超快雷射誘導亞波長結構的納米光學特性研究

《超快雷射誘導亞波長結構的納米光學特性研究》是依託中國科學院上海光學精密機械研究所，由黃敏擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：超快雷射誘導亞波長結構的納米光學特性研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：黃敏
• 依託單位：中國科學院上海光學精密機械研究所

項目摘要

在雷射與物質相互作用的研究領域，雷射誘導破壞一直是一個非常活躍的研究方向。隨著飛秒雷射的廣泛套用，一個非常顯著的奇異現象引起了研究人員的濃厚興趣：強超短脈衝雷射輻照的區域常會出現亞波長周期結構。這種奇異現象無法用經典的散射波理論來解釋，它的出現蘊涵著雷射與物質作用過程中的一種新機制，與超短脈衝雷射的破壞機制有著重要的聯繫，但就目前而言其起源仍是一個懸而未決的問題。事實上，通過借鑑近十年引起廣泛關注的納米光學領域的新進展，可以清楚看到超快雷射誘導的亞波長結構具有明顯的納米光學特徵。這種基於納米光學的新研究思路，將會給超快雷射誘導亞波長結構起源的研究帶來重要啟發。在本課題中，我們擬通過系統的實驗研究對超快雷射誘導的各種亞波長結構的特性進行歸納，然後基於納米光學的原理對現象進行分析，並進一步建立一個清晰而完整的物理圖像，從而達到對超快雷射誘導固體材料破壞的物理機制更為全面而深入的認識。

結題摘要

過去十年，隨著超快雷射在雷射燒蝕領域的套用，誘導的各種奇異結構引起研究人員極大興趣，不僅是因其廣泛套用前景，更是因其豐富物理內涵。這些結構的亞波長特徵顯著偏離經典理論的預言，揭示飛秒雷射與固體作用的新機制。特別地，形成的孔隙可小到10nm尺度，強烈暗示在超深亞波長尺度雷射誘導破壞的新物理。在本研究中，通過借鑑近年納米光學領域新進展，特別是表面等離激元（SPs）相關新觀點，我們系統研究了超快雷射誘導亞波長結構所具有的顯著納米光學特徵，為各種亞波長結構的起源提供新見解。首先，研究了超快雷射誘導的不同尺度光柵的演化關係，特別是一種典型的、導致光柵由近亞波長到深亞波長尺度轉化的分裂現象。通過數值模擬，證實光柵分裂是由光柵輔助SP-laser耦合的失耦引起的。這種失耦使SP模發生變換，由共振變為非共振模，從而引起光柵脊部中央產生新凹槽。由於新凹槽的出現，SP模將繼續演化為同相或反相共振模，使新凹槽正反饋而不斷加深，最終形成空間倍頻的新光柵。進一步，重點研究了在超快雷射燒蝕中與各種結構演化緊密相關的結構自發縮小現象：隨脈衝的增加及燒蝕坑的擴展，孔隙的特徵尺寸總是自發減小並最終趨向令人驚奇的10nm尺度，一個與雷射誘導破壞新物理緊密相關的超深亞波長雷射固體相互作用區域。基於等離激元基本理論，提出這種自發尺寸縮小起源於等離激元作用的物理區域由光學區域轉化到靜電區域，從而激發具有遠突破衍射極限作用尺寸的準靜態SPs，並由於極強靜電場增強導致超快、非熱燒蝕。具體地，“納米空間尺度”可極大減小電磁延遲效應，引起對入射雷射場的瞬態回響，激發具有極大局域場增強效應的靜電作用，促進納米尺度超快非線性強場電離，並產生對表面電子及離子極大的靜電作用力，導致“超快時間尺度”下納米尺度靜電爆炸。這樣，“納米空間尺度”和“超快時間尺度”兩種物理特性自發出現在飛秒雷射燒蝕中。此外，通過顯微拉曼光譜分析，證實超快雷射誘導的各種亞波長結構表面總是覆蓋著非晶層，提出這層薄非晶層可加速材料表面電離，提高自由電子密度，促進等離激元及相關納米光學效應的激發，最終有助亞波長結構的形成。總的來說，本研究表明在超快雷射誘導亞波長結構過程中，納米光學效應，特別是等離激元效應，起重要作用。納米光學機制可為近破壞閾值超快雷射與固體在亞波長尺度的相互作用物理本質提供新見解。唯象地，超快雷射誘導亞波長結構的現象可歸結為納米光學現象。