光學(xué)誘導(dǎo)金屬表面微觀相干振蕩及其影響特性研究.pdf

1、光與物質(zhì)的相互作用是物理學(xué)中一個(gè)永恒的研究課題，它對(duì)于基礎(chǔ)科學(xué)的縱深發(fā)展及其廣泛應(yīng)用具有重要意義。依據(jù)光對(duì)物質(zhì)作用強(qiáng)度和效果的不同，我們可將其大致分為兩類(lèi)：弱光照射情況（其結(jié)果是導(dǎo)致光波特性發(fā)生改變）和強(qiáng)光照射情況（其結(jié)果是導(dǎo)致物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其物理性能發(fā)生改變）。本論文第一部分的理論模擬研究工作屬于弱光作用情況，其著重研究非對(duì)稱(chēng)金屬納米雙縫結(jié)構(gòu)對(duì)光波的傳輸特性；第二部分的實(shí)驗(yàn)研究工作屬于強(qiáng)光作用情況，其重點(diǎn)研究雙束飛秒激光在單晶銅表面誘

2、導(dǎo)形成周期條紋結(jié)構(gòu)的超快動(dòng)力學(xué)過(guò)程。
　　1998年Ebbsen在《Nature》期刊上發(fā)表的關(guān)于“亞波長(zhǎng)金屬圓孔陣列結(jié)構(gòu)的光學(xué)增強(qiáng)透射現(xiàn)象”的報(bào)道引起了人們對(duì)亞波長(zhǎng)金屬陣列結(jié)構(gòu)光學(xué)特性的極大和廣泛研究。在已有的大多數(shù)文獻(xiàn)報(bào)道中，金屬狹縫或孔陣列結(jié)構(gòu)中相鄰單元之間的隔層厚度一般為幾個(gè)波長(zhǎng)量級(jí)，因此單元之間的電磁場(chǎng)相互作用需借助入射和出射面上激發(fā)的SPP波來(lái)實(shí)現(xiàn)，而對(duì)在中間金屬隔層厚度變?yōu)楦〉那闆r研究較少。本文首先利用時(shí)域有限差分

3、方法（FDTD）理論研究了非對(duì)稱(chēng)金屬納米雙縫結(jié)構(gòu)在超薄金屬隔層（厚度約為半個(gè)波長(zhǎng)）時(shí)對(duì)光波的異常透射特性，首次發(fā)現(xiàn)其透射譜中兩個(gè)透射峰值和一個(gè)明顯透射凹陷的新現(xiàn)象。兩個(gè)共振峰波長(zhǎng)相對(duì)于單縫情況分別發(fā)生了藍(lán)移和紅移，而在透射凹陷處的光譜抑制現(xiàn)象隨著金屬隔層厚度的增加而逐漸衰退。分析表明上述現(xiàn)象與雙縫中SPP波導(dǎo)模式之間的交叉（雜化）耦合緊密相關(guān)，兩者作用可以形成對(duì)稱(chēng)或者反對(duì)稱(chēng)表面等離子體（Surface Plasmon Polariton

4、s-SPP）波雜化模式，它們分別對(duì)應(yīng)透射峰和透射抑制現(xiàn)象。不僅如此，我們還提出了一個(gè)SPP干涉模型用于定量解釋其中的SPP雜化耦合效應(yīng)，其中最終形成的SPP雜化模式類(lèi)型取決于雙縫中SPP波在耦合前的初始相位差。研究表明在SPP交叉耦合作用下，金屬納米雙縫結(jié)構(gòu)具有空間色散分光功能，為納米光學(xué)提供了一個(gè)新的潛在應(yīng)用前景。
　　隨后，我們研究了狹縫結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)對(duì)其光學(xué)透射特性的影響。其中雙縫結(jié)構(gòu)透射譜的極值波長(zhǎng)位置與狹縫長(zhǎng)度呈線性變化關(guān)

5、系，狹縫數(shù)目的增加只會(huì)引起透射譜峰強(qiáng)度的增加，空間周期性排布會(huì)在入射和出射界面上引入了SPP波共振效應(yīng)，從而造成對(duì)透射譜形狀的調(diào)制。該研究結(jié)果為設(shè)計(jì)和研制功能性納米光子器件提供了新途徑。
　　另一方面，與長(zhǎng)脈沖激光相比，飛秒激光的超短脈沖持續(xù)時(shí)間和超高峰值功率特性使其在對(duì)金屬、半導(dǎo)體和透明介質(zhì)等材料的微納加工方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，且已成為目前微納加工技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。盡管如此，但時(shí)至今日人們對(duì)飛秒激光在材料表面誘導(dǎo)形成周期性

6、微結(jié)構(gòu)的物理過(guò)程仍然缺乏比較全面和深刻的認(rèn)識(shí)。本文第二部分的內(nèi)容試圖針對(duì)這一問(wèn)題開(kāi)展深入創(chuàng)新研究。
　　其中，我們首先研究了雙束飛秒激光在不同偏振夾角情況下同時(shí)照射單晶銅表面誘導(dǎo)產(chǎn)生周期性條紋結(jié)構(gòu)的形貌特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明此時(shí)條紋傾斜角為兩個(gè)偏振方向夾角的一半。當(dāng)雙束飛秒激光之間的時(shí)間延遲增加時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得條紋傾斜角度開(kāi)始出現(xiàn)周期性振蕩行為，當(dāng)時(shí)間延遲大于12ps時(shí)，條紋傾斜角的周期振蕩變化消失，它隨時(shí)間延遲的增大呈指數(shù)形式衰減。另外