飛秒激光雙光束干涉制備二維納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)

賈 鑫

（上海電機(jī)學(xué)院 數(shù)理教學(xué)部，上海201306）

近年來，全息光刻技術(shù)由于其工藝簡(jiǎn)單、成本低廉，而被廣泛應(yīng)用于光柵制造以及光子晶體制備。全息光刻技術(shù)是利用多束激光干涉的方法在光敏材料上刻蝕周期結(jié)構(gòu)[1-3]。一般而言，雙光束干涉制備一維光柵結(jié)構(gòu)，三光束干涉制備二維周期結(jié)構(gòu)，四光束及多光束干涉制備三維結(jié)構(gòu)。然而，由此方法得到的結(jié)構(gòu)周期往往大于激光波長(zhǎng)[2-3]，制備的光子晶體的帶隙通常位于紅外光波段，且靈活性不足，制備的結(jié)構(gòu)缺乏多樣性。因此，需要發(fā)展小周期結(jié)構(gòu)的新制備方法以方便獲得可見光、紫外光波段的光子晶體[3]。

飛秒激光照射某些半導(dǎo)體、金屬、電介質(zhì)后，在材料表面及內(nèi)部誘導(dǎo)短周期納米結(jié)構(gòu)，其周期遠(yuǎn)小于激光波長(zhǎng)（λ／10～λ／2），且條紋周期與激光入射角無關(guān)[4-12]。線偏振光誘導(dǎo)垂直于激光偏振方向的納米條紋；圓偏振光誘導(dǎo)納米顆粒。文獻(xiàn)[4-9] 中提出了不同的理論模型解釋飛秒激光誘導(dǎo)納米周期結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理。但目前為止，飛秒激光誘導(dǎo)納米周期結(jié)構(gòu)的物理機(jī)制還沒有統(tǒng)一的結(jié)論，仍需要進(jìn)一步做理論與實(shí)驗(yàn)研究。這一現(xiàn)象在激光納米加工、材料改性、表面等離子體等方面具有很大的應(yīng)用潛力。

本文將飛秒激光誘導(dǎo)納米周期結(jié)構(gòu)與全息光刻技術(shù)相結(jié)合，利用飛秒激光雙光束干涉的方法在ZnO晶體表面制備了二維納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)兩光束間的夾角制備得到了不同周期的納米復(fù)合結(jié)構(gòu)。這為可見光、紫外光波段的光子晶體制備提供了有效的技術(shù)手段，并且在納米結(jié)構(gòu)制備、超高密度光存儲(chǔ)等方面具有巨大的應(yīng)用潛力。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1所示為飛秒激光雙光束干涉制備二維復(fù)合周期結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)裝置圖。實(shí)驗(yàn)采用Coherent公司生產(chǎn)的鈦寶石再生放大激光器（Legend Elite），輸出中心波長(zhǎng)800nm、脈寬40fs的激光脈沖，單脈沖能量為3mJ，重復(fù)頻率1～1 000Hz可調(diào)。激光束經(jīng)過電子快門（Shutter）以控制照射樣品的脈沖數(shù)。通過半波片（HF）與格蘭棱鏡（GZ）相結(jié)合控制脈沖能量和激光偏振后，經(jīng)分束片（BS）分為能量與偏振相同的A，B兩束光，光束A通過時(shí)間延遲線（Delay Line）與光束B同時(shí)會(huì)聚于樣品表面同一點(diǎn)處。兩光束時(shí)間零點(diǎn)由BBO產(chǎn)生的和頻信號(hào)確定。圖1中右上角插圖為雙光束干涉的強(qiáng)度分布花樣，干涉周期與兩光束間的夾角2θ有關(guān)，兩者間的關(guān)系為

式中，Λ為干涉周期。

實(shí)驗(yàn)所用樣品為ZnO晶體，尺寸為10mm×10mm×1mm，雙面光學(xué)拋光，樣品放置于計(jì)算機(jī)控制的三維移動(dòng)平臺(tái)上。照射后的樣品置于酒精中超聲清洗10min以去除樣品表面的殘留碎屑。樣品表面形貌及納米結(jié)構(gòu)由掃描電子顯微鏡進(jìn)行表征。

圖1 飛秒激光雙光束干涉實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental setup of two-femtosecond-laser-beam interference

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

圖2所示為典型的雙光束干涉制備的一維光柵結(jié)構(gòu)，由雙束干涉的強(qiáng)度分布花樣決定（見圖1中插圖）。圖像傾斜是由于拍攝掃描電鏡時(shí)的取向問題，不影響觀察周期結(jié)構(gòu)的形貌，光柵結(jié)構(gòu)的方向始終垂直于兩光束所在的平面。構(gòu)。圖3所示為800nm飛秒激光雙光束干涉照射ZnO晶體后誘導(dǎo)的周期結(jié)構(gòu)的掃描電鏡照片。光波長(zhǎng)，并且納米條紋方向垂直于激光的偏振方向，這是由飛秒激光照射誘導(dǎo)形成的。因此，利用飛秒激光雙光束干涉制備得到了二維微納復(fù)合周期結(jié)構(gòu)。

圖2 雙光束干涉制備的經(jīng)典一維光柵結(jié)構(gòu)Fig.2 Typical one-dimensional grating structures fabricated by two-beam interferenc

圖3 飛秒激光雙光束干涉制備的二維微納復(fù)合周期結(jié)構(gòu)Fig.3 Two-dimensional complex periodic micro-nanostructures fabricated by the interference of two femtosecond laser beams

增大兩光束間夾角2θ可以減小光柵結(jié)構(gòu)的周期，得到更精細(xì)的納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)。圖4所示為不同夾角下飛秒激光雙光束干涉制備的納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)的掃描電鏡照片。圖4（a）中右上角插圖顯示了光束A，B的空間位置及激光的偏振方向，由圖可見，納米條紋的方向始終垂直于激光的偏振方向。當(dāng)增大光束A，B的夾角2θ至60°時(shí)，圖4（a）顯示干涉周期為800nm，由于激光波長(zhǎng)沒有變化，故飛秒激光誘導(dǎo)的納米條紋的周期沒有變化。當(dāng)夾角2θ＝90°時(shí)，干涉周期變?yōu)?60 nm，如圖4（b）所示，并且由于干涉周期對(duì)納米條紋形成的限制作用，條紋結(jié)構(gòu)變得更加規(guī)則，從而形成了規(guī)則的二維納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步增大夾角2θ至120°，如圖4（c）所示干涉周期減小為460nm，與納米條紋的周期相近，形成二維納米光柵結(jié)構(gòu)。這在紫外光區(qū)光子晶體制備、材料改性、高密度光存儲(chǔ)上都有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

圖4 調(diào)節(jié)雙光束夾角制備的二維納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)Fig.4 Two-dimensional complex periodic nanostructures fabricated by adjusting the convergence angle of two laser beams

3 結(jié) 語(yǔ)

將飛秒激光誘導(dǎo)短周期納米結(jié)構(gòu)與雙光束干涉技術(shù)相結(jié)合，在ZnO晶體表面制備了二維納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)是由干涉強(qiáng)度決定的長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)和飛秒脈沖誘導(dǎo)的短周期納米條紋結(jié)構(gòu)組成。改變兩光束間的夾角2θ，制備得到了不同周期的規(guī)則二維納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，這在紫外光區(qū)光子晶體制備、納米結(jié)構(gòu)制備、材料改性以及高密度光存儲(chǔ)上都具有巨大的應(yīng)用潛力。

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