飞秒激光近场虚拟光探针纳尺度加工技术研究

本课题提出以一种高度融合飞秒激光、近场光学、虚拟光探针三种超高时空分辨技术，即飞秒激光近场虚拟光探针纳尺度加工技术，来实现纳米局域和大区域或大区域选择性高速纳米制造。我们计划通过本项目的研究，实现以下主要目标：1)建立一套飞秒激光器与近场光学、虚拟光探针相结合的全新纳米制造系统，利用它来完成至少50nm以下线宽的微纳加工；2)完成一套能够系统地对飞秒激光近场虚拟光探针光场分布特性分析设计的计算机软件系统，努力突破10nm以下纳结构制作；3)掌握虚拟光探针系统的加工方法，并加工出实用的虚拟光探针模板，使虚拟光探针近场微纳加工系统加工精度控制在50nm以下，而虚拟光探针的模板在距离样品250nm以上的区域，并能成功实现双光子纳米加工，在此基础上加工出具有一定功能的微纳器件。

本课题实现了一种高度融合飞秒激光、近场光学与虚拟光探针等超高时空分辨的高速纳米制造新技术，完成了研究计划的目标和内容，具体研究成果与指标如下：.（1） 采用矢量角谱方法对几种形式的基于近场光学和虚拟光探针的光场衍射与传播问题进行了一系列的理论计算，首次得到了相关近场与远场衍射传输特性的解析结果。根据电磁场理论求得了纳米金属棒表面以及纳米金属波导内的电磁场分布解析表达式。利用近场光学分析软件 Optiwave FDTD 对多种近场光学探针及虚拟光探针等亚波长结构的近场光学特性进行了模拟分析, 开发出一套能够准确的适用于近场模拟的多功能软件包，亚波长结构模拟分辨率达到5nm。（2） 建立了一套可实现飞秒激光表面微纳加工与微处理及测试等多种功能的一体化系统装备，并加工制备了多种亚波长结构，如金字塔状、纳米线结构、纳米点结构、周期性光栅结构、圆型结构、孔洞结构等。从单脉冲和多脉冲烧蚀方面探讨了飞秒激光诱导固体透明介质表面的烧蚀机理，研究了烧蚀线宽的影响因素，利用飞秒激光微造型技术在固体透明介质表面制作了多种实用的表面阵列微结构。构建了用于飞秒激光微纳加工与微处理及LIBS探测的一体化系统装置。（3）建立一套飞秒激光器与近场光学虚拟光探针相结合的全新纳米制造系统, 建立了一套基于虚拟光探针局域场增强效应结合原子力显微镜的纳米加工系统。在飞秒激光近场耦合上，采用光子晶体光纤，克服拉曼散射和自相位调制引起的光谱扭曲等缺点。完成对各种不同材质的纳米加工实验研究，实现了10nm左右线宽的稳定加工，相对于国外研究者而言，我们加工的图像稳定，旁瓣较小。对各个参数对加工线宽的影响进行了深入的研究，并且建立了模型。（4）优化了飞秒激光双光子光聚合微纳加工系统、样品处理工艺及加工工艺。在双光子光聚合理论模型和加工分辨率基础上，探讨了加工线宽与加工速度和功率的依赖关系。相对传统的双光子光聚合理论，提出多次快速扫描的新型双光子光聚合理论模型，并采用双光子光聚合法，选择不同的实验参数，制备了多种典型的虚拟光探针微纳器件。（5）将双光子光聚合微纳加工系统与近场光学虚拟光探针技术相耦合，建立一套完善的基于近场虚拟光探针双光子飞秒激光微纳加工系统。该系统可以进行表面等离子体激元的激发和探测。采用该系统制备和测试了直线波导、光栅、光子晶体、直角波导、圆等多种表面等离子激元器件。