飞秒激光在玻璃和半导体表面诱导微结构

摘要

随着飞秒激光技术的发展，它已广泛应用在化学、生物医学、微电子、光通讯、光信息以及精密加工等领域。在研究化学反应动力学过程、控制化学反应过程、操控并微加工生物细胞、制备芯片实验室、制备各种功能器件以及光全息存储等诸多方面都有重要进展。在本论文中，我们利用飞秒激光相干的方法在玻璃表面制备了一维和二维周期结构；利用单束飞秒激光在玻璃和半导体材料表面诱导出自组装周期结构；同时对飞秒激光与材料作用的机理进行了分析。
　　提出利用同源共面三光束相干在玻璃表面制备一维周期结构。我们利用同源共面三光束相干在玻璃表面制备了深槽和浅槽交替排列的光栅—M状光栅，所制备结构的周期与理论计算结果一致，而且通过调节三束光的能量比可以调节M状光栅的形状。我们还利用同源共面三光束相干的光路研究了同源预脉冲对双光束编码光栅的影响，发现随着预脉冲延迟时间的增大，双光束编码的光栅的深度逐渐减小，最后趋于稳定。我们认为预脉冲起到了预先在材料中产生电子的作用，后续的激光作用直接对电子进行增殖，预脉冲加强了激光与材料相互作用的强度，降低了材料的刻蚀阈值。
　　利用同源非共面三光束相干制备了二维周期结构。周期结构呈六角形格子分布，我们推导了二维六角形格子的周期，定义了反映六角形格子形状的拉长比，研究了二维六角形格子的周期以及拉长比随三束光的相干角以及角度差的变化。在大能量激光辐照下，在激光辐照区观察到了划痕孔和帽子孔结构，我们认为划痕孔结构是由激光的相干增强点处形成的冲击波向外传输诱导等离子体膨胀产生的，而帽子孔结构则是冲击波向材料内传输诱导硅酸盐玻璃产生的溶化和相爆炸，熔化和喷溅的材料在划痕孔中堆积形成的。
　　通过单点多脉冲辐照重火石玻璃，在其上诱导了自组装周期结构。我们在激光辐照区观察到两种周期结构，平行于激光偏振方向的自组装结构的周期随激光脉冲能量和脉冲数的增加而增大，而在垂直于激光偏振方向的自组装周期结构的周期始终保持不变。我们认为平行于激光偏振方向的周期结构是由激光脉冲产生的强的温度梯度和电场驱动融化材料产生对流滚动，之后材料冷却再凝固形成的；而垂直于激光偏振方向的结构则是由空间局域离子云库仑爆炸至空气中以及后续的表面重组形成的。
　　在重火石玻璃上制备大尺度均匀自组装周期结构。根据单点多脉冲辐照实验中垂直于激光偏振方向组装的光栅的周期不随激光脉冲能量和脉冲数变化的特点，我们通过点点重叠扫描的方式制备了大尺度均匀的自组装光栅结构，并研究了激光的辐照参数对制备大尺度均匀光栅的影响。发现高光子流辐照区易于形成粗糙光栅结构，而低光子流辐照区则易于形成精细光栅结构。我们提出了一个模型来解释激光脉冲能量、辐照脉冲数以及相邻点间距对制备大尺度均匀光栅的影响。
　　在硅表面制备条纹结构和纳米粒子。利用单束飞秒激光在硅表面诱导了条纹结构和纳米粒子。所诱导的条纹结构的周期小于入射激光波长并随激光脉冲数的增多而逐渐减小，我们认为条纹结构是飞秒激光与表面等离子体相干形成的，而且飞秒激光激发半导体硅呈金属性质使得诱导的条纹结构的周期小于入射激光波长，而条纹结构周期的减小则是电子数密度的减小造成的。我们在辐照区观察到的纳米粒子则可能是飞秒激光与硅作用过程中产生的冲击波的作用下形成的。

目录

飞秒激光在玻璃和半导体表面诱导微结构

Fabrication of microstructures on Glass and Semiconductor by Femtosecond laser

摘要

Abstract

Contents

第1章

第1章 绪 论

1.1 引言

1.2.1 写入光波导

1.2.2 制备微光栅

1.2.3 制备光子晶体

1.2.4 制备微流通道

1.2.5 飞秒激光诱导自组装微纳结构

第2章 同源共面三光束相干在玻璃表面诱导一维 周期结构

2.1 引言

2.2 同源共面三光束相干诱导微结构

2.3 同源预脉冲对双光束编码光栅的影响

2.4 本章小结

第3章 同源非共面三光束相干在玻璃表面诱导二维 周期结构

3.1 引言

3.2 非共面三光束相干的原理

3.3 同源非共面三光束相干的实验研究

3.4 非共面三光束相干的理论分析

3.5 微结构的表面形貌随脉冲能量和相干角的变化

3.6 本章小结

第4章 单束飞秒激光在玻璃表面诱导周期结构

4.1 引言

4.2 飞秒激光诱导周期表面结构的实验装置

4.3 飞秒激光单点自组装周期结构的研究

4.4 大尺度自组装周期结构的研究

4.5 自组装周期结构随激光偏振方向的变化

4.6 激光成角度入射制备大尺度精细微结构

4.7 本章小结

第5章 单束飞秒激光在半导体硅表面诱导条纹结构和纳米粒子

5.1 引言

5.2 飞秒激光在半导体硅表面诱导条纹结构及机理分析

5.3 飞秒激光在半导体硅表面诱导纳米粒子结构及机理分析

5.4 偏振方向对激光诱导条纹结构的影响

5.5 相邻脉冲对激光诱导条纹的影响

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间所发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致谢

个人简历