【摘要】：自從飛秒雷射出現後,超短脈衝雷射與物質的相互作用就引起了廣泛的關注。在此過程中,出現了許多引人注目的現象,例如飛秒脈衝誘導短週期奈米結構,其週期遠小於雷射波長。
這在突破衍射極限的微光學器件製備、材料改性及二維平板顯示等方面具有廣闊的應用前景。但其形成機制仍然是乙個讓人困擾的問題。雷射干涉刻蝕技術是製備一維光柵結構、二維、三維光子晶體的一種成熟而有效的方法。
由於飛秒雷射超短、超強的特性,雷射干涉刻蝕技術有了更廣闊的發展空間。本文重點研究了飛秒脈衝在半導體材料zno表面誘導奈米結構的機理,並將這種方法與多光束干涉技術相結合,在多種半導體表面製備出了多種花樣的週期奈米圖案。其主要內容如下：
(1)飛秒脈衝在zno晶體表面誘導奈米結構的週期隨脈衝能量、照射脈衝數變化。但在一定的雷射強度範圍內,經過大量飛秒脈衝的照射,其週期都趨近於λ/2n,n為材料折射率,λ為雷射波長。本文提出了一種新的模型解釋飛秒脈衝誘導奈米結構的形成機理,認為在奈米條紋的形成過程中,樣品應分為上下兩層分別討論。
表層直接與光相互作用,不同的脈衝能量及照射脈衝數下形成了不同的條紋結構；在內層中,由於飛秒雷射照射過程中的非線性吸收及雪崩電離過程而產生了大量的奈米等離子體,介電常數隨雷射引數而變化,這些奈米等離子體對入射光具有散射作用。散射光相互作用而逐漸形成了強烈的駐波場,從而誘導形成規則的奈米條紋結構。當表層被燒蝕剝離後,露出了內層的對比度高的、缺陷少的奈米條紋結構。
利用有限元法模擬計算了不同脈衝能量密度下表層結構及駐波場的形成過程,並很好的解釋了實驗結果。(2)將飛秒脈衝誘導奈米結構與雙光束干涉結合,在半導體表面製備了二維週期結構。由於雙光束干涉的強度分布對奈米條紋長度的限制作用,得到了週期性更好的規則奈米條紋結構,並有望應用於微光柵製備上。
此外,改變雷射引數,在飛秒脈衝能量較大的情況下,雙光束干涉能在半導體表面製備一種新的結構-亞微公尺孔陣列。通過研究亞微公尺孔隨照射脈衝數的演化過程可以知道,亞微公尺孔是由雷射誘導的長週期條紋演化形成的。雙光束干涉在此過程中具有非常重要的作用,其光強週期分布限制了長週期條紋在長度方向生長,使之隨著雷射脈衝的照射只能加深、加寬,最終形成了亞微公尺孔。
進一步研究發現亞微公尺孔陣列能引起zno晶體在寬譜範圍內的吸收增強。理論模擬發現,zno表面結構的mie散射效應導致了反射率的降低,雷射燒蝕所致晶格結構的破壞在透射率降低的過程中起著重要作用,從而引起了吸收增強。這些結果可應用於提高太陽能的利用效率。
(3)將飛秒脈衝誘導奈米結構與多光束干涉技術相結合,我們利用三光束、四光束干涉技術在多種半導體表面製備了奈米-微公尺復合週期結構。在不同的光束間夾角及偏振組合情況下,在多種半導體表面製備得到了多種多樣的奈米復合週期結構。通過改變雷射的偏振組合,使干涉花樣與奈米花樣發生變化,雷射偏振成為影響干涉的乙個重要因素,增加了多光束干涉的多樣性和靈活性。
我們理論計算了多光束干涉場的強度分布與偏振分布,很好地解釋了奈米復合週期結構的形成。在此基礎上我們進一步研究了奈米復合週期結構的光致發光增強。拍攝的顯微發光**說明了其在二維顯示方面具有巨大的應用潛力。
(4)在飛秒雷射照射znse樣品的部分燒蝕斑上發現了激射現象,但這一現象出現的偶然性較大,可能是由於表面不均勻導致漫反射引起的,其研究意義在於微型雷射器製造。下一步將研究激射的形成機制以及如何變化雷射引數以控制激射的產生。【關鍵詞】：
奈米週期結構奈米-微公尺復合週期結構飛秒雷射多光束干涉半導體發光增強吸收增強亞微公尺孔陣列激射
【學位授予單位】：華東師範大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2010
【分類號】：tn241;o436
【目錄】：摘要6-8abstract8-13第一章緒論13-271.1引言131.
2飛秒雷射技術的發展及其應用13-181.3飛秒雷射誘導奈米結構概述18-231.4多光束干涉刻蝕技術概述23-261.
5本**工作內容26-27第二章飛秒雷射誘導奈米週期結構的物理機制27-432.1引言272.2國內外研究現狀27-282.
3實驗裝置28-312.3.1雷射打靶系統28-292.
3.2幫浦浦-探測系統29-302.3.
3樣品介紹30-312.4實驗結果討論31-372.4.
1飛秒雷射脈衝誘導短週期奈米條紋31-362.4.2幫浦浦-探測實驗結果36-372.
5理論模擬37-422.5.1理論模型介紹37-382.
5.2奈米條紋形成過程的理論模擬38-422.6本章總結42-43第三章利用飛秒雷射雙光束干涉製備半導體表面二維週期結構及其應用43-673.
1引言433.2雙光束干涉實驗裝置43-443.3雙光束干涉製備二維奈米週期結構44-553.
3.1不同夾角下飛秒雷射雙光束干涉45-523.3.
2不同波長飛秒雷射雙光束干涉52-533.3.3二維奈米週期結構的應用53-553.
4雙光束干涉製備亞微公尺孔陣列及其吸收增強55-633.4.1實驗結果討論55-603.
4.2吸收增強的理論模擬60-633.5飛秒雷射加工znse產生激射現象63-663.
6本章總結66-67第四章飛秒雷射多光束干涉製備半導體表面奈米復合週期結構及其應用67-1054.1引言674.2製備週期結構的方法介紹67-704.
3多光束干涉製備週期結構的實驗介紹及結果討論70-934.3.1三光束干涉製備奈米復合週期結構70-884.
3.2四光束干涉製備奈米復合週期結構88-934.4奈米復合週期結構形成的理論計算93-994.
5奈米復合週期結構的應用99-1044.6本章總結104-105第五章總結與展望105-1075.1研究成果總結及創新點1055.
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