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近年来,微纳米结构对光场调制的现象已经吸引了越来越多的关注,特别是当物体尺寸与光波波长相当或者更小时(波长亚波长的微观纳米级结构),光场分布不再满足传统几何光学,衍射极限对于光的限制将降低,从而允许光制造与光加工在对物体进行纳米级别上的表征和改性。通过对近场光学的应用将有望从纳米尺寸扩展到更宽的范畴,这对材料的激光可控制造技术的发展非常有意义。研究和掌握光场调制规律是关键,分析激光辐照下波长亚波长尺度所导致的远场-近场光学演变现象是掌握该规律的基础。本论文,研究了采用波长-亚波长尺度电介质微纳小球对入射激光光场的调制规律,同时利用该规律实现了材料表面微结构的激光可控制备,并分析了相关工艺条件对微结构尺寸、形貌的作用影响。 论文首先从理论上分析和研究了电介质微纳小球在一定波长条件下的近场增强效应。在这一部分中,主要利用了两种理论模型:米氏散射理论和颗粒界面效应。利用基于有限时域差分计算(FDTD)的软件对电介质微纳小球的近场增强效应进行模拟分析,分析了三种光学范围下(几何光学范围、近场光学范围和散射范围)球体对一定波长入射光的调制规律,同时还分析了不同入射光参数对近场增强效应的影响。并利用近场光学效应,将使用直径为0.5μm、1.0μm和1.5μm的透明球形微粒,通过自组装的方式形成二维密排结构,采用KrF准分子激光(λ=248nm)在氧化铟锡(ITO)薄膜表面进行单脉冲辐照实验。通过扫描电镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)分析评价辐照后样品表面微结构的质量,验证得出大多数情况下,实验结果与仿真结果吻合良好。 综上所述,本文获得了三点有价值的研究成果:1、本课题针对波长-亚波长尺度(尺寸、形状及阵列排布)条件下,研究了光波在波长-亚波长结构中光场发生光调制、光增强的规律和机理,分析确定了光场场强分布规律与波长-亚波长尺度的关系。对未来开展激光可控加工研究具有科学指导性。2、本课题提出的波长-亚波长尺度对激光作用光场的调制规律研究,可不受金属材料自由电子表面震荡的限制,可适用于包括氧化物等非金属材料更宽泛的范围。3、基于本课题研究所提出的波长-亚波长结构对激光光场调制规律而提出的材料表面激光可控制备方法,在ITO薄膜上获得了排列规则的周期性刻蚀孔阵列微结构。本文对近场增强效应和表面诱导三维结构的研究进行了有意义的探索,研究结果丰富了微纳米尺度激光可控表面加工工艺内容,并为该技术的未来发展提供一定的科学性参考。