长春理工大学超快光学实验室简介

长春理工大学超快光学实验室依托于长春理工大学理学院及长春理工大学国际纳米光子学研究中心，于2009年组建成立，2011年被评为吉林省高强度飞秒激光与物质相互作用优秀团队称号。现有教授2名，副教授1名，讲师1名;博士研究生9名，其中3名为外国留学生;硕士研究生20余名。

实验设施方面，现有超净实验室130 m2，美国Coherent公司的10 Hz和kHz飞秒激光器各一套，配套的波长扩展飞秒OPO设备一套，美国Continuum公司高能量纳秒激光器及OPO设备一套。此外还有美国PI公司可见-红外全波段光谱仪，配合X-ray CCD的极紫外平像场光谱仪，可见波段CCD及ICCD，激光与物质相互作用真空靶室等一系列实验设备，实验装置如图1所示。

图1 实验室设备一览Fig．1 A glimpse of laboratory

图2 金属Ni表面的不同微纳结构呈现出不同颜色Fig．2 Photographs show that Ni samples with various colors formed by femtosecond laser pulse irradiation

目前，极紫外光刻用LPP光源是本实验室的一个重要研究方向，同时还开展了其它相关的研究工作。例如:飞秒激光金属表面着色及飞秒激光诱导形成材料表面微纳功能结构的研究。该项研究是通过在硅或金属表面制备出具有一定规律的微纳结构，使材料表面的光学特性发生根本性的改变。目前已经在Ni、Mo和Al等金属表面，通过控制激光参数成功制备出了不同周期的微纳结构，使金属样品呈现出不同的颜色，如图2所示;同时利用该技术在半导体硅表面形成了对可见到红外(0.2～20 μm)宽波段几乎全部吸收的新型黑硅材料，如图3所示。

最近实验室又成功地利用飞秒激光等离子体丝在球形铝表面制备出对宽波段范围光有强吸收的微纳结构，如图4所示。这项工作将利用飞秒激光在材料表面制备出功能性微纳结构的工作从传统的平面结构拓展到任意形状表面，克服了以往在非平面上制备微纳结构时所必须的复杂光电控制系统［1］。

图3(a)黑硅照片和SEM图像Fig．3 (a)Photograph and SEM images of black silicon sample

图3 (b)黑硅和硅片吸收率与波长关系Fig．3 (b)wavelength-dependent absorbance of black silicon and regular silicon

图4 (b)形成微纳结构前后反射率对比，(c)形成微纳结构的SEM照片Fig．4 (b)The wavelength dependent reflectance of Al spherical surface before and after femtosecond laser filament processing．(c)SEM images of an intrinsic Al spherical surface

另一方面，还对空气中飞秒激光成丝诱导高压放电现象作了系统的研究，结果表明:无论利用飞秒激光单丝还是多丝诱导放电，它们相比自然放电的情况都会极大地降低放电阈值，并首次观察到了在短间距条件下多丝诱导高压放电时，高压放电将沿单一路径进行这一物理现象［2］，如图5所示。

同时，实验室也开展了利用飞秒激光等离子体丝传导射频电磁能的研究，理论模拟了由等离子体丝形成圆筒状虚拟微波波导的可行性，如图6所示，并计算了形成不同模式等离子体丝波导所需要的激光能量，以及形成波导的电导率和电磁波趋肤深度等物理量，讨论了这种波导中微波传输时的能量衰减情况，相比于自由传输，这种微波虚拟波导可在有限距离内有效地传导微波能。在该方面实验室取得了一系列新的研究成果［3-4］。

实验室还在飞秒激光及纳秒激光诱导击穿光谱(LIBS)方面做了大量的工作，研究了LIBS光谱中连续辐射及线辐射的偏振特性，如图7所示。利用连续谱及线谱偏振特性不同的特点，可提高LIBS光谱的信噪比，在该实验方面取得了一定的研究结果［5］。

图5 (a)不同飞秒激光脉冲能量下成丝结构的演化，(b)成丝诱导高压放电的放电路径Fig．5 (a)The filament pattern with different pulse energy，(b)Images of the discharging path guided by the filament

图6 由等离子体丝形成的中空的微波波导的模型Fig．6 The hollow conducting waveguide model produced by filament

图7 偏振式LIBS与传统LIBS光谱数据的对比Fig．7 The data comparison between polarization LIBS spectra and traditional LIBS spectra

此外，还开展了利用增强的纳米尺度等离子体激元场产生相干极紫外辐射方面的研究。利用纳米尺度的金属粒子与低脉冲能量的飞秒激光脉冲相互作用，在其周围形成等离子激元场，通过共振效应对原有的飞秒激光脉冲场进行局域放大，从而相干的产生极紫外波段的高次谐波发射，这项研究将大大降低高次谐波产生所需要的激光条件。另外，实验室计划开展几周期飞秒激光脉冲引起纳米尺度等离子体激元共振场超快动力学过程的实验研究，采用阿秒相干极紫外辐射对纳米尺度等离子体激元的振荡过程进行高时间及空间分辨率的研究。

［1］ TAO H Y，LIN J Q，HAO Z Q，et al．．Formation of strong light-trapping nano-and microscale structures on a spherical metal surface by femtosecond laser filament［J］．Appl．Phys．Lett．，2012，100:201111．

［2］ GUO K M，LIN J Q，HAO Z Q，et al．．Triggering and guiding high-voltage discharge in air by single and multiple femtosecond filaments［J］．Optics Letters，2012，37(2):259-261．

［3］ ALSHERSHBY M，LIN J Q，HAO Z Q．Numerical analysis of guiding a microwave radiation using a set of plasma filaments:dielectric waveguide concept［J］．J．Phys．D:Appl．Phys．，2011，45:065102．

［4］ ALSHERSHBY M，HAO Z Q，LIN J Q．Guiding microwave radiation using laser-induced filaments:the hollow conducting waveguide concept［J］．J．Phys．D:Appl．Phys．，2012，45:265401．

［5］ NAKIMANA A，HAO Z Q，LIU J，et al．．The high dependence of polarization resolved laser-induced breakdown spectroscopy on experimental conditions［J］．Chin．Phys．B，2012，21(7):074204．