飞秒激光双光束干涉制备二维纳米复合周期结构

贾 鑫

（上海电机学院 数理教学部，上海201306）

近年来，全息光刻技术由于其工艺简单、成本低廉，而被广泛应用于光栅制造以及光子晶体制备。全息光刻技术是利用多束激光干涉的方法在光敏材料上刻蚀周期结构[1-3]。一般而言，双光束干涉制备一维光栅结构，三光束干涉制备二维周期结构，四光束及多光束干涉制备三维结构。然而，由此方法得到的结构周期往往大于激光波长[2-3]，制备的光子晶体的带隙通常位于红外光波段，且灵活性不足，制备的结构缺乏多样性。因此，需要发展小周期结构的新制备方法以方便获得可见光、紫外光波段的光子晶体[3]。

飞秒激光照射某些半导体、金属、电介质后，在材料表面及内部诱导短周期纳米结构，其周期远小于激光波长（λ／10～λ／2），且条纹周期与激光入射角无关[4-12]。线偏振光诱导垂直于激光偏振方向的纳米条纹；圆偏振光诱导纳米颗粒。文献[4-9] 中提出了不同的理论模型解释飞秒激光诱导纳米周期结构的形成机理。但目前为止，飞秒激光诱导纳米周期结构的物理机制还没有统一的结论，仍需要进一步做理论与实验研究。这一现象在激光纳米加工、材料改性、表面等离子体等方面具有很大的应用潜力。

本文将飞秒激光诱导纳米周期结构与全息光刻技术相结合，利用飞秒激光双光束干涉的方法在ZnO晶体表面制备了二维纳米复合周期结构，调节两光束间的夹角制备得到了不同周期的纳米复合结构。这为可见光、紫外光波段的光子晶体制备提供了有效的技术手段，并且在纳米结构制备、超高密度光存储等方面具有巨大的应用潜力。

1 实验装置

图1所示为飞秒激光双光束干涉制备二维复合周期结构的实验装置图。实验采用Coherent公司生产的钛宝石再生放大激光器（Legend Elite），输出中心波长800nm、脉宽40fs的激光脉冲，单脉冲能量为3mJ，重复频率1～1 000Hz可调。激光束经过电子快门（Shutter）以控制照射样品的脉冲数。通过半波片（HF）与格兰棱镜（GZ）相结合控制脉冲能量和激光偏振后，经分束片（BS）分为能量与偏振相同的A，B两束光，光束A通过时间延迟线（Delay Line）与光束B同时会聚于样品表面同一点处。两光束时间零点由BBO产生的和频信号确定。图1中右上角插图为双光束干涉的强度分布花样，干涉周期与两光束间的夹角2θ有关，两者间的关系为

式中，Λ为干涉周期。

实验所用样品为ZnO晶体，尺寸为10mm×10mm×1mm，双面光学抛光，样品放置于计算机控制的三维移动平台上。照射后的样品置于酒精中超声清洗10min以去除样品表面的残留碎屑。样品表面形貌及纳米结构由扫描电子显微镜进行表征。

图1 飞秒激光双光束干涉实验装置Fig.1 Experimental setup of two-femtosecond-laser-beam interference

2 实验结果及讨论

图2所示为典型的双光束干涉制备的一维光栅结构，由双束干涉的强度分布花样决定（见图1中插图）。图像倾斜是由于拍摄扫描电镜时的取向问题，不影响观察周期结构的形貌，光栅结构的方向始终垂直于两光束所在的平面。构。图3所示为800nm飞秒激光双光束干涉照射ZnO晶体后诱导的周期结构的扫描电镜照片。光波长，并且纳米条纹方向垂直于激光的偏振方向，这是由飞秒激光照射诱导形成的。因此，利用飞秒激光双光束干涉制备得到了二维微纳复合周期结构。

图2 双光束干涉制备的经典一维光栅结构Fig.2 Typical one-dimensional grating structures fabricated by two-beam interferenc

图3 飞秒激光双光束干涉制备的二维微纳复合周期结构Fig.3 Two-dimensional complex periodic micro-nanostructures fabricated by the interference of two femtosecond laser beams

增大两光束间夹角2θ可以减小光栅结构的周期，得到更精细的纳米复合周期结构。图4所示为不同夹角下飞秒激光双光束干涉制备的纳米复合周期结构的扫描电镜照片。图4（a）中右上角插图显示了光束A，B的空间位置及激光的偏振方向，由图可见，纳米条纹的方向始终垂直于激光的偏振方向。当增大光束A，B的夹角2θ至60°时，图4（a）显示干涉周期为800nm，由于激光波长没有变化，故飞秒激光诱导的纳米条纹的周期没有变化。当夹角2θ＝90°时，干涉周期变为560 nm，如图4（b）所示，并且由于干涉周期对纳米条纹形成的限制作用，条纹结构变得更加规则，从而形成了规则的二维纳米复合周期结构。进一步增大夹角2θ至120°，如图4（c）所示干涉周期减小为460nm，与纳米条纹的周期相近，形成二维纳米光栅结构。这在紫外光区光子晶体制备、材料改性、高密度光存储上都有潜在的应用价值。

图4 调节双光束夹角制备的二维纳米复合周期结构Fig.4 Two-dimensional complex periodic nanostructures fabricated by adjusting the convergence angle of two laser beams

3 结 语

将飞秒激光诱导短周期纳米结构与双光束干涉技术相结合，在ZnO晶体表面制备了二维纳米复合周期结构，这一结构是由干涉强度决定的长周期结构和飞秒脉冲诱导的短周期纳米条纹结构组成。改变两光束间的夹角2θ，制备得到了不同周期的规则二维纳米复合结构，这在紫外光区光子晶体制备、纳米结构制备、材料改性以及高密度光存储上都具有巨大的应用潜力。

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