激光雙光束干涉制備ZnO表面亞微米孔陣列結(jié)構(gòu)

賈 鑫， 趙仙榮， 張 江， 王 華

(上海電機學院 數(shù)理教學部， 上海 201306)

激光雙光束干涉制備ZnO表面亞微米孔陣列結(jié)構(gòu)

賈 鑫， 趙仙榮， 張 江， 王 華

(上海電機學院 數(shù)理教學部， 上海 201306)

利用飛秒激光雙光束干涉技術(shù)，在ZnO晶體表面制備亞微米孔陣列結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由微米光柵結(jié)構(gòu)和亞微米孔組成。其中，微米光柵結(jié)構(gòu)由雙光束干涉的光強分布決定。亞微米孔由激光誘導長周期條紋演化而成，雙光束干涉對光強的局域在形成過程中起了重要的作用。調(diào)節(jié)照射激光波長能夠制備不同尺寸的納米孔陣列，在激光納米加工中具有潛在的應用價值。

飛秒激光； 雙光束干涉； 亞微米孔陣列

自激光器發(fā)明以來，光與物質(zhì)相互作用就成為研究的熱點問題。1965年，Birnbaum[1]首次發(fā)現(xiàn)激光照射半導體后誘導周期條紋結(jié)構(gòu)；之后，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)連續(xù)激光、長脈沖激光照射半導體、金屬、電介質(zhì)等材料表面，能夠誘導周期與激光波長相近的條紋結(jié)構(gòu)[2-3]。自飛秒激光發(fā)明后，照射某些半導體、金屬、電介質(zhì)后，能夠在材料表面及內(nèi)部誘導遠小于激光波長的納米結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)周期約為(1/2)λ～(1/10)λ[4-9]。在飛秒脈沖能量較大時，單束飛秒激光可以在材料表面誘導與波長相近的長周期條紋結(jié)構(gòu)，一般來說，周期條紋垂直于激光偏振方向[6]。這提供了一種制備材料表面結(jié)構(gòu)的有效手段，在激光微納加工、光子晶體及表面等離子體等方面具有巨大的應用潛力。

ZnO晶體具有較寬的直接帶隙(溫度300 K時約為3.3 eV)以及較大的激子束縛能(約60 meV)[10]，由于其良好的光學、電學性質(zhì)而得到了廣泛應用。在ZnO表面制備周期結(jié)構(gòu)以改善其性質(zhì)已成為獲得有效光電器件的手段之一。利用飛秒激光照射ZnO表面，制備了多種納米周期結(jié)構(gòu)，有效地改善了ZnO的光電學性質(zhì)[11-13]。

本文利用飛秒激光雙光束干涉技術(shù)，當脈沖能量較大時，在ZnO晶體表面制備了亞微米孔陣列結(jié)構(gòu)。通過研究其演化過程發(fā)現(xiàn)，亞微米孔是由激光誘導長周期條紋演化而來。在此過程中，雙光束干涉的光強局域起了重要的作用。

1 實驗裝置

飛秒激光雙光束干涉的實驗裝置如圖1所示。飛秒激光器采用Spectra-Physics公司生產(chǎn)的鈦寶石再生放大激光器(Hurricane)。輸出波長為800 nm、脈沖寬度為50 fs的激光脈沖，最大單脈沖能量0.8 mJ，重復頻率1 Hz～1 kHz可調(diào)。如圖1所示，飛秒激光脈沖照射至電子快門以控制照射樣品的脈沖數(shù)。使用半波片和格蘭棱鏡的組合以調(diào)節(jié)飛秒脈沖的能量和偏振方向。調(diào)節(jié)好的飛秒脈沖經(jīng)分束片分為能量、偏振相同的A、B兩束光。通過時間延遲線調(diào)節(jié)光束A的光程，兩光束脈沖A、B經(jīng)透鏡聚焦后會聚到樣品表面O點處。兩光束飛秒脈沖的時間零點由BBO非線性晶體產(chǎn)生的和頻信號確定。兩光束間夾角2θ為13.9°。

圖1 實驗裝置圖

實驗所用材料為10 mm×10 mm的ZnO晶體，厚度1 mm，雙面光學拋光，樣品表面平整度小于10 nm。將ZnO晶體置于計算機控制的三維移動平臺上,以調(diào)節(jié)飛秒激光在樣品表面的照射位置。照射后的樣品先后置于去離子水、酒精中,超聲清洗10 min以去除樣品表面的殘留碎屑。樣品表面結(jié)構(gòu)由掃描電子顯微鏡表征。

2 實驗結(jié)果及討論

圖2(a)所示為偏振相同的飛秒激光雙光束干涉制備ZnO晶體表面的亞微米孔陣列結(jié)構(gòu)，圖2(a)中右上角插圖顯示兩光束的偏振方向。圖2(b)所示為理論計算雙光束干涉的光強分布圖。飛秒激光照射后，樣品表面出現(xiàn)了微米光柵結(jié)構(gòu)，光柵周期約為3.3 μm。比較圖2(a)、(b)可知，微米光柵結(jié)構(gòu)是由雙光束干涉的光強分布所決定的。與此同時，圖2(a)顯示在干涉光強較大的區(qū)域出現(xiàn)了亞微米孔陣列結(jié)構(gòu)，孔的直徑約為700 nm。

(a) 亞微米孔陣列結(jié)構(gòu)

(b) 雙光束干涉光強分布

為了弄清亞微米孔陣列的形成機理，進一步研究了表面結(jié)構(gòu)隨照射脈沖數(shù)的演化過程，如圖3所示。圖中,微米光柵結(jié)構(gòu)是由雙光束干涉光強分布引起的。調(diào)節(jié)單脈沖激光能量至0.4 J/cm2，圖3(a)為20個飛秒脈沖照射后的樣品表面形貌，在光強較強的區(qū)域出現(xiàn)了垂直于激光偏振的長周期條紋結(jié)構(gòu)，條紋周期約700 nm，條紋長度約1.5 μm。當樣品表面經(jīng)過50個飛秒脈沖照射后，長周期條紋長度縮短為1.2 μm，且條紋之間的凹槽變寬變深(見圖3(b))。最終，經(jīng)過100個飛秒脈沖照射，長周期條紋間的凹槽演化為亞微米孔結(jié)構(gòu)(見圖3(c))。

(a) 20個脈沖照射

(b) 50個脈沖照射

(c) 100個脈沖照射

(d) 400 nm激光照射

圖3 亞微米孔陣列結(jié)構(gòu)隨照射脈沖數(shù)的演化過程

Fig.3 Evolution process of submicro-hole array with the number of irradiated pulses

飛秒激光能夠誘導材料表面短周期與長周期條紋結(jié)構(gòu)，這取決于激光脈沖的能量[6]，但激光誘導條紋結(jié)構(gòu)不同于圖3所示的亞微米孔結(jié)構(gòu)。因此，筆者推測雙光束干涉在亞微米孔結(jié)構(gòu)的形成過程中起了重要的作用。在圖3(a)所示的長周期條紋結(jié)構(gòu)形成后，由于表面形貌變化引起了光的非均勻吸收，導致后續(xù)照射脈沖的能量更多地沉積在條紋間的凹槽中；同時，由于雙光束干涉引起的光強周期分布使長周期條紋無法沿條紋方向生長。因此，條紋間的凹槽部分由于大量能量的沉積燒蝕而變寬、變深，在足夠的脈沖照射下，演化為亞微米孔結(jié)構(gòu)。需要注意的是，長周期條紋的長度隨著照射脈沖數(shù)的增加從1.5 μm減小到1 μm(見圖3(a)～(c))。這可能是在亞微米孔陣列形成過程中，越來越深的凹槽導致自聚焦效應所引起的。

激光誘導長周期條紋的周期與照射激光波長相近，將800 nm飛秒激光進行倍頻得到400 nm的飛秒激光脈沖，圖3(d)為400 nm飛秒激光雙光束干涉照射ZnO表面，制備直徑約為300 nm的納米孔陣列結(jié)構(gòu)，得到了更小尺寸的納米孔陣列結(jié)構(gòu)。然而，由于激光脈沖能量偏大，導致雙光束干涉的光柵結(jié)構(gòu)被破壞。進一步可以調(diào)節(jié)激光波長，制備不同尺寸的孔陣列結(jié)構(gòu)。

綜上所述，調(diào)節(jié)照射光波長能夠制備不同尺寸的納米孔陣列，這在激光微納加工、高密度光存儲以及光子晶體等方面都具有廣闊的應用前景。

3 結(jié) 論

ZnO由于其獨特的光電學性質(zhì)而得到廣泛的關(guān)注。在ZnO晶體表面制備不同的微納米周期結(jié)構(gòu)是改善其性質(zhì)的有效方法之一。利用飛秒激光雙光束干涉技術(shù)，在ZnO晶體表面制備亞微米孔陣列結(jié)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)由微米光柵結(jié)構(gòu)和亞微米孔組成。其中，微米光柵結(jié)構(gòu)由雙光束干涉的光強分布決定，亞微米孔由激光誘導長周期條紋演化而成。改變激光波長能夠?qū)崿F(xiàn)對孔的尺寸進行調(diào)節(jié)，這在激光納米加工、光子晶體、材料改性等方面具有潛在的應用價值。

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Submicro-Hole Array Fabricated Using Two-Beam Interference on ZnO Surface

JIAXin，ZHAOXianrong,ZHANGJiang,WANGHua

(Department of Mathematics and Physics, Shanghai Dianji University， Shanghai 201306, China)

A submicro-hole array is fabricated using interference between two femtosecond laser beams on a ZnO surface. The submicro-hole array is composed of a micro-grating structure and submicro-holes. The micro-grating structure is determined by the intensity pattern of the two-beam interference. The submicro-holes are a result of growth of laser-induced long periodic ripples, in which the two-beam interference plays an important role. Nanohole arrays with different sizes can be fabricated by adjusting the laser wavelength. They have potential applications in the field of femtosecond laser nanofabrication.

femtosecond laser; two-beam interference; submicro-hole array

2017 -03 -01

國家自然科學基金項目資助(11104178)；上海市教育委員會科研創(chuàng)新項目資助(14YZ156)；上海市大學生創(chuàng)新活動計劃項目資助(A1-5701-16-011-03-84)

賈鑫(1981-)，男，副教授，博士，主要研究方向為激光微加工， E-mail：jiaxin@sdju.edu.cn

2095 - 0020(2017)02 -0069 - 04

TB 383; O 436.3

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