激光双光束干涉制备ZnO表面亚微米孔阵列结构

贾 鑫， 赵仙荣， 张 江， 王 华

(上海电机学院 数理教学部， 上海 201306)

激光双光束干涉制备ZnO表面亚微米孔阵列结构

贾 鑫， 赵仙荣， 张 江， 王 华

(上海电机学院 数理教学部， 上海 201306)

利用飞秒激光双光束干涉技术，在ZnO晶体表面制备亚微米孔阵列结构。该结构由微米光栅结构和亚微米孔组成。其中，微米光栅结构由双光束干涉的光强分布决定。亚微米孔由激光诱导长周期条纹演化而成，双光束干涉对光强的局域在形成过程中起了重要的作用。调节照射激光波长能够制备不同尺寸的纳米孔阵列，在激光纳米加工中具有潜在的应用价值。

飞秒激光； 双光束干涉； 亚微米孔阵列

自激光器发明以来，光与物质相互作用就成为研究的热点问题。1965年，Birnbaum[1]首次发现激光照射半导体后诱导周期条纹结构；之后，陆续发现连续激光、长脉冲激光照射半导体、金属、电介质等材料表面，能够诱导周期与激光波长相近的条纹结构[2-3]。自飞秒激光发明后，照射某些半导体、金属、电介质后，能够在材料表面及内部诱导远小于激光波长的纳米结构，结构周期约为(1/2)λ～(1/10)λ[4-9]。在飞秒脉冲能量较大时，单束飞秒激光可以在材料表面诱导与波长相近的长周期条纹结构，一般来说，周期条纹垂直于激光偏振方向[6]。这提供了一种制备材料表面结构的有效手段，在激光微纳加工、光子晶体及表面等离子体等方面具有巨大的应用潜力。

ZnO晶体具有较宽的直接带隙(温度300 K时约为3.3 eV)以及较大的激子束缚能(约60 meV)[10]，由于其良好的光学、电学性质而得到了广泛应用。在ZnO表面制备周期结构以改善其性质已成为获得有效光电器件的手段之一。利用飞秒激光照射ZnO表面，制备了多种纳米周期结构，有效地改善了ZnO的光电学性质[11-13]。

本文利用飞秒激光双光束干涉技术，当脉冲能量较大时，在ZnO晶体表面制备了亚微米孔阵列结构。通过研究其演化过程发现，亚微米孔是由激光诱导长周期条纹演化而来。在此过程中，双光束干涉的光强局域起了重要的作用。

1 实验装置

飞秒激光双光束干涉的实验装置如图1所示。飞秒激光器采用Spectra-Physics公司生产的钛宝石再生放大激光器(Hurricane)。输出波长为800 nm、脉冲宽度为50 fs的激光脉冲，最大单脉冲能量0.8 mJ，重复频率1 Hz～1 kHz可调。如图1所示，飞秒激光脉冲照射至电子快门以控制照射样品的脉冲数。使用半波片和格兰棱镜的组合以调节飞秒脉冲的能量和偏振方向。调节好的飞秒脉冲经分束片分为能量、偏振相同的A、B两束光。通过时间延迟线调节光束A的光程，两光束脉冲A、B经透镜聚焦后会聚到样品表面O点处。两光束飞秒脉冲的时间零点由BBO非线性晶体产生的和频信号确定。两光束间夹角2θ为13.9°。

图1 实验装置图

实验所用材料为10 mm×10 mm的ZnO晶体，厚度1 mm，双面光学抛光，样品表面平整度小于10 nm。将ZnO晶体置于计算机控制的三维移动平台上,以调节飞秒激光在样品表面的照射位置。照射后的样品先后置于去离子水、酒精中,超声清洗10 min以去除样品表面的残留碎屑。样品表面结构由扫描电子显微镜表征。

2 实验结果及讨论

图2(a)所示为偏振相同的飞秒激光双光束干涉制备ZnO晶体表面的亚微米孔阵列结构，图2(a)中右上角插图显示两光束的偏振方向。图2(b)所示为理论计算双光束干涉的光强分布图。飞秒激光照射后，样品表面出现了微米光栅结构，光栅周期约为3.3 μm。比较图2(a)、(b)可知，微米光栅结构是由双光束干涉的光强分布所决定的。与此同时，图2(a)显示在干涉光强较大的区域出现了亚微米孔阵列结构，孔的直径约为700 nm。

(a) 亚微米孔阵列结构

(b) 双光束干涉光强分布

为了弄清亚微米孔阵列的形成机理，进一步研究了表面结构随照射脉冲数的演化过程，如图3所示。图中,微米光栅结构是由双光束干涉光强分布引起的。调节单脉冲激光能量至0.4 J/cm2，图3(a)为20个飞秒脉冲照射后的样品表面形貌，在光强较强的区域出现了垂直于激光偏振的长周期条纹结构，条纹周期约700 nm，条纹长度约1.5 μm。当样品表面经过50个飞秒脉冲照射后，长周期条纹长度缩短为1.2 μm，且条纹之间的凹槽变宽变深(见图3(b))。最终，经过100个飞秒脉冲照射，长周期条纹间的凹槽演化为亚微米孔结构(见图3(c))。

(a) 20个脉冲照射

(b) 50个脉冲照射

(c) 100个脉冲照射

(d) 400 nm激光照射

图3 亚微米孔阵列结构随照射脉冲数的演化过程

Fig.3 Evolution process of submicro-hole array with the number of irradiated pulses

飞秒激光能够诱导材料表面短周期与长周期条纹结构，这取决于激光脉冲的能量[6]，但激光诱导条纹结构不同于图3所示的亚微米孔结构。因此，笔者推测双光束干涉在亚微米孔结构的形成过程中起了重要的作用。在图3(a)所示的长周期条纹结构形成后，由于表面形貌变化引起了光的非均匀吸收，导致后续照射脉冲的能量更多地沉积在条纹间的凹槽中；同时，由于双光束干涉引起的光强周期分布使长周期条纹无法沿条纹方向生长。因此，条纹间的凹槽部分由于大量能量的沉积烧蚀而变宽、变深，在足够的脉冲照射下，演化为亚微米孔结构。需要注意的是，长周期条纹的长度随着照射脉冲数的增加从1.5 μm减小到1 μm(见图3(a)～(c))。这可能是在亚微米孔阵列形成过程中，越来越深的凹槽导致自聚焦效应所引起的。

激光诱导长周期条纹的周期与照射激光波长相近，将800 nm飞秒激光进行倍频得到400 nm的飞秒激光脉冲，图3(d)为400 nm飞秒激光双光束干涉照射ZnO表面，制备直径约为300 nm的纳米孔阵列结构，得到了更小尺寸的纳米孔阵列结构。然而，由于激光脉冲能量偏大，导致双光束干涉的光栅结构被破坏。进一步可以调节激光波长，制备不同尺寸的孔阵列结构。

综上所述，调节照射光波长能够制备不同尺寸的纳米孔阵列，这在激光微纳加工、高密度光存储以及光子晶体等方面都具有广阔的应用前景。

3 结 论

ZnO由于其独特的光电学性质而得到广泛的关注。在ZnO晶体表面制备不同的微纳米周期结构是改善其性质的有效方法之一。利用飞秒激光双光束干涉技术，在ZnO晶体表面制备亚微米孔阵列结构。这一结构由微米光栅结构和亚微米孔组成。其中，微米光栅结构由双光束干涉的光强分布决定，亚微米孔由激光诱导长周期条纹演化而成。改变激光波长能够实现对孔的尺寸进行调节，这在激光纳米加工、光子晶体、材料改性等方面具有潜在的应用价值。

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Submicro-Hole Array Fabricated Using Two-Beam Interference on ZnO Surface

JIAXin，ZHAOXianrong,ZHANGJiang,WANGHua

(Department of Mathematics and Physics, Shanghai Dianji University， Shanghai 201306, China)

A submicro-hole array is fabricated using interference between two femtosecond laser beams on a ZnO surface. The submicro-hole array is composed of a micro-grating structure and submicro-holes. The micro-grating structure is determined by the intensity pattern of the two-beam interference. The submicro-holes are a result of growth of laser-induced long periodic ripples, in which the two-beam interference plays an important role. Nanohole arrays with different sizes can be fabricated by adjusting the laser wavelength. They have potential applications in the field of femtosecond laser nanofabrication.

femtosecond laser; two-beam interference; submicro-hole array

2017 -03 -01

国家自然科学基金项目资助(11104178)；上海市教育委员会科研创新项目资助(14YZ156)；上海市大学生创新活动计划项目资助(A1-5701-16-011-03-84)

贾鑫(1981-)，男，副教授，博士，主要研究方向为激光微加工， E-mail：jiaxin@sdju.edu.cn

2095 - 0020(2017)02 -0069 - 04

TB 383; O 436.3

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