基于光镊钳位LSPR共振增强的飞秒激光纳米加工方法研究

Femtosecond laser with extreme intense light field is an unique tool for nanofabrication, which holds potential for preparing high-precision devices with nanometer scale feature used in the fields of aviation, bio-medical science, new energy, national defense and environment detecting. Currently, it is still challenge to realize high- quality fabrication with sub-100 nm feature size on hard-to-cut materials. In this project, a novel method of optical trap assisted femtosecond laser nanofabrication is proposed. We trend to build the dynamics models relating to the transient process of optical trap assisted femtosecond laser nanofabrication. The physical mechanism and experimental realization of laser high-precision trapping of micro and nanostructures will be explored in details. The LSPR manipulation on laser trapped micro and nano structures via controlling femtosecond laser pulses will be investigated in this project. Furthermore, the mechanism of laser energy coupling, nanoscale energy transfer and material high-precision removal within target materials will be examined in details. Through optimizing femtosecond laser parameters, functional device nanostructures with 50 nm feature size will be fabricated using the optical trap assisted LSPR method. This project will provide the fundamental and practical bases for exploring new generation method of optical diffractive limit broken nanofabrication.

飞秒激光纳米加工是一种极端光场纳米制造方法，在航空、生物医学、新能源、国防、环境监测等领域用的纳米级高精密元器件的制备方面有着重要的应用前景。当前，飞秒激光在硬脆性材料上难以实现特征尺寸小于100nm的复杂纳米结构的制备，针对上述问题，本项目提出了一种基于光镊钳位 LSPR（Localized Surface Plasmon Resonance）共振增强的飞秒激光纳米加工新方法。拟建立光镊钳位LSPR共振增强瞬态动力学模型，探究激光高精度钳位的物理机制和实现途径，研究飞秒激光对钳位结构LSPR共振的调控机理，探索材料中激光能量瞬态耦合、纳米尺度传输以及材料精确抛离机制。通过全局优化飞秒激光参数，对加工区纳米尺度激光能量耦合、能量输运过程进行精确调控，实现特征尺寸为50nm功能纳米结构的高精度制备，为发展超越衍射极限的纳米加工新原理、新方法提供重要的理论和实践基础。

飞秒激光三维微纳加工技术在航空航天、生物医学、国防、环境监测等领域使用的高精密元器件的制备方面有着重要的应用前景。本项目针对当前飞秒激光在硬脆性材料上难以制备特征尺寸<100nm的复杂纳米结构的问题，提出了一种光镊钳位LSPR共振增强的飞秒激光纳米加工方案，设计了一种基于U型沟槽结构的光镊钳位系统，针对该系统中纳米颗粒的稳定钳位机制开展了理论建模和数值仿真研究，模拟得到了钳位系统的结构尺寸、钳位球材质以及激光波长等对小球稳定钳位的调控规律和最优化参数。开展了基于U型沟槽阵列LSPR增强的飞秒激光纳米加工方法研究，并通过设计U型沟槽光栅结构实现了局域表面等离子共振增强，在光栅与硅材料接触的界面区域产生电场热点,并利用电场热点烧蚀Si材料实现了特征尺寸<50nm极限尺度纳米结构加工。理论和实验研究了基于金纳米棒LSPR共振增强飞秒激光纳米加工方案，构建了物理和几何模型，采用有限元电磁仿真模拟手段，数值模拟研究了环境对金纳米棒周围局域场分布特性的影响，通过设计纳米棒尺寸使得其共振波长与加工所用的飞秒激光中心波长800nm相匹配，得到了上百倍的局域场增强效应；实验上采用飞秒激光作为光源，利用金纳米棒LSPR共振增强机制，通过优化加工过程参数在Si材料表面获得了特征尺寸<50nm的烧蚀结构。研究了飞秒贝塞尔光束极限尺度纳米加工方法，利用锥透镜将飞秒激光高斯光束在空间上调制为贝塞尔轮廓的锥形光场，由于贝塞尔光束本身具有非衍射特性，并结合飞秒激光与材料作用的非线性效应，大大减小了激光加工的特征尺寸，实验上采用飞秒激光贝塞尔光束在二氧化硅玻璃材料上成功制备了特征尺寸<30nm的小孔阵列结构。该项目研究结果对于发展针对硬脆性材料的超快激光极限尺度纳米加工技术具有积极的推动作用，提出的LSPR共振增强飞秒加工方法有望成为一种新型实用化的纳米加工技术。