飞秒激光在晶体表面自组织生长微纳米结构的方法

摘要

本发明涉及一种利用飞秒激光在晶体表面诱导出自组织生长微纳米结构的新方法，属飞秒激光应用技术领域。本发明的特点是利用飞秒激光器系统装置来进行对不同晶体利用飞秒激光在其表面诱导出自组织生长长程纳米结构及对该结构的方向取向的控制定。该飞秒激光器系统产生的激光波长为800nm，脉冲宽度为120fs，重复频率为250KHz的飞秒激光，脉冲最大能量为6μJ，光强分布为高斯分布的线偏振光。通过扫描电子显微镜可看到该纳米结构分布在整个激光辐照区域；对于线偏振飞秒激光，还可看到具有周期性结构的纳米光栅。

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用飞秒激光在晶体表面自组织生长微纳米结构的方法，属飞秒激光应用技术领域。

背景技术

飞秒激光在不同领域内获得广泛应用，特别在晶体结构方面的研究。本发明为另一种特殊研究方式，即利用飞秒激光在不同晶体表面诱导出自组织生长微纳米结构。并利用激光系统进行检测和鉴定。

发明内容

本发明的目的是提供一种飞秒激光在晶体表面自组织生长微纳米结构的新方法。

本发明的一种飞秒激光在晶体表面自组织生长微纳米结构的方法，其特征在于：利用飞秒激光器系统，其波长为800nm，脉冲宽度为120fs，重复频率为250KHz的飞秒激光；从激光器再生放大器中发出激光的脉冲最大能量为6μJ，光强分布为高斯分布的线偏振光；利用中性滤色片连续调节激光能量，通过λ/4波片后为圆偏振光；然后通过起偏器调节激光的偏振方向；利用20倍显微物镜将激光全聚到晶体表面，用快门控制飞秒激光辐照时间，飞秒激光在所述晶体表面诱导出自组织生长长程纳米结构。

上述的线偏振飞秒激光垂直入射到晶体表面，根据激光光波与散射光波的干涉及用形成机理在晶体表面形成的光栅周期Λ为：$\Lambda =\frac{\lambda }{2n}$；式中Λ＝800nm，为激光波长；n为晶体对于波长为800nm光的折射率；通过改变激光的偏振方向调节周期性微纳米光栅结构的取向。

本发明利用扫描电子显微镜来观察飞秒激光辐照后晶体表面的纳米结构；另外，通过控制飞秒激光的能量和辐照脉冲个数、改变飞秒激光偏振的形态和方向，在激光焦点不动、三维精密平台以10μm/S沿X轴方向移动的条件下，检测在晶体表面自组织生长长程类布拉格纳米光栅结构和纳米颗粒结构。

关于本发明中所试验用的晶体锡化锌晶体和氧化锌晶体来说，锡化锌晶体的折射率n＝2.2；氧化锌晶体的析射率n＝2.52；按上式计算，其光栅周期Λ的理论值分别为179nm和159nm。

附图说明

图1为本发明的飞秒激光在晶体表面自组织生长微纳米结构方法系统装置图。

图中：1-飞秒激光器系统(美国相干公司，型号：RegA 9000)；激光波长为800nm，脉冲宽度为120fs，重复频率为250KHz飞秒激光，脉冲最大能量为6μJ，光强分布为高斯分布的线偏振光；2、3-800nm反射镜；4-中性滤色片；5-λ/4波片；6-起偏器；7-光阑；8-快门；9-双色反射镜；10-显微镜；11-晶体样品；12-计算机控制三维精密平台；13-CCD；14-数据采集系统。

图2是锡化锌晶体表面激光能量为1J/cm²激光辐照0.1s后焦斑区域纳米结构表面扫描电镜图，箭头表示飞秒激光的偏振方向。

图3是飞秒激光在锡化锌晶体表面自组织生长长程纳米结构(a)和纳米颗粒(b)的扫描电镜图。激光焦点不动、三维精密平台以10μm/s沿X轴方向移动、激光能量为1J/cm²。

图4是飞秒激光在锡化锌晶体表面自组织生长长程纳米结构的扫描电镜图，飞秒激光偏振方向E与平台移动方向S分别成0°(a)，45°(b)，90°(c)。

图5是飞秒激光在氧化锌晶体表面自组织生长长程纳米结构的扫描电镜图，飞秒激光偏振方向E与平台移动方向S分别成90°(a)，45°(b)，0°(c)。

具体实施方式

本发明实施例以锡化锌晶体和氧化锌晶体为试验样品。

实施例一：采用图1所示的装置，试验晶体为锡化锌晶体，其两面抛光，所采用的激光能量为1J/cm²，小于锡化锌晶体激光烧蚀阈值，激光辐照时间为0.1s，飞秒激光在锡化锌晶体表面自组织生长长程纳米结构；并按前述方式飞秒激光系统装置进行检测和鉴定。参见图2，从图2中可看到其纳米结构分布在整个激光辐照区域。对于线偏振飞秒激光，观察到具有周期性结构的纳米光栅，当改变飞秒激光的偏振方向时(图中箭头方向)，纳米光栅结构的取向也随之改变，参见图2(a)、图2(b)、图2(c)；其重复周期为160±10nm。对于圆偏振飞秒激光，观测到均匀的纳米颗粒，尺寸为150nm左右，参见图2(d)。

激光焦点不动，三维精密平台以10μm/S沿X轴方向移动，激光能量为1J/cm²，在锡化锌晶体表面自组织生长长程纳米结构，对于线偏振飞秒激光，自组织生长周期性长程纳米光栅结构可参见图3(a)，对于圆偏振飞秒激光，自组织生长周期性长程纳米光栅结构可参见图3(b)；改变飞秒激光的偏振方向，参见图4，自组织生长长程纳米光栅的取向随之而变化，当飞秒激光偏振方向E与平台移动方向S分别成0°、45°、90°时，自组织生长的长程纳米光栅的取向分别与平台移动方向垂直，参见图4(a)、45°倾斜，参见图4(b)、平行，参见图4(c)；其重复周期为160±10nm。

实施例二：试验晶体为氧化锌晶体，其两面抛光；检测时，激光焦点不动，三维精密平台以10μm/S沿X轴方向移动，激光能量为0.5J/cm²，小于氧化锌晶体激光烧蚀阈值；对于线偏振光，改变飞秒激光的偏振方向，自组织生长长程纳米光栅的取向随之而变化，当飞秒激光偏振方向E与平台移动方向S分别成90°、45°、0°时，自组织生长的长程纳米光栅的取向分别与平台移动方向平行，参见图5(a)、45°倾斜，参见图5(b)、垂直，参见图5(c)，其重复周期为180±10nm。