強(qiáng)場(chǎng)誘導(dǎo)微納結(jié)構(gòu)的表征和功能化.pdf

1、進(jìn)入21世紀(jì)以來，信息技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)于寬帶網(wǎng)絡(luò)需求的增長對(duì)信息傳播技術(shù)提出了更高的要求。以光子或光電子做為信息載體的集成光路取代集成電路成為未來發(fā)展的方向。集成光路技術(shù)的發(fā)展首先要解決的問題是如何將各種光功能微納結(jié)構(gòu)高精度、高效率的的復(fù)合在玻璃等基板材料上。近幾年，研究人員發(fā)現(xiàn)，利用強(qiáng)場(chǎng)可以在基板材料表面和內(nèi)部誘導(dǎo)各種光功能微納結(jié)構(gòu)，這將極大地促進(jìn)集成光路技術(shù)的發(fā)展。
　　本文針對(duì)強(qiáng)場(chǎng)誘導(dǎo)微納結(jié)構(gòu)的表征和相關(guān)功能演示進(jìn)行了研究

2、。主要采用兩種強(qiáng)場(chǎng):高重復(fù)頻率飛秒激光，以及聚焦電子束。利用這兩種強(qiáng)場(chǎng)，我們?cè)诓ＡЩ灞砻婕皟?nèi)部誘導(dǎo)了多種微納結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)研究了各種微納結(jié)構(gòu)的性能和形成機(jī)理，并且演示了這些微納結(jié)構(gòu)在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用。本文的主要研究成果和結(jié)論如下:
　　1、在透明玻璃內(nèi)部利用高重復(fù)頻率飛秒激光照射誘導(dǎo)析出了銅納米顆粒。對(duì)銅納米顆粒的形貌，尺寸和空間分布進(jìn)行了表征。研究了銅納米顆粒摻雜的玻璃材料的光學(xué)性能，并且演示了在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用。對(duì)銅納米顆粒析出的機(jī)

3、理進(jìn)行了探索，認(rèn)為是飛秒激光照射過程中多種非線性效應(yīng)引起的光還原以及高溫?zé)釄?chǎng)作用下銅原子的遷移和團(tuán)聚導(dǎo)致的。研究了銅納米顆粒的析出位置對(duì)飛秒激光誘導(dǎo)的熱場(chǎng)分布的依賴性。同時(shí)，還觀察到析出的銅納米顆粒在高重復(fù)頻率飛秒激光的二次照射過程中的擦除現(xiàn)象。利用高重復(fù)頻率飛秒激光照射制備的銅納米顆粒摻雜的玻璃材料可以應(yīng)用于具有超快響應(yīng)速度的光開光等光學(xué)元器件以及三維激光彩色內(nèi)雕產(chǎn)品中。
　　2、利用高重復(fù)頻率飛秒激光照射在玻璃表面及內(nèi)部誘導(dǎo)微

4、突起和微通道結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)研究了微突起結(jié)構(gòu)的形貌和尺寸對(duì)飛秒激光照射參數(shù)及照射方式的依賴性。對(duì)微突起結(jié)構(gòu)形成的機(jī)理進(jìn)行了研究，認(rèn)為是玻璃材料對(duì)飛秒激光脈沖能量的線性吸收和非線性吸收共同作用的結(jié)果。利用高重復(fù)頻率飛秒激光直寫技術(shù)在玻璃內(nèi)部誘導(dǎo)了微通道結(jié)構(gòu)。采用羅丹明酒精溶液做為熒光標(biāo)記物質(zhì)，對(duì)微通道結(jié)構(gòu)的尺寸和連通性等性能進(jìn)行了表征，證明微通道結(jié)構(gòu)長度可控，直徑均勻，連通性好。利用高重復(fù)頻率飛秒激光照射制備的微突起結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用于微透鏡等光學(xué)元

5、件領(lǐng)域，而微通道結(jié)構(gòu)則可以應(yīng)用于微型全分析系統(tǒng)。
　　3、系統(tǒng)研究了高重復(fù)頻率飛秒激光照射在不同玻璃體系內(nèi)部誘導(dǎo)的元素重新分布現(xiàn)象。在硅酸鹽玻璃內(nèi)，觀察到了玻璃網(wǎng)絡(luò)形成離子和玻璃網(wǎng)絡(luò)改性離子在激光照射區(qū)域內(nèi)相對(duì)含量的變化。對(duì)其形成機(jī)理進(jìn)行了分析，認(rèn)為是這些離子在飛秒激光誘導(dǎo)的高溫?zé)釄?chǎng)的作用下以不同的速率向外遷移造成的。并且首次觀察到離子的遷移和富集出現(xiàn)在溫度低于玻璃熔化溫度(Tm)的區(qū)域。在碲酸鹽玻璃中，觀察到了新奇的元素重新分布

6、現(xiàn)象。在飛秒激光照射區(qū)域內(nèi)，各種玻璃組分的相對(duì)含量沒有發(fā)生變化，而玻璃材料的密度卻發(fā)生了變化。我們認(rèn)為碲酸鹽玻璃中含有的[TeO4]和[TeO3]等微小的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)單元是造成這種現(xiàn)象的根本原因。利用高重復(fù)頻率飛秒激光照射誘導(dǎo)元素重新分布，我們可以對(duì)玻璃材料內(nèi)部微區(qū)的光學(xué)性能等進(jìn)行空間選擇性操控，這對(duì)于制備光波導(dǎo)等光學(xué)元器件具有重要的意義。
　　4、利用聚焦電子束刻蝕法，我們?cè)诓ＡЩ灞砻嬷苽淞私鸺{米結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)研究了金納米結(jié)構(gòu)的尺寸、

7、形貌、表面等離子體共振性能以及金納米結(jié)構(gòu)周圍電場(chǎng)強(qiáng)度的分布情況。利用原子層沉積方法在金納米結(jié)構(gòu)表面沉積了Al2O3薄膜，研究了表面等離子共振峰峰位、峰強(qiáng)對(duì)Al2O3薄膜厚度的依賴性。將曙紅Y染料復(fù)合在金納米結(jié)構(gòu)及Al2O3薄膜表面，系統(tǒng)研究了曙紅Y分子熒光強(qiáng)度和熒光量子效率增強(qiáng)倍數(shù)對(duì)Al2O3薄膜厚度的依賴性。發(fā)現(xiàn)在1nmAl2O3薄膜存在的情況下，熒光增強(qiáng)效果最好。對(duì)其機(jī)理進(jìn)行了探討，認(rèn)為金屬引起的熒光淬滅效應(yīng)和金納米結(jié)構(gòu)表面等離子效