飛秒激光誘導(dǎo)ZnO晶體表面短周期納米結(jié)構(gòu)

賈 鑫

(上海電機(jī)學(xué)院 文理學(xué)院, 上海 201306)

飛秒激光由于具有超短、超強(qiáng)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于非線性光學(xué)、超快成像、極端環(huán)境模擬等領(lǐng)域。相較于皮秒、納秒激光脈沖，飛秒激光脈沖燒蝕固體材料時(shí)幾乎不產(chǎn)生熱效應(yīng)，脈沖能量能夠更精細(xì)地沉積在材料中。因此，飛秒激光大量地應(yīng)用于各種材料的微加工過程[1]。飛秒激光照射半導(dǎo)體、金屬、電介質(zhì)表面時(shí)，在適當(dāng)?shù)拿}沖能量和照射脈沖數(shù)下，能夠誘導(dǎo)材料表面周期結(jié)構(gòu)。該周期結(jié)構(gòu)分為兩種類型：與激光波長相近的長周期結(jié)構(gòu)[2-4]和遠(yuǎn)小于激光波長的短周期納米結(jié)構(gòu)[5-15]。一般來說，線偏振激光誘導(dǎo)垂直于偏振方向的條紋結(jié)構(gòu)，圓偏振激光誘導(dǎo)顆粒結(jié)構(gòu)。研究表明，長周期結(jié)構(gòu)是由于入射激光與表面散射光的干涉而形成[4]。短周期納米結(jié)構(gòu)的周期一般為λ/2～λ/10(λ為波長)，已有許多理論模型解釋短周期納米結(jié)構(gòu)的形成，例如：電子密度波[5]、表面二次諧波模型[6]等，但其形成機(jī)理尚無定論，仍需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)與理論研究。

本文介紹了飛秒激光誘導(dǎo)ZnO晶體表面短周期納米條紋，在不同波長的飛秒激光脈沖照射下，納米條紋周期發(fā)生的變化。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，激光誘導(dǎo)的短周期納米條紋的周期與激光波長成正比(約為λ/5)，在納米結(jié)構(gòu)制備、突破衍射極限激光加工等方面都具有巨大的應(yīng)用潛力。

1 實(shí)驗(yàn)和樣品

飛秒激光脈沖由Coherent公司生產(chǎn)的鈦寶石再生放大激光器產(chǎn)生。激光波長為800 nm、脈沖寬度為50 fs，最大單脈沖能量3.5 mJ，重復(fù)頻率1～1 000 Hz可調(diào)。800 nm飛秒激光脈沖進(jìn)入并激發(fā)光參量放大系統(tǒng)，產(chǎn)生波長在267～2 600 nm內(nèi)連續(xù)可調(diào)的飛秒脈沖，脈沖寬度輕微展寬至60～100 fs。不同波長的飛秒激光經(jīng)焦距為100 mm的透鏡聚焦在樣品表面以誘導(dǎo)短周期納米結(jié)構(gòu)。

實(shí)驗(yàn)所用材料為10 mm×10 mm×1 mm的ZnO晶體，雙面光學(xué)拋光，樣品表面平整度小于10 nm。ZnO晶體放置在電控三維平移臺(tái)上以調(diào)節(jié)飛秒激光的照射位置。照射后的樣品置于酒精中超聲清洗10 min以去除樣品表面的激光燒蝕碎屑。樣品表面納米結(jié)構(gòu)由掃描電子顯微鏡表征。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

圖1顯示了波長為650 nm的飛秒激光照射ZnO晶體表面短周期納米條紋隨照射激光脈沖數(shù)的演化過程，激光的能量密度為0.25 J/cm2。圖1(a)中右上角雙箭頭顯示了激光的偏振方向。經(jīng)1 000個(gè)飛秒脈沖照射后，ZnO晶體表層出現(xiàn)不規(guī)則的條紋結(jié)構(gòu)，方向垂直于激光的偏振方向，如圖1(a)所示。圖1(b)顯示了5 000個(gè)飛秒脈沖照射后，表層條紋結(jié)構(gòu)加深。圖1(c)顯示當(dāng)樣品表面經(jīng)30 000個(gè)飛秒脈沖照射后，ZnO晶體表層不規(guī)則的條紋結(jié)構(gòu)被燒蝕掉，露出了材料內(nèi)層規(guī)則的納米條紋結(jié)構(gòu)，條紋周期約為120 nm(圖1(d))，遠(yuǎn)小于激光波長。

圖1 波長為650 nm飛秒激光脈沖誘導(dǎo)ZnO表面短周期納米條紋結(jié)構(gòu)

圖2 不同波長飛秒激光脈沖誘導(dǎo)ZnO表面短周期納米條紋結(jié)構(gòu)

進(jìn)一步改變飛秒激光波長，在ZnO晶體表面制備短周期納米條紋結(jié)構(gòu)，如圖2所示。圖2右上角雙箭頭分別表示不同波長飛秒激光的偏振方向。圖2(a)顯示了波長為800 nm飛秒激光，經(jīng)4 000個(gè)脈沖照射后樣品表面形貌，激光能量密度為0.27 J/cm2。由圖2可見，在燒蝕斑邊緣位置出現(xiàn)不規(guī)則的納米條紋結(jié)構(gòu)；由于光斑強(qiáng)度為高斯分布，在燒蝕斑中心區(qū)域光強(qiáng)較強(qiáng)，表層不規(guī)則條紋被燒蝕掉，材料內(nèi)層出現(xiàn)了垂直于激光偏振的規(guī)則短周期納米條紋結(jié)構(gòu)，條紋周期約為140 nm(圖2(b))。調(diào)節(jié)激光波長至1 300 nm，脈沖能量密度為0.23 J/cm2，當(dāng)樣品表面經(jīng)過10 000個(gè)飛秒脈沖照射后，圖2(c)清晰地觀察到規(guī)則的短周期納米條紋出現(xiàn)在材料內(nèi)層，條紋周期約為250 nm(圖2(d))。圖2(e)顯示了2 150 nm飛秒激光照射ZnO晶體后形成的短周期納米條紋結(jié)構(gòu)，脈沖能量密度為0.26 J/cm2，經(jīng)200個(gè)脈沖照射，條紋周期約為400 nm。

由圖1和圖2可知，不同波長的飛秒激光能夠誘導(dǎo)ZnO晶體表面短周期納米條紋結(jié)構(gòu)。激光照射后，材料表層出現(xiàn)不規(guī)則的納米條紋，規(guī)則的納米條紋出現(xiàn)在材料內(nèi)層。這可能是由于飛秒激光燒蝕材料時(shí)，在空氣中形成的納米粒子阻礙了表層納米條紋結(jié)構(gòu)的形成[12]，而內(nèi)層材料由于環(huán)境穩(wěn)定而形成規(guī)則條紋結(jié)構(gòu)。本文還比較了超聲清洗前后激光燒蝕ZnO晶體的表面形貌。圖3顯示了飛秒激光照射ZnO晶體后未經(jīng)超聲清洗的表面結(jié)構(gòu)，表層條紋不規(guī)則。經(jīng)超聲清洗后，表層不規(guī)則結(jié)構(gòu)被去除，露出了內(nèi)層的規(guī)則納米條紋結(jié)構(gòu)。

圖3 超聲清洗前后激光燒蝕ZnO晶體的表面形貌

圖4顯示了不同波長的飛秒激光誘導(dǎo)條紋周期隨激光波長的變化關(guān)系，納米條紋周期Λ與激光波長λ成線性關(guān)系，即

Λ=λ/2n

式中：n=2.1為ZnO晶體的折射率。

圖4 條紋周期隨激光波長的變化關(guān)系

本文推測納米條紋的形成與材料表面二次諧波的產(chǎn)生有關(guān)，其形成機(jī)理仍是一個(gè)艱深的問題，需要進(jìn)一步理論與實(shí)驗(yàn)的研究。利用飛秒激光照射，可以很方便地在ZnO晶體表面制備λ/4～λ/5的納米周期結(jié)構(gòu)，這在激光微納加工、高密度光存儲(chǔ)以及光子晶體等方面都具有廣闊的應(yīng)用前景。

3 結(jié) 語

材料表面制備納米結(jié)構(gòu)一直是改善材料光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)等物理化學(xué)性質(zhì)的有效手段之一。利用飛秒激光照射，能夠在材料表面誘導(dǎo)遠(yuǎn)小于激光波長的短周期納米結(jié)構(gòu)，突破了激光加工的衍射極限。調(diào)節(jié)激光波長能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)納米結(jié)構(gòu)周期的調(diào)諧，這在材料改性、激光微納加工、微型光學(xué)元件制備等方面都具有廣闊的應(yīng)用前景。