超快激光近场加工技术的研究

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作为一种新型的激光加工技术,飞秒激光微细加工具有亚微米的加工分辨率、低热损伤等技术特点。随着科学技术的发展,对飞秒激光微加工技术提出了更高的要求。其中的一项任务是进一步提高飞秒激光的加工精度,突破100nm加工分辨率瓶颈。可采取的方法包括:将激光入射到金属探针的表面,利用探针尖端的近场场增强对材料进行加工;采用纳米小孔形成纳米级的光源;利用准周期金属微结构控制出射光束的质量等等。本文采取了飞秒激光与原子力显微镜结合的实验方案,对飞秒激光的超高分辨率加工进行了实验和机理研究。并探讨了用倍频飞秒激光和H形纳米孔进行微加工的可行性。 本文首先介绍几种常用的电磁场分析的方法,如:多重多极子展开法(MMP),格林函数方法,有限元法(FEM),对这几种方法进行了比较,然后详细地说明时域有限差分法的原理和在计算中需要注意的几个问题。其次,基于Veeco AuroraⅢ原子力显微镜实验平台,搭建了反射式的飞秒激光近场加工系统,利用金探针实现了对PMMA材料的纳米加工,形成了纳米线和字母。用时域有限差分法对激光入射金探针的散射光场进行了数值分析,比较了不同形状探针的场增强,为优化实验奠定了理论基础。再次,对非常规H形平面纳米孔的光学传输特性进行了研究,将其与其它形状的纳米孔进行了比较,探讨了它的波导传播特性,出射光强的峰值随孔厚度的变化,以及表面等离子体的影响。针对400nm波长设计了可同时获得纳米级分辨率和高传输效率的H形孔。最后,对飞秒激光高分辨加工技术的发展进行了总结和展望。
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