基于微纳光栅结构的飞秒激光加工应用研究

摘要

飞秒激光加工形成各种微纳米结构在光子晶体、光存储、微光电器件等领域具有光明的应用前景。本文的研究目标是针对飞秒激光加工微纳光栅结构的应用进行分析。着重分析了利用圆偏振飞秒激光加工形成彩色金属的独特之处。当改变入射光照射角度，色彩表面颜色在不同的复合色之间过渡，色泽有明暗变化，在慢慢变化观测角度时颜色图案变化并不明显。
　　飞秒激光加工微纳光栅结构也可以应用与光电器件上。提出依据飞秒激光加工微纳光栅结构结合表面等离子效应进行器件性能增强。对具有纳米光栅结构辅助的MSM光电探测器进行了理论分析并建立模型，随后根据FDTD solutions对结构进行仿真，分析了金属光栅占空比、金属光栅厚度以及亚波长孔径间距三个参数对于探测器性能的影响。本文的主要研究内容如下:
　　根据实验需要搭建一套完整的飞秒激光加工系统，介绍相关时域有限差分法的理论以及FDTD Solutions软件的仿真步骤。
　　通过搭建的飞秒激光加工系统在在金属铁和不锈钢表面加工出微纳结构，SEM观察金属表面的加工区域，线偏振飞秒激光在金属表面形成了纳米量级的NC-LIPSS，可看做光栅结构，圆偏振飞秒激光处理后的表面纳米结构则以金属光栅和纳米颗粒为主，并根据该结构在FDTD solutions软件中分析了不同光栅结构的吸收性能。然后着重分析了圆偏振飞秒激光处理铁表面色彩的结果，证明了圆偏振激光在制备结构色上具有一定的独特之处。
　　根据飞秒激光可以加工微纳光栅结构的特性，将其应用与光电探测器的制作上。对通过铝纳米光栅辅助的SPPs增强的金属·半导体-金属光电探测器进行结构设计与优化。通过理论分析、建立模型和仿真分析，对金属光栅占空比、金属光栅厚度、亚波长孔径间距三个参数对于探测器性能的影响做出分析。所设计的结构，即亚波长孔径间距xw保持在50nm，有源层厚度hs保持在30nm，金属光栅厚度hg保持在120nm，光栅占空比DC=0.4，即为实验模型最佳的器件结构参数。优化的铝纳米光栅辅助基于表面等离子体激元的金属-半导体-金属光电探测器在900nm光波段大约获得15％光反射因子。该结果对高吸收纳米光子器件的设计和制造提供了指导。

目录

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摘要

插图清单

第一章 绪论

1．1 飞秒激光的加工特点与应用

1．1．1 飞秒激光加工特点

1．1．2 飞秒激光的主要应用

1．2 飞秒激光金属表面着色研究现状

1．3 飞秒激光诱导加工微纳光栅与应用

1．3．1 飞秒激光诱导加工微纳光栅的研究现状

1．3．2 亚波长光栅应用于MSM光电探测器的研究现状

1．4 论文内容安排

第二章 飞秒激光实验加工系统及仿真软件介绍

2．1 实验加工系统与装置

2．1．1 飞秒激光实验加工系统

2．1．2 实验装置

2．2 仿真软件FDTD Solutions

2．2．1 时域有限差分法(FDTD)

2．2．2 FDTD Solutions软件介绍

2．3 本章小结

第三章 圆偏振飞秒激光制备铁表面结构及色彩分析

3．1 飞秒激光在金属表面制作微纳光栅结构

3．2 基于FDTD的不同金属表面光栅陷光性能研究

3．2．1 结构设计与数学模型

3．2．2 仿真实验及分析

3．3 圆偏振飞秒激光加工纯铁样品结果与分析

3．4 白光照射样品表面不同色彩对比分析

3．5 光谱分析铁表面色彩变化

3．6 本章小结

第四章 基于亚波长金属光栅结构的MSM光电探测器的结构优化设计

4．1 表面等离子体相关理论

4．1．1 金属色散模型

4．1．2 金属-介质界面激发表面等离子体

4．1．3 金属-介质-金属色散模型

4．1．4 金属-介质-金属的亚波长狭缝折射率

4．2 增强MSM-PD吸收性能两种机制

4．3 金属-半导体-金属光电探测器结构与模型建立

4．4 铝纳米光栅辅助的MSM光电探测器的参数优化与分析

4．4．1 金属光栅占空比对探测器性能的影响

4．4．2 金属光栅厚度对探测器性能的影响

4．4．3 亚波长孔径间距对探测器性能的影响

4．5 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文