专利名称：飞秒激光在晶体表面自组织生长微纳米结构的方法
技术领域：
本发明涉及一种利用飞秒激光在晶体表面自组织生长微纳米结构的方法，属飞秒激光应 用技术领域。
背景技术：
飞秒激光在不同领域内获得广泛应用，特别在晶体结构方面的研究。本发明为另一种特 殊研究方式，即利用飞秒激光在不同晶体表面诱导出自组织生长微纳米结构。并利用激光系 统进行检测和鉴定。
发明内容
本发明的目的是提供一种飞秒激光在晶体表面自组织生长微纳米结构的新方法。 本发明的一种飞秒激光在晶体表面自组织生长微纳米结构的方法，其特征在于利用飞
秒激光器系统，其波长为800nm，脉冲宽度为120fs，重复频率为250KHz的飞秒激光；从激 光器再生放大器中发出激光的脉冲最大能量为6pJ，光强分布为高斯分布的线偏振光；利用
中性滤色片连续调节激光能量，通过X/4波片后为圆偏振光；然后通过起偏器调节激光的偏振
方向；利用20倍显微物镜将激光全聚到晶体表面，用快门控制飞秒激光辐照时间，飞秒激光 在所述晶体表面诱导出自组织生长长程纳米结构。
上述的线偏振飞秒激光垂直入射到晶体表面，根据激光光波与散射光波的干涉及用形成 机理在晶体表面形成的光栅周期A为A = A;式中A二800nm，为激光波长；n为晶体对于
波长为800nm光的折射率；通过改变激光的偏振方向调节周期性微纳米光栅结构的取向。
本发明利用扫描电子显微镜来观察飞秒激光辐照后晶体表面的纳米结构；另外，通过控 制飞秒激光的能量和辐照脉冲个数、改变飞秒激光偏振的形态和方向，在激光焦点不动、三 维精密平台以10)am/S沿X轴方向移动的条件下，检测在晶体表面自组织生长长程类布拉格 纳米光栅结构和纳米颗粒结构。
关于本发明中所试验用的晶体锡化锌晶体和氧化锌晶体来说，锡化锌晶体的折射率11=2.2;氧 化锌晶体的析射率『2.52;按上式计算，其光栅周期A的理论值分别为179nm和159nm。
图1为本发明的飞秒激光在晶体表面自组织生长微纳米结构方法系统装置图。 图中1—飞秒激光器系统(美国相干公司，型号RegA9000);激光波长为800nm，脉 冲宽度为120fs，重复频率为250KHz飞秒激光，脉冲最大能量为6|aJ，光强分布为高斯分布的线偏振光；2、 3—800nm反射镜；4—中性滤色片；5-X/4波片；6~起偏器；7—光阑；8—
快门；9—双色反射镜；10—显微镜；ll一晶体样品；12—计算机控制三维精密平台；13—CCD;
14一数据采集系统。
图2是锡化锌晶体表面激光能量为lJ/cr^激光辐照0.1s后焦斑区域纳米结构表面扫描电镜 图，箭头表示飞秒激光的偏振方向。
图3是飞秒激光在锡化锌晶体表面自组织生长长程纳米结构(a)和纳米颗粒(b)的扫描电镜
图。激光焦点不动、三维精密平台以10，/s沿X轴方向移动、激光能量为lJ/cm2。
图4是飞秒激光在锡化锌晶体表面自组织生长长程纳米结构的扫描电镜图，飞秒激光偏
振方向E与平台移动方向S分别成(T45°(6),90"(c)。
图5是飞秒激光在氧化锌晶体表面自组织生长长程纳米结构的扫描电镜图，飞秒激光偏
振方向E与平台移动方向S分别成90。O)，45。(6),0。(c)。
具体实施例方式
本发明实施例以锡化锌晶体和氧化锌晶体为试验样品。
实施例一采用图1所示的装置，试验晶体为锡化锌晶体，其两面抛光，所采用的激光
能量为1J/cm2，小于锡化锌晶体激光烧蚀阈值，激光辐照时间为O.ls，飞秒激光在锡化锌晶 体表面自组织生长长程纳米结构；并按前述方式飞秒激光系统装置进行检测和鉴定。参见图 2，从图2中可看到其纳米结构分布在整个激光辐照区域。对于线偏振飞秒激光，观察到具有 周期性结构的纳米光栅，当改变飞秒激光的偏振方向时(图中箭头方向)，纳米光栅结构的取 向也随之改变，参见图2 (a)、图2 (b)、图2 (c);其重复周期为160士10nm。对于圆偏振 飞秒激光，观测到均匀的纳米颗粒，尺寸为150nm左右，参见图2 (d)。
激光焦点不动，三维精密平台以10nm/S沿X轴方向移动，激光能量为1J/cm2，在锡化 锌晶体表面自组织生长长程纳米结构，对于线偏振飞秒激光，自组织生长周期性长程纳米光 栅结构可参见图3 (a)，对于圆偏振飞秒激光，自组织生长周期性长程纳米光栅结构可参见 图3(b);改变飞秒激光的偏振方向，参见图4，自组织生长长程纳米光栅的取向随之而变化， 当飞秒激光偏振方向E与平台移动方向S分别成O。 、 45° 、 90°时，自组织生长的长程纳 米光栅的取向分别与平台移动方向垂直，参见图4 (a)、 45°倾斜，参见图4 (b)、平行，参 见图4 (c);其重复周期为160土10nm。
实施例二试验晶体为氧化锌晶体，其两面抛光；检测时，激光焦点不动，三维精密平台以10nm/S沿X轴方向移动，激光能量为0.5J/cm2，小于氧化锌晶体激光烧蚀阈值；对于
线偏振光，改变飞秒激光的偏振方向，自组织生长长程纳米光栅的取向随之而变化，当飞秒
激光偏振方向E与平台移动方向S分别成90。 、 45° 、 0°时，自组织生长的长程纳米光栅 的取向分别与平台移动方向平行，参见图5 (a)、 45°倾斜，参见图5 (b)、垂直，参见图5 (c)，其重复周期为180土10nm。
权利要求
1.一种飞秒激光在晶体表面自组织生长微纳米结构的方法，其特征在于利用飞秒激光器系统，其波长为800nm，脉冲宽度为120fs，重复频率为250KHz的飞秒激光；从激光器再生放大器中发出激光的脉冲最大能量为6μJ，光强分布为高斯分布的线偏振光；利用中性滤色片连续调节激光能量，通过λ/4波片后为圆偏振光；然后通过起偏器调节激光的偏振方向；利用20倍显微物镜将激光全聚到晶体表面，用快门控制飞秒激光辐照时间，飞秒激光在所述晶体表面诱导出自组织生长长程纳米结构。
2. 根据权利要求1所述的飞秒激光在晶体表面自组织生长微纳米结构的方法，其特征在于 所述的线偏振飞秒激光垂直入射到晶体表面，根据激光光波与散射光波的干涉及用形成 机理在晶体表面形成的光栅周期A为A = A;式中A二800nm，为激光波长；n为晶体对于波长为800nm光的折射率；通过改变激光的偏振方向调节周期性微纳米光栅结构的取 向。
全文摘要
本发明涉及一种利用飞秒激光在晶体表面诱导出自组织生长微纳米结构的新方法，属飞秒激光应用技术领域。本发明的特点是利用飞秒激光器系统装置来进行对不同晶体利用飞秒激光在其表面诱导出自组织生长长程纳米结构及对该结构的方向取向的控制定。该飞秒激光器系统产生的激光波长为800nm，脉冲宽度为120fs，重复频率为250KHz的飞秒激光，脉冲最大能量为6μJ，光强分布为高斯分布的线偏振光。通过扫描电子显微镜可看到该纳米结构分布在整个激光辐照区域；对于线偏振飞秒激光，还可看到具有周期性结构的纳米光栅。
文档编号G01N21/41GK101319347SQ200810037730
公开日2008年12月10日 申请日期2008年5月20日 优先权日2008年5月20日
发明者果 叶, 郭青天, 钟敏建, 马宁华, 马洪良 申请人:上海大学