飛秒矢量光場空間調(diào)控及其在微納加工中的應(yīng)用.pdf

1、隨著現(xiàn)代高科技的發(fā)展，飛秒激光微納結(jié)構(gòu)加工技術(shù)的應(yīng)用也越來越廣泛。飛秒激光由于具有超短脈沖持續(xù)時間和超高峰值功率，極大地抑制了激光加工過程中熱擴(kuò)散的負(fù)面作用，即飛秒激光具有獨(dú)特的“冷加工”方式，適合于激光超精細(xì)加工。飛秒激光微納加工在微電子學(xué)、微反應(yīng)器以及其他微型設(shè)備加工工藝上具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。
　　偏振態(tài)作為光的基本參數(shù)之一，一直是科研前沿?zé)狳c(diǎn)之一。矢量光場是近年來提出的新概念，其具有空間偏振態(tài)非均勻分布特性，為研究光與物質(zhì)相

2、互作用提供一種嶄新手段，也導(dǎo)致一些新特性、新現(xiàn)象和新效應(yīng)的產(chǎn)生。但是，由于受到生成技術(shù)等方面因素的制約，目前相關(guān)的研究工作才剛剛開始。在所有的研究之中，飛秒矢量光場應(yīng)用于激光微納加工逐漸受到人們的重視。到目前為止，關(guān)于激光微納加工的絕大部分研究均建立于空間均勻偏振光源，傳統(tǒng)光源加工出來的微結(jié)構(gòu)樣式單一，這嚴(yán)重制約了微納加工的研究進(jìn)展?；陲w秒矢量光場的獨(dú)特性質(zhì)和在微納加工領(lǐng)域的潛在利用價(jià)值，本論文專注于飛秒矢量光場的生成并將其應(yīng)用于微納

3、加工的實(shí)驗(yàn)和理論研究，并從以下幾個方面分別進(jìn)行討論:
　　1.通過波前整形方法，將計(jì)算機(jī)生成的全息光柵加載到純相位空間光調(diào)制器上，經(jīng)4f系統(tǒng)變換生成空間偏振態(tài)任意分布的飛秒矢量光場。分析生成的飛秒矢量光場空間偏振態(tài)分布以及飛秒激光脈沖時域上的特性，并提出使用傳統(tǒng)單脈沖自相關(guān)儀測量飛秒矢量光束脈沖寬度的方法，并討論該飛秒矢量光場生成裝置對激光脈沖寬度的影響，從實(shí)驗(yàn)上對光學(xué)元件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而消減實(shí)驗(yàn)裝置對脈沖的展寬效果。另外，研究

4、了通過該實(shí)驗(yàn)裝置生成一些偏振態(tài)分布復(fù)雜的飛秒矢量光束，如具有一類多階貝塞爾函數(shù)形式等。
　　2.理論分析了飛秒激光在材料表面誘導(dǎo)生成自組織周期光柵結(jié)構(gòu)的物理機(jī)制。討論了利用飛秒激光在材料表面通過非線性光電離和雪崩電離激發(fā)自由載流子密度達(dá)到臨界密度，并在材料表面形成等離子體的物理過程。闡釋了飛秒激光在材料表面誘導(dǎo)表面等離子體激元，入射光與表面等離子體干涉的物理模型。該模型指出由于飛秒激光激發(fā)的表面等離子體波具有縱向分量，其傳輸方向和

5、電場方向與入射光的空間偏振方向相同，入射光與表面等離子體波干涉使得自由載流子在表面形成周期性分布，自由電子從表面出射后形成的正電荷區(qū)由于庫侖爆炸作用導(dǎo)致最終周期光柵結(jié)構(gòu)的形成。這種觀點(diǎn)較好地解釋了激光誘導(dǎo)自組織亞波長周期光柵結(jié)構(gòu)的形成。
　　3.利用飛秒矢量光場在焦場的光強(qiáng)以及偏振態(tài)分布區(qū)別于均勻偏振光的特性，從偏振態(tài)調(diào)控出發(fā)，研究不同偏振態(tài)分布的脈沖激光在材料表面的加工結(jié)果。當(dāng)激光能量密度達(dá)到材料損傷閾值并誘導(dǎo)生成亞波長周期光柵

6、結(jié)構(gòu)，其光柵取向垂直于入射激光的偏振方向。本文中，通過調(diào)控焦場偏振態(tài)的二維分布在半導(dǎo)體硅表面誘導(dǎo)生成不同空間分布的二維亞波長周期光柵結(jié)構(gòu)。理論分析了其光柵微結(jié)構(gòu)形成過程及與激光能量密度的關(guān)系。另外，根據(jù)金屬材料的高熱導(dǎo)率和熱擴(kuò)散特性，利用銅材料實(shí)驗(yàn)分析多脈沖激光作用材料生成光柵結(jié)構(gòu)的過程中，分析多脈沖激光加工微結(jié)構(gòu)的物理過程。闡釋一級布拉格散射在多脈沖激光誘導(dǎo)亞波長周期光柵結(jié)構(gòu)過程中的重要作用。
　　4.利用該實(shí)驗(yàn)裝置對單光束進(jìn)行