[发明专利]双波长飞秒激光制备二维周期金属颗粒阵列结构的方法

说明书

技术领域：

本发明涉及飞秒激光在金属材料表面制备二维周期亚微米量级颗粒阵列结构的方法和加工装置，应用了飞秒激光脉冲在金属表面诱导周期性亚波长条纹结构随入射激光波长和偏振态发生变化的物理效应，属于超快激光应用与微纳米加工领域，未来可能在与表面等离子体波（Surface plasmon polaritons---SPPs）有关的新型纳米光子器件的设计与制备等方面具有重要潜在应用。

背景技术：

近年来，飞秒激光技术及其商业化器件的快速发展和日趋成熟吸引了诸多学科领域内研究人员的广泛关注，特别是由于飞秒激光脉冲具有的脉冲时间短、峰值功率高和聚焦功率密度大等特点，使其在与超快过程检测、强场物理、非线性显微成像、激光烧蚀推进、材料改性和高精密加工等基础科学研究和先进制造技术开发和应用等方面具有广泛的应用前景。

特别是在超高精密加工、处理和制备领域，飞秒激光脉冲作为一种能够对材料和器件实现微纳米尺度上组织结构改变及其功能特性调控的新兴手段而受到世界各国科学家的广泛关注。与传统采用光学、电子束和离子束曝光进行掩膜刻蚀的加工工艺相比较，飞秒激光微纳米加工与制备技术具有操作简单、灵活、速度快、成本低和精度高等优点，已逐步发展成为当前激光、光电子和机械工程领域内的前沿研究方向。目前，人们利用飞秒激光已对金属、半导体、聚合物和透明电介质等成功实现了微米、亚微米甚至纳米尺度上的加工、制备与制作。特别是最近大量的实验研究表明：当单束低能量飞秒激光通过光学聚焦后以重复或扫描方式照射样品材料表面或内部时，在光斑覆盖区域内会出现一维周期或准周期性排列的条纹、沟槽或类光栅结构，其空间周期随着入射飞秒激光能量和脉冲数目发生变化，并且可以远小于入射激光波长，而条纹空间排列方向则与入射激光的偏振态紧密相关【Pulse number dependence of laser-induced periodic surface structures for femtosecond laser irradiation of silicon,Journal of Applied Physics2010,108:034903;Formation of extraordinarily uniform periodic structures on metals induced by femtosecond laser pulses,Journal of Applied Physics2006,100:023511;Femtosecond-laser-induced nanostructure formed on hard thin films of TiN and DLC,Appl.Phys.A,2003,76:983-985】。同时，针对这种奇特的物理现象，人们也给予了大量系统深入的理论研究，并相继提出了“自组织、二次谐波和表面波干涉”等多种物理模型加以分析和模拟【Self-organized pattern formation upon femtosecond laser ablation by circularly polarized light,2006,252:4702-4706;Formation of nanogratings on the surface of a ZnSe crystal irradiated by femtosecond laser pulses,Physical Review B,2005,72:125429;Surface Electromagnetic waves in optics,Optical Engineering,31:718-730】。相比较而言，其中入射激光与其在材料表面诱导产生等离子体波（SPPs）之间的干涉理论能够更好合理地解释所观测到的实验现象，因此目前它已被多数人所接受。

与此同时，人们还通过大量研究发现飞秒激光在金属和半导体表面诱导产生的这些周期或非周期性微纳米结构能够有效增强材料的多种功效和物化性能【陈烽、张东石等，飞秒激光制备金属表面超疏水微结构的方法，发明专利号：200910021923；杨建军、张楠、杨阳等，利用激光制备微结构靶提高激光推进冲量耦合系数的方法，发明专利号：