飞秒激光诱导ZnO晶体表面短周期纳米结构

2020-01-06贾鑫

上海电机学院学报 2019年6期

贾鑫

(上海电机学院文理学院, 上海 201306)

飞秒激光由于具有超短、超强的特点，广泛应用于非线性光学、超快成像、极端环境模拟等领域。相较于皮秒、纳秒激光脉冲，飞秒激光脉冲烧蚀固体材料时几乎不产生热效应，脉冲能量能够更精细地沉积在材料中。因此，飞秒激光大量地应用于各种材料的微加工过程[1]。飞秒激光照射半导体、金属、电介质表面时，在适当的脉冲能量和照射脉冲数下，能够诱导材料表面周期结构。该周期结构分为两种类型：与激光波长相近的长周期结构[2-4]和远小于激光波长的短周期纳米结构[5-15]。一般来说，线偏振激光诱导垂直于偏振方向的条纹结构，圆偏振激光诱导颗粒结构。研究表明，长周期结构是由于入射激光与表面散射光的干涉而形成[4]。短周期纳米结构的周期一般为λ/2～λ/10(λ为波长)，已有许多理论模型解释短周期纳米结构的形成，例如：电子密度波[5]、表面二次谐波模型[6]等，但其形成机理尚无定论，仍需要进一步的实验与理论研究。

本文介绍了飞秒激光诱导ZnO晶体表面短周期纳米条纹，在不同波长的飞秒激光脉冲照射下，纳米条纹周期发生的变化。实验发现，激光诱导的短周期纳米条纹的周期与激光波长成正比(约为λ/5)，在纳米结构制备、突破衍射极限激光加工等方面都具有巨大的应用潜力。

1 实验和样品

飞秒激光脉冲由Coherent公司生产的钛宝石再生放大激光器产生。激光波长为800 nm、脉冲宽度为50 fs，最大单脉冲能量3.5 mJ，重复频率1～1 000 Hz可调。800 nm飞秒激光脉冲进入并激发光参量放大系统，产生波长在267～2 600 nm内连续可调的飞秒脉冲，脉冲宽度轻微展宽至60～100 fs。不同波长的飞秒激光经焦距为100 mm的透镜聚焦在样品表面以诱导短周期纳米结构。

实验所用材料为10 mm×10 mm×1 mm的ZnO晶体，双面光学抛光，样品表面平整度小于10 nm。ZnO晶体放置在电控三维平移台上以调节飞秒激光的照射位置。照射后的样品置于酒精中超声清洗10 min以去除样品表面的激光烧蚀碎屑。样品表面纳米结构由扫描电子显微镜表征。

2 实验结果及讨论

图1显示了波长为650 nm的飞秒激光照射ZnO晶体表面短周期纳米条纹随照射激光脉冲数的演化过程，激光的能量密度为0.25 J/cm2。图1(a)中右上角双箭头显示了激光的偏振方向。经1 000个飞秒脉冲照射后，ZnO晶体表层出现不规则的条纹结构，方向垂直于激光的偏振方向，如图1(a)所示。图1(b)显示了5 000个飞秒脉冲照射后，表层条纹结构加深。图1(c)显示当样品表面经30 000个飞秒脉冲照射后，ZnO晶体表层不规则的条纹结构被烧蚀掉，露出了材料内层规则的纳米条纹结构，条纹周期约为120 nm(图1(d))，远小于激光波长。

图1 波长为650 nm飞秒激光脉冲诱导ZnO表面短周期纳米条纹结构

图2 不同波长飞秒激光脉冲诱导ZnO表面短周期纳米条纹结构

进一步改变飞秒激光波长，在ZnO晶体表面制备短周期纳米条纹结构，如图2所示。图2右上角双箭头分别表示不同波长飞秒激光的偏振方向。图2(a)显示了波长为800 nm飞秒激光，经4 000个脉冲照射后样品表面形貌，激光能量密度为0.27 J/cm2。由图2可见，在烧蚀斑边缘位置出现不规则的纳米条纹结构；由于光斑强度为高斯分布，在烧蚀斑中心区域光强较强，表层不规则条纹被烧蚀掉，材料内层出现了垂直于激光偏振的规则短周期纳米条纹结构，条纹周期约为140 nm(图2(b))。调节激光波长至1 300 nm，脉冲能量密度为0.23 J/cm2，当样品表面经过10 000个飞秒脉冲照射后，图2(c)清晰地观察到规则的短周期纳米条纹出现在材料内层，条纹周期约为250 nm(图2(d))。图2(e)显示了2 150 nm飞秒激光照射ZnO晶体后形成的短周期纳米条纹结构，脉冲能量密度为0.26 J/cm2，经200个脉冲照射，条纹周期约为400 nm。

由图1和图2可知，不同波长的飞秒激光能够诱导ZnO晶体表面短周期纳米条纹结构。激光照射后，材料表层出现不规则的纳米条纹，规则的纳米条纹出现在材料内层。这可能是由于飞秒激光烧蚀材料时，在空气中形成的纳米粒子阻碍了表层纳米条纹结构的形成[12]，而内层材料由于环境稳定而形成规则条纹结构。本文还比较了超声清洗前后激光烧蚀ZnO晶体的表面形貌。图3显示了飞秒激光照射ZnO晶体后未经超声清洗的表面结构，表层条纹不规则。经超声清洗后，表层不规则结构被去除，露出了内层的规则纳米条纹结构。