賈　鑫

(上海電機(jī)學(xué)院 數(shù)理教學(xué)部, 上海 201306)

偏振調(diào)節(jié)的飛秒激光三光束干涉制備微納復(fù)合周期結(jié)構(gòu)

賈鑫

(上海電機(jī)學(xué)院 數(shù)理教學(xué)部, 上海 201306)

摘要飛秒激光照射材料表面，能夠誘導(dǎo)遠(yuǎn)小于激光波長(zhǎng)的納米周期結(jié)構(gòu)。采用飛秒激光三光束干涉技術(shù)，并簡(jiǎn)單地旋轉(zhuǎn)偏振片調(diào)節(jié)三束光的偏振方向，在ZnO晶體表面制備了3種不同類型的微納復(fù)合周期結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由長(zhǎng)周期微米結(jié)構(gòu)以及短周期納米結(jié)構(gòu)組成。理論計(jì)算結(jié)果表明，光束間不同的偏振組合能夠?qū)е虏煌墓鈴?qiáng)及偏振分布，這很好地解釋了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。該方法使偏振成為影響干涉的一個(gè)重要因素，在激光納米加工具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞飛秒激光; 三光束干涉; 偏振調(diào)節(jié); 微納復(fù)合周期結(jié)構(gòu)

在材料表面制備周期結(jié)構(gòu)能夠有效地改善材料光學(xué)、電學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等物理特性，故其受到越來越廣泛的關(guān)注。目前，已有多種技術(shù)用于制備二維、三維周期結(jié)構(gòu)，如膠體分子自組裝、激光直寫技術(shù)以及激光干涉技術(shù)等。由于激光干涉技術(shù)工藝簡(jiǎn)單且成本低廉，目前已廣泛地應(yīng)用于二維及三維微米、納米周期結(jié)構(gòu)的制備[1-6]。然而，這一方法制備的結(jié)構(gòu)缺乏多樣性，固定的光束分布只能得到特定的周期花樣[3]。

飛秒激光照射某些半導(dǎo)體、金屬、電介質(zhì)后，能夠在材料表面及內(nèi)部誘導(dǎo)遠(yuǎn)小于激光波長(zhǎng)的納米結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)周期約為(1/2～1/10)λ[7-15]。一般而言，圓偏振激光誘導(dǎo)納米顆粒結(jié)構(gòu)，線偏振激光誘導(dǎo)垂直于偏振方向的納米條紋結(jié)構(gòu)[15]。這就提供了一種簡(jiǎn)易的方法，能有效地突破激光加工的衍射極限，在激光微納加工、光子晶體及表面等離子體等方面具有巨大的應(yīng)用潛力。目前，國際上已有研究小組提出利用表面等離機(jī)元的物理模型來解釋飛秒激光誘導(dǎo)納米周期結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理[7-10]，但仍有許多新的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不斷涌現(xiàn)，還需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)與理論研究。

本文將三光束干涉技術(shù)與飛秒激光誘導(dǎo)納米結(jié)構(gòu)相結(jié)合，簡(jiǎn)單地旋轉(zhuǎn)偏振片調(diào)節(jié)三束光的偏振方向，在ZnO晶體表面制備了3種類型的微納復(fù)合周期結(jié)構(gòu)；理論計(jì)算了激光三光束干涉的光強(qiáng)分布與偏振分布，所得結(jié)果能夠很好地解釋納米結(jié)構(gòu)的變化。

1實(shí)驗(yàn)裝置

偏振調(diào)節(jié)的飛秒激光三光束干涉的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。如圖所示，使用BS1、BS2兩片分束片將射出的飛秒激光脈沖分為能量、偏振相同的3束光A、B、C。通過時(shí)間延遲線(DL1、DL2)調(diào)節(jié)光束B、C的光程，使3束光A、B、C同時(shí)照射在樣品表面O點(diǎn)處。利用3個(gè)波片分別調(diào)節(jié)3束光A、B、C的偏振方向。三光束飛秒脈沖的時(shí)間零點(diǎn)由BBO產(chǎn)生的和頻信號(hào)確定。3束光A、B、C的空間位置分布如圖1中右上角插圖(虛線P處的側(cè)視圖)所示，3束光呈正三角形排列，任意兩光束的夾角為13.6°。實(shí)驗(yàn)使用的飛秒激光器為Spectra-Physics公司生產(chǎn)的鈦寶石再生放大激光器(Hurricane)。輸出的飛秒激光參數(shù)如下： 中心波長(zhǎng)800nm，脈沖寬度50fs，重復(fù)頻率1～1000Hz 可調(diào)，單脈沖能量0.8mJ。

圖1　實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1　Experimental setup

實(shí)驗(yàn)所用材料為ZnO晶體，表面積100mm2，厚度1mm，雙面光學(xué)拋光。將ZnO晶體置于計(jì)算機(jī)控制的三維移動(dòng)平臺(tái)上以調(diào)節(jié)飛秒激光在樣品表面的照射位置。照射后的樣品先后置于去離子水、酒精中超聲清洗10min，以去除樣品表面的殘留碎屑。樣品表面微納復(fù)合周期結(jié)構(gòu)由掃描電子顯微鏡表征。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

圖2所示為偏振相同的飛秒激光三光束干涉制備ZnO晶體表面的微納復(fù)合周期結(jié)構(gòu)，圖2(b)為圖2(a)中黑框部分放大后的圖像，三光束偏振組合如圖2(b)右上角插圖所示。飛秒激光照射后，樣品表面出現(xiàn)了呈正六邊形周期排列的燒蝕坑，相鄰兩燒蝕坑的距離約為3.6μm。與此同時(shí)，圖2(b)中顯示每個(gè)微米燒蝕坑上出現(xiàn)了遠(yuǎn)小于激光波長(zhǎng)的短周期納米條紋結(jié)構(gòu)，條紋周期約為160nm，條紋方向與激光的偏振方向相垂直，這是由飛秒激光誘導(dǎo)形成的。

轉(zhuǎn)動(dòng)偏振片調(diào)節(jié)激光偏振組合，使三束光的偏振方向夾角成120°，如圖3(b)右上角插圖所示。偏振調(diào)節(jié)后，飛秒激光三光束干涉在材料表面制備了完全不同的圓環(huán)狀微納復(fù)合周期結(jié)構(gòu)，如圖3所示。由圖3(a)可見，材料表面分布有正六邊形狀的凸起圓斑，周期為3.6μm。與此同時(shí)，每個(gè)圓斑上出現(xiàn)了圓環(huán)狀分布的納米條紋結(jié)構(gòu)(見圖 3(b))，在每個(gè)凸起圓斑周圍的6個(gè)點(diǎn)上出現(xiàn)了納米顆粒結(jié)構(gòu)(見圖3(b)中白色圓圈)。條紋周期與顆粒直徑約為160nm。

圖2　三光束干涉制備二維微納復(fù)合周期結(jié)構(gòu)Fig.2　Two-dimensional complex periodic micro-nanostructures fabricated by three-beam interference

圖3　圓環(huán)狀微納復(fù)合周期結(jié)構(gòu)Fig.3　Annular complex periodic micro-nanostructures

進(jìn)一步轉(zhuǎn)動(dòng)偏振片調(diào)節(jié)偏振組合，使三束光的偏振方向夾角成60°(見圖4(b)右上角插圖)，圖4(a)給出了此時(shí)飛秒激光三光束干涉在材料表面制備的放射狀微納復(fù)合周期結(jié)構(gòu)。由圖4(a)可見，材料表面分布周期為3.6μm的正六邊形的凸起圓斑。與此同時(shí)，每個(gè)圓斑上的納米條紋呈放射狀分布(見圖4(b))，在每個(gè)凸起圓斑周圍的6個(gè)點(diǎn)上也出現(xiàn)了納米顆粒結(jié)構(gòu)。條紋周期與顆粒直徑約為160nm。

由此可見，通過簡(jiǎn)單地旋轉(zhuǎn)偏振片調(diào)節(jié)三束光的偏振方向，能夠得到各種類型的微納復(fù)合周期結(jié)構(gòu)。為了解釋這一現(xiàn)象，本文利用Matlab軟件編程，理論模擬了三光束干涉的強(qiáng)度分布及偏振分布。圖5給出了偏振夾角為120°時(shí)三光束干涉的實(shí)驗(yàn)及理論結(jié)果。圖5(a)為一個(gè)正六邊形周期的凸起圓斑的掃描電鏡圖片，圖5(b)為相同實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)應(yīng)圖5(a)的理論計(jì)算結(jié)果。圖5(b)中的光強(qiáng)分布花樣呈正六邊形，周期為3.5μm，這與圖5(a)中正六邊形長(zhǎng)周期微米結(jié)構(gòu)相吻合。由于飛秒激光誘導(dǎo)納米結(jié)構(gòu)的形狀是由光的偏振所決定的。一般而言，圓偏振飛秒激光誘導(dǎo)納米顆粒結(jié)構(gòu)，線偏振光誘導(dǎo)垂直于偏振方向的納米條紋結(jié)構(gòu)，橢圓偏振光誘導(dǎo)垂直于橢圓長(zhǎng)軸方向的短納米條紋[15]。圖5(b)中的線條表示干涉光場(chǎng)上不同位置的偏振情況。每個(gè)圓斑周圍的6個(gè)光強(qiáng)最強(qiáng)點(diǎn)上的光場(chǎng)為圓偏振光，誘導(dǎo)圖5(a)相應(yīng)的位置出現(xiàn)納米顆粒結(jié)構(gòu)；光場(chǎng)在正六邊形的3條對(duì)稱軸上為線偏振光，偏振方向如圖中雙箭頭直線所示，在圖5(a)的相應(yīng)位置出現(xiàn)了垂直于偏振方向的納米條紋結(jié)構(gòu)；其余位置為橢圓偏振光，誘導(dǎo)短小的納米條紋，條紋垂直于橢圓的長(zhǎng)軸方向，形成了圓環(huán)狀的條紋結(jié)構(gòu)。

圖4　放射狀微納復(fù)合周期結(jié)構(gòu)Fig.4　Radial complex periodic micro-nanostructures

圖5　三光束干涉的實(shí)驗(yàn)及理論計(jì)算圖Fig.5　Experimental and theoritical images of three-beam interference

本文還模擬了偏振夾角為60°時(shí)三光束干涉的光強(qiáng)及偏振分布，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4，理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)相吻合。實(shí)驗(yàn)與理論結(jié)果表明，偏振調(diào)節(jié)的飛秒激光干涉技術(shù)能夠在材料表面制備花樣繁多的微納復(fù)合周期結(jié)構(gòu)。長(zhǎng)周期微米花樣取決于激光干涉場(chǎng)的光強(qiáng)分布，而偏振分布決定了短周期納米花樣。

3結(jié)語

本文采用飛秒激光三光束干涉技術(shù)，調(diào)節(jié)三束光的偏振方向，在ZnO晶體表面制備了花樣繁多的微納復(fù)合周期結(jié)構(gòu)。理論計(jì)算表明，長(zhǎng)周期微米花樣是由干涉光強(qiáng)分布所決定的，而短周期納米花樣取決于干涉偏振分布。這一方法使偏振成為決定干涉花樣的一個(gè)重要因素，極大地增強(qiáng)了激光干涉技術(shù)的靈活多樣性，在激光微納加工、高密度光存儲(chǔ)以及光子晶體等方面都具有廣闊的應(yīng)用前景。

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Complex Peiriodic Micro-Nanosturctures Fabricated by Polarization-Controlled Interference of Three Femtosecond Laser Beams

JIA Xin

(Department of Mathematics and Physics, Shanghai Dianji University, Shanghai 201306, China)

AbstractPeriodic nanostructures can be induced after irradiation of a femtosecond laser on the material surface. Three types of complex periodic micro-nanostructures on ZnO crystal are fabricated by three-beam interference of femtosecond laser after rotation of polarization plates to adjust polarization orientations. The micro-nanostructures are composed of long-periodic microstructures and short-periodic nanostructures. Theoretical calculation indicates that the different polarization combinations lead to distinct interferential intensity patterns and polarization patterns. They agree well with experimental results. This method makes polarization an important factor in interference, and has potential applications in femtosecond laser nanofabrication.

Keywordsfemtosecond laser; three-beam interference; polarization adjustment; complex periodic micro-nanostructure

收稿日期：2016-03-12

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(11104178)；上海市教育委員會(huì)科研創(chuàng)新項(xiàng)目資助(14YZ156)；上海電機(jī)學(xué)院基礎(chǔ)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目資助(12XKJC01)

作者簡(jiǎn)介：賈鑫(1981-)，男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)榧す馕⒓庸?，E-mail： jiaxin@sdju.edu.cn

文章編號(hào)2095-0020(2016)02-0117-04

中圖分類號(hào)O 436.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A