強場誘導微納結構的表征和功能化.pdf

1、進入21世紀以來，信息技術的發(fā)展和人們對于寬帶網(wǎng)絡需求的增長對信息傳播技術提出了更高的要求。以光子或光電子做為信息載體的集成光路取代集成電路成為未來發(fā)展的方向。集成光路技術的發(fā)展首先要解決的問題是如何將各種光功能微納結構高精度、高效率的的復合在玻璃等基板材料上。近幾年，研究人員發(fā)現(xiàn)，利用強場可以在基板材料表面和內(nèi)部誘導各種光功能微納結構，這將極大地促進集成光路技術的發(fā)展。
　　本文針對強場誘導微納結構的表征和相關功能演示進行了研究

2、。主要采用兩種強場:高重復頻率飛秒激光，以及聚焦電子束。利用這兩種強場，我們在玻璃基板表面及內(nèi)部誘導了多種微納結構，系統(tǒng)研究了各種微納結構的性能和形成機理，并且演示了這些微納結構在相關領域的應用。本文的主要研究成果和結論如下:
　　1、在透明玻璃內(nèi)部利用高重復頻率飛秒激光照射誘導析出了銅納米顆粒。對銅納米顆粒的形貌，尺寸和空間分布進行了表征。研究了銅納米顆粒摻雜的玻璃材料的光學性能，并且演示了在相關領域的應用。對銅納米顆粒析出的機

3、理進行了探索，認為是飛秒激光照射過程中多種非線性效應引起的光還原以及高溫熱場作用下銅原子的遷移和團聚導致的。研究了銅納米顆粒的析出位置對飛秒激光誘導的熱場分布的依賴性。同時，還觀察到析出的銅納米顆粒在高重復頻率飛秒激光的二次照射過程中的擦除現(xiàn)象。利用高重復頻率飛秒激光照射制備的銅納米顆粒摻雜的玻璃材料可以應用于具有超快響應速度的光開光等光學元器件以及三維激光彩色內(nèi)雕產(chǎn)品中。
　　2、利用高重復頻率飛秒激光照射在玻璃表面及內(nèi)部誘導微

4、突起和微通道結構。系統(tǒng)研究了微突起結構的形貌和尺寸對飛秒激光照射參數(shù)及照射方式的依賴性。對微突起結構形成的機理進行了研究，認為是玻璃材料對飛秒激光脈沖能量的線性吸收和非線性吸收共同作用的結果。利用高重復頻率飛秒激光直寫技術在玻璃內(nèi)部誘導了微通道結構。采用羅丹明酒精溶液做為熒光標記物質，對微通道結構的尺寸和連通性等性能進行了表征，證明微通道結構長度可控，直徑均勻，連通性好。利用高重復頻率飛秒激光照射制備的微突起結構可以應用于微透鏡等光學元

5、件領域，而微通道結構則可以應用于微型全分析系統(tǒng)。
　　3、系統(tǒng)研究了高重復頻率飛秒激光照射在不同玻璃體系內(nèi)部誘導的元素重新分布現(xiàn)象。在硅酸鹽玻璃內(nèi)，觀察到了玻璃網(wǎng)絡形成離子和玻璃網(wǎng)絡改性離子在激光照射區(qū)域內(nèi)相對含量的變化。對其形成機理進行了分析，認為是這些離子在飛秒激光誘導的高溫熱場的作用下以不同的速率向外遷移造成的。并且首次觀察到離子的遷移和富集出現(xiàn)在溫度低于玻璃熔化溫度(Tm)的區(qū)域。在碲酸鹽玻璃中，觀察到了新奇的元素重新分布

6、現(xiàn)象。在飛秒激光照射區(qū)域內(nèi)，各種玻璃組分的相對含量沒有發(fā)生變化，而玻璃材料的密度卻發(fā)生了變化。我們認為碲酸鹽玻璃中含有的[TeO4]和[TeO3]等微小的網(wǎng)絡結構單元是造成這種現(xiàn)象的根本原因。利用高重復頻率飛秒激光照射誘導元素重新分布，我們可以對玻璃材料內(nèi)部微區(qū)的光學性能等進行空間選擇性操控，這對于制備光波導等光學元器件具有重要的意義。
　　4、利用聚焦電子束刻蝕法，我們在玻璃基板表面制備了金納米結構，系統(tǒng)研究了金納米結構的尺寸、

7、形貌、表面等離子體共振性能以及金納米結構周圍電場強度的分布情況。利用原子層沉積方法在金納米結構表面沉積了Al2O3薄膜，研究了表面等離子共振峰峰位、峰強對Al2O3薄膜厚度的依賴性。將曙紅Y染料復合在金納米結構及Al2O3薄膜表面，系統(tǒng)研究了曙紅Y分子熒光強度和熒光量子效率增強倍數(shù)對Al2O3薄膜厚度的依賴性。發(fā)現(xiàn)在1nmAl2O3薄膜存在的情況下，熒光增強效果最好。對其機理進行了探討，認為金屬引起的熒光淬滅效應和金納米結構表面等離子效