飞秒激光诱导亚波长与深亚波长纳米周期结构的超快动力学

Subwavelength and deep subwavelength periodic ripples have been intensely studied in metals, semiconductors, and dielectrics under the irradiation of femtosecond laser pulses. The formation mechanisms is an interesting and puzzling problem. The key point is how to study the ultrafast dynamics of electron excitation and laser energy deposition under fs laser irradiation. In this project, we will develop a bump-probe experimental system with 50 fs temporal resolution, 200 nm spatial resolution, and high sensitivity by using a 50 fs, 800 nm laser and OPA system, and study the formation dynamics of subwavelength and deep subwavelength periodic ripples in metal, semiconductor, dielectrics, and polymers, including electrons excitation and periodic distribution. The coupling model of fs laser and nanostructures will be resolved by quantum perturbation method and finite element method. Another goal is to study the fabrication of 2D and 3D nanostructures with resolution less than 50 nm, and their applications in nano-photonic elements.

飞秒激光在金属、半导体、介质材料中诱导纳米周期条纹结构的机制一直是一个富有挑战性的热点课题。如何研究飞秒激光照射下电子的激发与能量周期沉积等超快动力学是突破这一难题的关键所在。激光诱导亚波长、深亚波长周期条纹在微纳光学元器件制造等方面的应用也获得了迅速发展。 本项目计划创新发展同时具有高时间分辨、高空间分辨、高灵敏度的超快成像实验系统，研究飞秒激光能量周期沉积与周期条纹形成的超快动力学。建立飞秒激光与纳米结构的耦合动力学模型，研究飞秒激光照射下电子的激发、等离子体的形成、等离子体波与激光的干涉等微观超快过程。理论和实验相结合，揭示飞秒激光诱导纳米周期结构的物理机制。发展飞秒激光纳米加工的新原理、新方法，制备刻线线宽小于50纳米的结构，探索这些结构在纳米光学元器件的应用。

飞秒激光在金属、半导体、介质材料中诱导纳米周期条纹结构的机制一直是一个富有挑战性的研究热点。如何研究飞秒激光照射下电子的激发与能量周期沉积等超快动力学是突破这一难题的关键所在。.本项目创新发展了高时间分辨、高空间分辨、高灵敏度的超快成像实验系统，研究了多脉冲、单脉冲飞秒激光在半导体、金属表面诱导周期条纹的超快成像。在有凹槽的Si表面，在单个泵浦脉冲到达样品表面3 ps后即有条纹出现，到4ps时条纹就非常明显，整个形成过程持续几百ps。在金膜表面利用800nm的飞秒激光刻蚀宽度400nm的凹槽,当激光偏振平行于纳米槽时，条纹在25-80ps的延迟时间后开始出现，在400-600ps时变得清晰和规则。随着激光能量密度从0.73增加到3.42J / cm2，条纹周期从685nm增加到770nm。利用双温度模型理论研究了电子激发、电子温度和晶格温度的演变，研究了介电常数的超快变化与表面等离激元的激发。实验和理论表明，表面等离激元的激发在飞秒激光脉冲诱导周期性条纹的形成过程中起着关键的作用。.发展了双飞秒激光束柱透镜汇聚干涉制备大面积规则周期条纹的方法。利用柱透镜汇聚产生长度为光束直径（10mm）的平直强度干涉，增强、约束飞秒激光诱导的自组织周期条纹，制备了长度为光束直径的规则周期条纹。通过沿垂直干涉条纹方向移动样品，利用飞秒激光诱导自组织周期条纹生长的特性，在硅、不锈钢表面制备了大面积、规则的光栅。