金属表面亚波长光栅结构的激光制备及机理研究

摘要

由于飞秒激光具有超短的脉冲持续时间和极高的峰值功率，使得其在材料的微纳结构制备以及超快过程的时间分辨研究中有着非常广泛的应用。本论文主要对近红外超短脉冲激光在金属表面诱导产生亚波长周期性条纹结构的特性进行了研究，并且通过对金属钨、铝等不同材料表面形成周期性结构的对比分析，探索其中影响条纹结构质量的可能原因。另外，我们基于泵浦-探测原理和全息成像方法实验研究了飞秒激光与金属及非晶合金作用过程中材料表面光学性质开始发生瞬态变化的响应时间。主要内容安排如下：
　　 (1)利用飞秒激光在金属钨表面诱导产生亚波长周期性条纹结构，实验研究了激光脉冲参数如能量、个数、持续时间等对条纹结构周期和深度的影响关系，获得了条纹结构形成所需的窗口条件。随后，我们通过重点考虑激光作用过程中表面电子的发射和材料瞬态光学特性的变化，在理论上提出了由空气-等离子体层-金属组成的“三明治式”物理模型，对实验结果进行了合理解释。
　　 (2)实验研究了不同偏振态的入射飞秒激光对金属表面周期性条纹结构方向的影响，发现了当入射激光为线偏振时，条纹结构方向始终与激光的电场方向垂直；而当入射激光改变成左(右)旋椭圆偏光时，条纹结构方向随之发生顺(逆)时针方向转动，但转动最大角度为±45度。
　　 (3)实验研究了飞秒激光在金属铝、铜表面诱导产生亚波长周期性条纹结构的物理现象，并通过对铝、铜、钨等三种不同金属材料物理特性进行对比，探索分析了材料物化性能对表面亚波长量级条纹结构的形成及质量的影响。
　　 (4)利用泵浦-探测的时间分辨方法研究了飞秒激光与金属以及非晶合金作用的超快速物理过程，实验测量了材料表面光学特性发生改变的临界时间及其随激光通量的变化关系，并且发现这一时间依赖于材料的物理特性。