長春理工大學超快光學實驗室簡介

長春理工大學超快光學實驗室依托于長春理工大學理學院及長春理工大學國際納米光子學研究中心，于2009年組建成立，2011年被評為吉林省高強度飛秒激光與物質(zhì)相互作用優(yōu)秀團隊稱號。現(xiàn)有教授2名，副教授1名，講師1名;博士研究生9名，其中3名為外國留學生;碩士研究生20余名。

實驗設(shè)施方面，現(xiàn)有超凈實驗室130 m2，美國Coherent公司的10 Hz和kHz飛秒激光器各一套，配套的波長擴展飛秒OPO設(shè)備一套，美國Continuum公司高能量納秒激光器及OPO設(shè)備一套。此外還有美國PI公司可見-紅外全波段光譜儀，配合X-ray CCD的極紫外平像場光譜儀，可見波段CCD及ICCD，激光與物質(zhì)相互作用真空靶室等一系列實驗設(shè)備，實驗裝置如圖1所示。

圖1 實驗室設(shè)備一覽Fig．1 A glimpse of laboratory

圖2 金屬Ni表面的不同微納結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出不同顏色Fig．2 Photographs show that Ni samples with various colors formed by femtosecond laser pulse irradiation

目前，極紫外光刻用LPP光源是本實驗室的一個重要研究方向，同時還開展了其它相關(guān)的研究工作。例如:飛秒激光金屬表面著色及飛秒激光誘導形成材料表面微納功能結(jié)構(gòu)的研究。該項研究是通過在硅或金屬表面制備出具有一定規(guī)律的微納結(jié)構(gòu)，使材料表面的光學特性發(fā)生根本性的改變。目前已經(jīng)在Ni、Mo和Al等金屬表面，通過控制激光參數(shù)成功制備出了不同周期的微納結(jié)構(gòu)，使金屬樣品呈現(xiàn)出不同的顏色，如圖2所示;同時利用該技術(shù)在半導體硅表面形成了對可見到紅外(0.2～20 μm)寬波段幾乎全部吸收的新型黑硅材料，如圖3所示。

最近實驗室又成功地利用飛秒激光等離子體絲在球形鋁表面制備出對寬波段范圍光有強吸收的微納結(jié)構(gòu)，如圖4所示。這項工作將利用飛秒激光在材料表面制備出功能性微納結(jié)構(gòu)的工作從傳統(tǒng)的平面結(jié)構(gòu)拓展到任意形狀表面，克服了以往在非平面上制備微納結(jié)構(gòu)時所必須的復雜光電控制系統(tǒng)［1］。

圖3(a)黑硅照片和SEM圖像Fig．3 (a)Photograph and SEM images of black silicon sample

圖3 (b)黑硅和硅片吸收率與波長關(guān)系Fig．3 (b)wavelength-dependent absorbance of black silicon and regular silicon

圖4 (b)形成微納結(jié)構(gòu)前后反射率對比，(c)形成微納結(jié)構(gòu)的SEM照片F(xiàn)ig．4 (b)The wavelength dependent reflectance of Al spherical surface before and after femtosecond laser filament processing．(c)SEM images of an intrinsic Al spherical surface

另一方面，還對空氣中飛秒激光成絲誘導高壓放電現(xiàn)象作了系統(tǒng)的研究，結(jié)果表明:無論利用飛秒激光單絲還是多絲誘導放電，它們相比自然放電的情況都會極大地降低放電閾值，并首次觀察到了在短間距條件下多絲誘導高壓放電時，高壓放電將沿單一路徑進行這一物理現(xiàn)象［2］，如圖5所示。

同時，實驗室也開展了利用飛秒激光等離子體絲傳導射頻電磁能的研究，理論模擬了由等離子體絲形成圓筒狀虛擬微波波導的可行性，如圖6所示，并計算了形成不同模式等離子體絲波導所需要的激光能量，以及形成波導的電導率和電磁波趨膚深度等物理量，討論了這種波導中微波傳輸時的能量衰減情況，相比于自由傳輸，這種微波虛擬波導可在有限距離內(nèi)有效地傳導微波能。在該方面實驗室取得了一系列新的研究成果［3-4］。

實驗室還在飛秒激光及納秒激光誘導擊穿光譜(LIBS)方面做了大量的工作，研究了LIBS光譜中連續(xù)輻射及線輻射的偏振特性，如圖7所示。利用連續(xù)譜及線譜偏振特性不同的特點，可提高LIBS光譜的信噪比，在該實驗方面取得了一定的研究結(jié)果［5］。

圖5 (a)不同飛秒激光脈沖能量下成絲結(jié)構(gòu)的演化，(b)成絲誘導高壓放電的放電路徑Fig．5 (a)The filament pattern with different pulse energy，(b)Images of the discharging path guided by the filament

圖6 由等離子體絲形成的中空的微波波導的模型Fig．6 The hollow conducting waveguide model produced by filament

圖7 偏振式LIBS與傳統(tǒng)LIBS光譜數(shù)據(jù)的對比Fig．7 The data comparison between polarization LIBS spectra and traditional LIBS spectra

此外，還開展了利用增強的納米尺度等離子體激元場產(chǎn)生相干極紫外輻射方面的研究。利用納米尺度的金屬粒子與低脈沖能量的飛秒激光脈沖相互作用，在其周圍形成等離子激元場，通過共振效應(yīng)對原有的飛秒激光脈沖場進行局域放大，從而相干的產(chǎn)生極紫外波段的高次諧波發(fā)射，這項研究將大大降低高次諧波產(chǎn)生所需要的激光條件。另外，實驗室計劃開展幾周期飛秒激光脈沖引起納米尺度等離子體激元共振場超快動力學過程的實驗研究，采用阿秒相干極紫外輻射對納米尺度等離子體激元的振蕩過程進行高時間及空間分辨率的研究。

［1］ TAO H Y，LIN J Q，HAO Z Q，et al．．Formation of strong light-trapping nano-and microscale structures on a spherical metal surface by femtosecond laser filament［J］．Appl．Phys．Lett．，2012，100:201111．

［2］ GUO K M，LIN J Q，HAO Z Q，et al．．Triggering and guiding high-voltage discharge in air by single and multiple femtosecond filaments［J］．Optics Letters，2012，37(2):259-261．

［3］ ALSHERSHBY M，LIN J Q，HAO Z Q．Numerical analysis of guiding a microwave radiation using a set of plasma filaments:dielectric waveguide concept［J］．J．Phys．D:Appl．Phys．，2011，45:065102．

［4］ ALSHERSHBY M，HAO Z Q，LIN J Q．Guiding microwave radiation using laser-induced filaments:the hollow conducting waveguide concept［J］．J．Phys．D:Appl．Phys．，2012，45:265401．

［5］ NAKIMANA A，HAO Z Q，LIU J，et al．．The high dependence of polarization resolved laser-induced breakdown spectroscopy on experimental conditions［J］．Chin．Phys．B，2012，21(7):074204．