紋的“非經(jīng)典”特征，并進(jìn)一步確認(rèn)了這種條紋形成的新機(jī)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(shù)、電子密度、以及電子碰撞時間的方法?；?/p>

8、于該模型的數(shù)值模擬與實驗結(jié)果符合得很好。這個模型可以給激光誘導(dǎo)近亞波長條紋的現(xiàn)象提供一個完整的物理圖像，同時也將促進(jìn)對激光誘導(dǎo)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(dǎo)亞波長周期結(jié)構(gòu)的物理現(xiàn)象進(jìn)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(xiàn)的飛秒激光燒蝕制備大面積微納結(jié)構(gòu)的新技術(shù)，為激光大規(guī)模制備納米材料的技術(shù)開辟了新的途徑，在新型光電器件領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。另一方面，本論文對超短脈沖