飞秒激光制备紫外－太赫兹超宽电磁波段吸波金属材料的研究

金属在通常情况下对长波电磁辐射几乎是完全反射的，然而在许多实际应用中收集和探测长波电磁辐射是非常重要的。金属表面的微纳米结构对其物理性质具有非常重要的影响，而飞秒激光由于其超高的峰值功率和超短的持续时间已经成为材料加工和改性的重要手段。本项目拟开展飞秒激光金属表面结构化改性的理论和实验研究，利用飞秒激光在金属表面上加工或诱导不同尺度的微纳米结构，最终实现在紫外-太赫兹超宽电磁波段上都具有显著吸收特性的金属表面，并且进一步探索这种宽带黑色金属的潜在应用。为实现这一目标，本项目拟开展以下几个方面的研究：（1）约束环境下飞秒激光与金属表面的相互作用；（2）金属表面周期性光栅结构与太赫兹波的表面等离子耦合；（3）金属表面微纳米粒子与太赫兹波的表面等离子耦合；（4）在超宽电磁波段上金属表面反射和吸收系数的精确测量。显然，本项目的研究不但具有深刻的物理内涵，而且具有重要和广阔的应用前景。

金属/半导体表面的微纳米结构对其物理性质具有非常重要的影响，而飞秒激光是材料加工和改性的重要手段。本项目拟开展飞秒激光金属/半导体表面结构化改性的理论和实验研究，在金属或半导体表面上诱导不同尺度的微纳米结构并研究它们与电磁辐射的相互作用，探索实现宽带黑金属材料的可能性。本项目的研究内容主要包括:（1）飞秒激光诱导金属/半导体表面周期微纳结构及其物理机制；（2） 金属表面周期性光栅结构与太赫兹波的相互作用；（3）金属/半导体微纳粒子/结构的非线性光学性质及其应用。本项目围绕这些内容开展研究工作，取得了以下重要成果：（1）利用飞秒激光在金属表面上诱导了高空间频率周期结构并且阐明了内在的物理机制，提出由烧蚀初期形成的低空间频率结构引起的入射场再分布对于高空间频率结构形成的关键作用，这种形成机制得到了数值模拟和实验制备的证实。（2）利用飞秒激光引起的钛金属表面氧化和谐波产生诱导形成了周期小于100 nm的结构，提出在烧蚀初期钛表面形成的二氧化钛薄膜将产生有效的三次谐波，而三次谐波对二氧化钛及钛的烧蚀产生了小于100 nm的表面周期结构，这种物理机制得到了数值模拟和实验制备的证实。（3）通过控制飞秒激光的能量密度，扫描速度以及脉冲数目在硅表面诱导出纳米孔阵列结构并且获得了彩色硅表面，同时发现了纳米孔阵列的形成对于硅表面诱导微结构随着脉冲数目增加由非对称结构向对称结构的演变所起的作用。（4）利用飞秒激光在钛表面获得了线宽为20 nm的二氧化钛纳米线，实验发现烧蚀初期形成的二氧化钛薄膜显著地改变了后续烧蚀过程，在脉冲数目较小的情况下得到了线宽为20nm，周期小于100nm的纳米线阵列结构，这种结构的形成可以采用激光烧蚀的功效因子理论来解释。（5）研究了在不锈钢薄膜上加工的矩形谐振器对太赫兹波的透射和局域，发现随着矩形谐振器长宽比的增加，太赫兹波透射谱的Q值逐渐增大，把类似结构扩展到金膜上的大长宽比U型谐振器，实现了太赫兹波的超强局域。 (6) 研究了氧化锌纳米棒和金纳米棒的非线性光学响应性质及其应用。