铁基非晶金属表面深亚波长结构的飞秒激光可控制备研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 被引量 : 0次 | 上传用户:sunwen_fly
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微纳米结构制造技术旨在通过高精度微纳米结构加工为材料与器件赋予特殊的功能,现已成为全球科技竞争的制高点,也是衡量一个国家高端制造与先进制造能力的标准之一。飞秒激光凭借其超短脉宽与超高峰值功率的独特优势从众多加工方法中脱颖而出,被普遍用于各种材料表面改性、3D打印、微纳米结构的复合加工。与传统光刻制造方法类似,激光加工过程中的光学衍射问题不可避免,这从根本上限制了微纳米结构制造的精度。幸运的是,基于飞秒激光的表面周期结构诱导产生技术给出了相应的解决方案,它有能力在一个聚焦光斑范围内同时实现多个亚波长或者深亚波长甚至十分之一入射激光波长周期微纳米结构制造,从而极大减小了对光斑聚焦尺寸的依赖。然而,深亚波长量级的表面微纳米结构产生仍存在结构形貌单一、规整性差、可控性低与形成机理不明确等问题,这极大束缚了微纳米结构功能器件的实际应用。为此,我们针对铁基非晶金属表面深亚波长周期结构的飞秒激光诱导产生技术进行了深入的实验与理论研究,力争将其推上一个新台阶。针对以上问题,本论文提出了一种基于电磁波调控的飞秒激光诱导产生周期结构技术,实现了铁基非晶金属表面超规整、多形貌、高可控、高效率深亚波长量级周期结构的制造,深入讨论了结构形成中所涉及的多种物理机制,为可控规整深亚波长飞秒激光诱导产生技术奠定坚实的理论与技术基础。主要研究内容概括如下:(1)针对铁基非晶金属表面飞秒激光诱导产生深亚波长周期条纹结构的不规整形成现象,我们深入分析了结构形成归因于表面波激发的物理根源,并提出通过引入表面预制微槽的高相干表面波激发效应,实现了一维深亚波长周期条纹结构的规整制造。不仅如此,我们还研究发现通过合理选择预制结构参数可以有效调控一维深亚波长周期表面结构的形成数目,最终获得了宽度约为118 nm的单根纳米线产生。(2)为突破飞秒激光诱导产生深亚波长结构形貌单一的局限性,我们通过调整入射激光偏振方向引入预制微槽边缘的散射效应,一步实现了二维深亚波长周期纳米结构链的制造。通过探究激光参数与微槽尺寸对结构形成的影响,我们掌握了规整结构多维度操控的关键技术。为摆脱预制微槽对结构形成的限制,我们在实验上通过采用光斑能量分布更均匀的柱面镜线聚焦,实现了大面积规整二维深亚波长结构的制造。(3)我们在实验上自主搭建了一个时空调制飞秒激光加工系统,基于有限尺度微结构的光场局域效应,实现了规整可控的深亚波长光栅-孔洞周期混合结构制造,阐明了激光通量对结构形成的影响,掌握了结构形貌操控的核心技术,理论揭示了混合结构形成的深层物理机制,并且初步探索了这种特殊表面结构在近场光学增强领域内的潜在应用。
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