圆偏振飞秒激光诱导周期性表面纳米结构

游戏天地 2025年08月29日 03:01 1 admin

长三角G60激光联盟导读

西北工业大学物理科学与技术学院及西安电子科技大学光电工程学院的科研人员报道了利用圆偏振飞秒激光实现光束形状依赖的周期性表面纳米结构研究。相关论文以“Beam-shape-dependent periodic surface nanostructure using circularly polarized femtosecond laser”为题发表在《Optics & Laser Technology》上。

亮点：

1.利用圆偏振飞秒激光诱导出了聚焦光斑形状依赖的激光诱导周期性表面结构（LIPSS）。

2.圆偏振激光诱导的LIPSS其取向垂直于椭圆形激光焦点的长轴方向。

3.研究了产生波纹所需的激光脉冲能量、脉冲数和入射激光束宽度的阈值。

4.研究结果表明了一种潜在的方法，可以放宽在纳米结构形成过程中对高线性偏振光的严格要求。

本研究介绍了一种采用整形后的圆偏振飞秒激光束来生成周期性表面纳米结构的新方法。该周期性纳米结构的取向表现出对光束形状的强烈依赖性，而非入射激光的偏振态。实验中，利用具有线状横截面的聚焦圆偏振飞秒激光束垂直辐照半导体或金属表面，在烧蚀区域内产生了周期性波纹。研究了产生波纹所需的激光脉冲能量、脉冲数和入射激光束宽度的阈值。此外，通过使用整形激光束并结合多次和单次曝光策略，演示了具有不同取向的周期性纳米结构的生成。本研究的发现表明了一种潜在的方法，可以放宽在周期性表面纳米结构形成过程中对高线性偏振光的严格要求。

关键词：激光诱导周期性表面结构（LIPSS）；圆偏振；微线状激光束

图1.通过飞秒激光脉冲诱导纳米结构的实验装置图。A，孔径光阑；L，透镜；PH，针孔滤波器；M，反射镜；S，电子快门；HWP，半波片；QWP，四分之一波片；GTP，格兰-泰勒棱镜；AX，轴棱锥；CL，柱面透镜；BS，分束器；Lamp，白光照明源；MO，显微镜物镜；CCD，电荷耦合器件。

图2.不同偏振态的高斯飞秒激光在(a)硅(0.05μJ),(b)磷化铟(0.05μJ),(c)钼(0.05μJ),和(d)不锈钢表面(0.07μJ)上诱导的纳米结构。所有测试中脉冲数均设为20，黄色数字表示测量的波纹周期。

图3.不同偏振态的微激光线在(a)硅,(b)磷化铟,(c)钼,和(d)不锈钢表面诱导的波纹。黄色数字代表所使用的激光脉冲能量和每种情况下的波纹周期，应用的脉冲数设为20。

图4.(a)线状圆偏振激光脉冲诱导的硅表面形貌对脉冲能量和脉冲数的依赖性。(b)-(e)圆偏振激光脉冲(N=40)在不同激光能量下诱导的纳米结构：(b)E=0.73

µJ,(c)E=0.70µJ,(d)E=0.66µJ,(e)E=0.63µJ。最右侧列中的子图是相应SEM图像中框选区域的放大视图。

图5.分别使用(a)20×/NA0.75,(b)20×/NA0.4,(c)10×/NA0.25显微镜物镜，通过不同焦斑宽度的圆偏振微线状激光束在硅表面诱导的波纹。(d)-(f)分别为(a)-(c)中心部分的放大图像。

图6.在(a)空气(n=1.00),(b)FC40(n=1.29),(c)纯水(n=1.33),(d)乙醇(n=1.36),以及两种折射率匹配液(e)n=1.51和(f)n=1.78中，由微激光线诱导的CP-LIPSS（圆偏振激光诱导周期性表面结构）的SEM图像。(g)测量的波纹周期和随介电环境变化的表面等离激元（SPP）波长的理论预测值。

图7.在(a)垂直,(b)水平,和(c)圆偏振条件下硅表面的波纹。

图8.(e)通过环状贝塞尔焦点与圆偏振光在硅表面上创建的环形取向波纹。(a)-(d)和(f)-(i)圆环上的局部放大视图。

通过调制入射飞秒激光的焦点形状，首次（据研究人员所知）在圆偏振辐照条件下获得了周期性表面纳米结构。这些波纹的取向垂直于线状激光焦点的方向，并且由于其周期尺度特征可归类为低空间频率LIPSS（LSFL）。它们可以在包括半导体和金属在内的多种材料上产生。这种CP-LIPSS只有在光斑足够窄的条件下才能产生，否则波纹会被破坏。然而，无论采用何种特定的光束整形机制，使用窄的激光焦点都能有效地产生波纹。科研人员通过实验确定了波纹形成的窗口条件，其中激光脉冲能量随脉冲数的增加呈现反趋势增长。此外，通过在不同环境折射率下辐照圆偏振线状激光焦点形成的波纹，揭示了其可能与传统的基于激光-SPP干涉的LIPSS产生机制存在联系。尽管通过整形激光束辐照产生此类CP-LIPSS的机制尚未完全揭示，但实验结果展示了一种产生周期性波纹的新方法，这可能放宽对使用高线性偏振飞秒激光的严格要求，同时，通过采用横向扫描策略可能显著提高刻写效率。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2025.112820

长三角G60激光联盟陈长军转载

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