飞秒激光三光束干涉制备SiC表面非对称微纳周期结构.pdf

第2 6 卷第4期2023年文章编号2095-0020(2023)04-0187-05上海电机学院学报JOURNAL OF SHANGHAI DIANJI UNIVERSITYVol.26 No.42023飞秒激光三光束干涉制备 SiC 表面非对称微纳周期结构贾鑫，宋晨宇，张玮航，色（上海电机学院电子信息学院，上海2 0 130 6)摘要在材料表面制备微纳周期结构能够有效地改善材料性质。利用飞秒激光三光束干涉技术在SiC晶体表面制备了非对称微纳周期结构。该结构由长周期微米结构和激光诱导的短周期纳米结构组成。实验结果表明：调节光束间的偏振组合可以改变纳米结构的分布，从而便捷地制备不同类型的非对称微纳复合周期结构。理论计算了不同偏振组合下三光束干涉的光强分布和偏振分布，与实验结果相吻合。该方法使偏振成为影响干涉的一个重要因素，在激光纳米加工中具有潜在的应用价值。关键词飞秒激光；三光束干涉；偏振调节；非对称微纳周期结构；碳化硅中图分类号0 436.3Asymmetric periodic micro-nanostructures on SiC surface fabricated by包皓然文献标志码Ainterference of three femtosecond laser beamsJIA Xin,SONG Chenyu,ZHANG Weihang,BAO Haoran(School of Electronic Information Engineering,Shanghai Dianji University,Shanghai 201306,China)AbstractIMaterial properties can be improved by the fabrication of periodic micro-nanostructures on the surface.Asymmetric periodic micro-nanostructures on SiC crystal surfacesare obtained by the interference of three femtosecond laser beams.The structures consisted of long-period microstructures and short-period nanostructures induced by femtosecond laser.Theexperimental results show that the distribution of nanostructures can be changed by adjusting thepolarization combinations between beams.Therefore,it is convenient to fabricate micro-nanocomposite periodic structures of different types.Theoretical calculations of the light intensitydistribution and polarization distribution of three-beam interference under different polarizationcombinations are consistent with the experimental results.This method makes polarization animportant factor affecting interference and has potential application value in laser nanofabrication.Key words femtosecond laser;three-beam interference;polarization adjustment;asymmetricperiodic micro-nanostructures;silicon carbide(SiC)收稿日期：2 0 2 3-0 2-0 8基金项目：上海电机学院产教融合型课程建设资助项目（A1-5101-22-003-08-084)作者简介：贾鑫（198 1一），男，副教授，博士，主要研究方向为激光微纳加工，E-mail:188通过在材料表面制备微纳结构能够有效地改善材料的光学、电学、力学等性能，在太阳电池、光控调制器和传感器等领域具有广阔的应用前景。已有多种方法制备微观周期结构1-3,如湿法刻蚀、纳米压印、激光直写等技术。飞秒激光加工技术具有真三维、精度高、无需掩膜等特点，被广泛应用于微纳加工中。一般，双光束干涉制备二维周期结构4,三束及以上光束干涉制备三维周期结构5-6 。国内研究小组通过偏振控制三光束干涉在单晶硅表面制备了仿腹色复眼表面微结构7。通过优化偏振组合可以获得种类繁多的周期结构8 ,对偏振调节的激光干涉技术制备周期结构的研究仍然需要进一步实验和理论研究。飞秒激光照射半导体、金属、电介质等材料后，在表面及内部诱导周期约为（1/2 1/10)入的纳米结构9-11,其周期远小于激光波长。一般情况下，圆偏振激光诱导纳米颗粒，线偏振激光诱导垂直于偏振方向的纳米条纹，椭圆偏振激光诱导垂直于长轴的纳米条纹12 7。目前，许多理论已被提出以解释飞秒激光诱导纳米周期结构的形成机理，例如：表面干涉13-14、自组织15、表面等离激元16 等，但仍有许多新的实验现象不断涌现，需要更多的实验与理论研究。飞秒激光诱导纳米结构提供了一种简易的方法，有效地突破激光加工的衍射极限，在激光微纳加工、光子晶体、表面等离子体等方面具有巨大的应用潜力。本文结合飞秒激光三光束干涉技术和飞秒激光诱导纳米结构，在SiC晶体表面制备非对称微纳复合周期结构。改变三束光的偏振组合，能够实现对非对称微纳复合周期结构的调节。理论计算了三光束干涉的光强分布和偏振分布，与实验结果相吻合。1实验装置飞秒激光三光束干涉的实验装置如图1所示。实验采用的飞秒激光器为Spectra-Physic公司生产的钛宝石再生激光放大器。输出的飞秒激光参数为：中心波长8 0 0 nm，脉冲宽度50 fs，重复频率1kHz,单脉冲能量3.5mJ。利用半波片和格兰棱镜组合调整输出飞秒激光的能量和偏振。利用两片分束片将出射的飞秒激光分为能量相同的三束光上海电机学院学报A、B、C。通过时间延迟线调节光束B、C的光程，使三束飞秒脉冲同时照射在样品表面同一点处，通过偏硼酸钡产生的和频信号确定三束飞秒激光脉冲的时间零点。在每束光路中放置波片以调整激光的偏振方向。三光束的空间位置分布如图1中右上角插图（P平面到样品O点的立体示意图）所示，三光束呈正三角形排列，任意两光束间夹角为15.8飞秒激光半波片格兰棱镜分束片分束片延迟线0透镜波片P平面延迟线图1实验装置实验所用的样品为SiC晶体，尺寸为10 mmX10mmX1mm,经光学抛光后样品表面粗糙度小于10 nm。将 SiC晶体置于计算机控制的三维移动平台，以调整光束在样品表面的照射位置。激光照射后，通过扫描电镜观察样品表面的微纳复合周期结构。2实验结果及讨论旋转波片调节三光束的偏振组合如图2(a)左下角插图所示，光束B为圆偏振光，光束A、C 为线偏振光，偏振方向与轴的夹角=45。当单束飞秒激光的功率为1.2 8 mW，经10 0 个飞秒脉冲照射后，在SiC晶体表面制备了非对称微纳复合周期结构，如图2(a)所示。样品表面出现正六边形周期排列的烧蚀坑，周期约为3.2 5m，这是由三光束干涉的光强分布决定的。在每个微米烧蚀斑的中心位置隐约看到纳米颗粒结构，颗粒直径约为180nm,这是由于激光诱导纳米结构与激光参数有很强的关系。在功率较低、脉冲较少的条件下，纳米颗粒及纳米条纹结构不易形成。在纳米颗粒2023年第4期P平面BACYB1样本022023年第4期左右两侧出现了远小于激光波长的短周期纳米条纹结构，条纹周期约为18 0 nm。条纹方向相互正交，左侧为竖直方向条纹，右侧为水平方向条纹，所占面积几乎相等。调节飞秒激光功率为2.99mW，经2 0 0 个飞秒脉冲照射SiC表面。随着激光功率及照射脉冲数的增加，样品表面烧蚀程度加深，仍呈现正六边形周期排列的烧蚀坑，烧蚀坑深度加深。每个微米烧蚀坑内的纳米周期条纹更加清晰、规则，如图 2(b)所示。转动波片调节激光偏振组合，使a=35，如图3(a)左下角插图所示。当单束飞秒激光的功率为贾鑫，等：飞秒激光三光束干涉制备SiC表面非对称微纳周期结构1891.64mW，经过40 个飞秒脉冲照射后，样品表面制备了正六边形周期性排列的烧蚀坑，周期约为3.30m,如图3（a)所示。同时，纳米颗粒结构不在烧蚀坑中心，向右偏移。在颗粒两侧形成短周期纳米条纹结构，两侧条纹方向相互正交，竖直条纹所占面积大于水平条纹所占面积，整体呈非对称微纳周期结构。当单束飞秒激光的功率为2.9mW，经过2 0 0 个飞秒脉冲照射后，图3（b）显示正六边形周期排列的烧蚀坑加深，烧蚀坑内能观察到明显的竖直方向条纹及纳米颗粒结构；水平方向条纹由于面积减小而不易形成。=45AccV.SpotMaqnWD2um57(a)功率1.2 8 mW，10 0 个飞秒脉冲照射DetWD10.0kV3.021982xTLD6.7(b)功率2.99mW，2 0 0 个飞秒脉冲照射图2=45时，三光束干涉制备非对称微纳周期结构=35Ace.VSpotMaan10.0kV3.021682xDetWDTLD5.7(a)功率1.6 4mW，40 个飞秒脉冲照射由此可见，通过简单的旋转波片调节三束光的偏振组合，能够制备不同类型的非对称微纳周期结构。为了解释这一现象,利用 Matlab 编制程序理论模拟了三光束干涉的强度分布和偏振分布。三光束均为平面波，通过琼斯矢量表示不同偏振。电(b)功率2.9mW，2 0 0 个飞秒脉冲照射图3=35时，三光束干涉制备非对称微纳周期结构场表达式为Em(r)=Eom exp(i(ot+kmrm+om)(cos0msin,77式中：Eom为激光电场振幅；w为激光角频率；kmm=A,B,C(1)190为单束光波矢；r为各光束传播方向矢量；9om为初相位;0 为光偏振方向与轴的夹角。三光束的电场振幅Eo均归一化，初相位9om为0。在干涉面不同位置对三光束电场进行矢量合成，合成电矢量表达式为E(r)=ZEm(r)通过该方法，计算出光的偏振分布和三光束干涉后的光强分布I（r）,其表达式为I(r)=|E(r)2三光束干涉实验和理论计算结果如图4所示。图4(a)为=45时的非对称微纳周期结构的扫描电镜图片，图4（c)为相同偏振组合下的理论计算图。理论计算三光束干涉光强分布呈六边形，周期为3.2 5m，这与实验结果的正六边形长周期微米结构相吻合。由于飞秒激光诱导纳米结构由光的偏振所决定，一般而言，圆偏振飞秒激光诱导纳米颗粒，线偏振光诱导垂直于偏振方向的纳米条纹，椭圆偏振光诱导垂直于长轴方向的纳米条纹12 图4(c)中的黑色线条表示干涉光场不同位置的偏振分布。在每个光斑中心为圆偏振，诱导对应位置纳米颗粒结构，如图中白色虚线所示。在光斑中心两侧为椭圆偏振，长轴方向相互正交；在实验烧蚀斑相应位置出现纳米条纹结构，条纹方向垂直于椭圆偏振的长轴。比较图4(a)、（c)实验和理论结果可以发现，正六边形的二维周期微米烧蚀斑是由三光束干涉的光强分布引起的，每个烧蚀斑上的非对称纳米结构由偏振分布决定。圆偏振位置位于光斑中心，纳米颗粒左右两侧条纹所占面积相等。图4(b）、（d)为=35时的非对称微纳周期结构的实验电镜图片和理论计算图。由于偏振组合的变化，每个光斑上圆偏振位置向右偏移，在图4(b)中对应位置诱导纳米颗粒结构，如图中白色虚线所示。由图4(d)理论计算结果可知，纳米颗粒并不是出现在光强最强区。由于纳米颗粒是由激光诱导形成，其出现位置由三光束干涉偏振分布决定。光强最强区出现在光斑的中心，而圆偏振位置的右移造成了纳米颗粒位置的偏移。在圆偏振位置的两侧，仍出现长轴方向相互正交的椭圆偏振，诱导相互正交的非对称纳米条纹结构。由于圆上海电机学院学报偏振位置右移，纳米颗粒左侧竖直条纹所占面积大于右侧水平条纹。(2)2um(a)=45实验结果(3)(c)=45理论计算图4三光束干涉实验和理论计算由图4可知，通过改变光束B、C 偏振与轴间的夹角，能够改变干涉光场的偏振分布，从而调节正交纳米条纹的面积比例。为了印证上述观点，分别计算了为15456 0 7 5时的光强分布和偏振分布，如图5所示。4(a)=15(b)=45(c)=60(d)=75图5不同值的三光束干涉的光强分布及偏振分布由图5可知，随着的增加，圆偏振位置向左移动（如图中白色虚线所示），造成纳米颗粒的偏移,圆偏振两侧相互正交的椭圆偏振面积比例变化，诱导的正交纳米条纹面积比例变化，与实验结果相吻合。因此,通过改变光束B、C 偏振与轴的夹角，能够有效调节正交纳米条纹结构的面积2023年第4期2um(b)=35实验结果(d)=35理论计算6543265322023年第4期比例，在微纳加工、光子晶体等领域具有应用潜力。3结语本文采用飞秒激光三光束干涉技术，调节三束光的偏振组合，在SiC晶体表面制备了非对称微纳周期结构。理论计算表明,长周期微米结构是由干涉光强分布所决定的，短周期纳米结构取决于干涉偏振分布。该技术可以极大地提高微纳复合结构的多样性，在激光微纳加工、光子晶体等方面具有广阔的应用前景。参考文献1(CAMPBEL M L,SHARP D N,HARRISON M T,et al.Fabrication of photonic crystals for the visiblespectrum by holographic lithography J.Nature,2000,404(6773):53-56.2 NIE Z H,KUMACHEVA E.Patterning surfaceswith functional polymers J.Nature Materials,2008,7(4):277-290.3XIE X S,LI M,GUO J,et al.Phase manipulatedmulti-beam holographic lithography for tunable opti-cal latticesJ.Optics Express,2007,15(11):7032-7037.4MAO W D,LIANG G Q,ZOU H,et al.Controllablefabrication of two-dimensional compound photoniccrystals by single-exposure holographic lithographyJJ.Optics Letters,2006,31(11):1708-1710.5HUANG J T,BECKEMPER S,GILLNER A,et al.Tunable surface texturing by polarization-controlledthree-beam interferenceJ.Journal of Micromechanicsand 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