飛秒激光制備亞波長周期光柵及其光學(xué)特性

劉 嵩，劉世炳，董祥明，宋海英

（北京工業(yè)大學(xué)激光工程研究院，北京 100124）

飛秒激光制備亞波長周期光柵及其光學(xué)特性

劉 嵩，劉世炳，董祥明，宋海英

（北京工業(yè)大學(xué)激光工程研究院，北京 100124）

使用中心波長800 nm、重復(fù)頻率1 kHz的飛秒激光，在金屬鎢表面斜入射下制備了亞波長周期光柵結(jié)構(gòu)，在入射角為0°～80°時(shí)，光柵結(jié)構(gòu)的周期為349～620 nm.利用表面等離子體激元的理論分析了在鎢表面制備光柵結(jié)構(gòu)的過程，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論符合較好.利用嚴(yán)格耦合波分析方法計(jì)算了實(shí)驗(yàn)中得到的光柵結(jié)構(gòu)的反射光譜，其吸收增強(qiáng)波長大小與光柵結(jié)構(gòu)周期相近.研究結(jié)果表明：利用飛秒激光可以在金屬表面直接誘導(dǎo)周期可控的光柵結(jié)構(gòu)，此光柵結(jié)構(gòu)具有一定的應(yīng)用前景.

飛秒激光；光柵結(jié)構(gòu)；表面等離子體

激光誘導(dǎo)周期性表面結(jié)構(gòu)（laser induced periodical surface structures，LIPSSs）是飛秒激光與物質(zhì)相互作用研究的一個(gè)熱點(diǎn).飛秒激光以其超短的時(shí)域脈沖，使得電子在吸收激光能量后來不及傳遞到晶格上即完成脈沖能量的全部吸收，因此可以獲得幾乎沒有熱影響區(qū)及加工邊緣鋒利等優(yōu)秀的加工效果［1-3］.而利用飛秒激光直接燒蝕材料，當(dāng)脈沖能量在材料的燒蝕閾值附近時(shí)，可以在燒蝕區(qū)直接誘導(dǎo)出周期小于激光波長的光柵結(jié)構(gòu).近年來，世界各地的科學(xué)家對飛秒激光誘導(dǎo)金屬材料表面周期結(jié)構(gòu)的機(jī)理與應(yīng)用進(jìn)行了相當(dāng)數(shù)量的研究［4-8］.在產(chǎn)生機(jī)理上，現(xiàn)在人們普遍認(rèn)為對于金屬表面上周期結(jié)構(gòu)的形成，表面等離子體（surface plasmons，SPs）發(fā)揮了重要作用［9-11］.Huang等［11］認(rèn)為SPs與激光的干涉是產(chǎn)生LIPSSs的主要機(jī)制，隨著光柵結(jié)構(gòu)的形成，光柵結(jié)構(gòu)輔助的SPs與激光耦合起主要作用，并給出了不同脈沖數(shù)下LIPSSs周期的變化規(guī)律.羅徹斯特大學(xué)的郭春雷小組［12］首次研究了飛秒激光制備的亞波長周期結(jié)構(gòu)在紫外、可見及紅外波段的光譜響應(yīng)，同時(shí)他們聲稱飛秒激光制備LIPSSs技術(shù)是一種有效控制材料表面光學(xué)特性的手段.

利用周期結(jié)構(gòu)控制材料的光學(xué)特性的研究并不新鮮，早在1998年，Ebbesen等［13］就發(fā)現(xiàn)在200 nm厚的金屬薄膜上制備孔徑為150 nm、周期為0.9 μm的圓孔陣列后，透射光的零級光譜存在透射增強(qiáng)的部分，并考慮此現(xiàn)象也是由SPs所引起.從這些研究中可以看到，利用飛秒激光制備周期可控的光柵結(jié)構(gòu)，并討論SPs在結(jié)構(gòu)形成中所發(fā)揮的作用，具有一定的研究價(jià)值.根據(jù)文獻(xiàn)［14］，金屬鎢在800 nm的光作用時(shí)，其介電函數(shù)實(shí)部為正數(shù)，這與SPs的理論有相悖之處，因此研究飛秒激光與金屬鎢作用，觀察其是否依然產(chǎn)生LIPSSs，并且給出符合SPs的相關(guān)解釋，就具有了一定意義.對于實(shí)驗(yàn)制備的LIPSSs，計(jì)算其反射光譜，觀察其與光柵周期之間的關(guān)系，可以為飛秒激光大面積制備LIPSSs的應(yīng)用提供一定的參考價(jià)值.

介于以上種種要求，本文擬利用飛秒激光斜入射到拋光的金屬鎢表面，在不同入射角下制備不同周期的光柵結(jié)構(gòu)，采用SPs分析表面周期隨入射角變化的機(jī)理.利用嚴(yán)格耦合波分析（rigorous coupled wave analysis，RCWA）對光柵結(jié)構(gòu)的光譜反射特性進(jìn)行計(jì)算，為飛秒激光制備LIPSSs的應(yīng)用提供了參考.

1　飛秒激光斜入射制備光柵結(jié)構(gòu)

1.1實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)采用相干公司Ti∶S飛秒激光放大系統(tǒng)（LEGEND ELITE），輸出脈沖寬度35 fs、中心波長800 nm、最大單脈沖能量3.5 mJ、重復(fù)頻率1 000 Hz的飛秒激光脈沖.樣品采用經(jīng)過研磨拋光的金屬鎢（99.99%），放置于電動(dòng)平移與旋轉(zhuǎn)組合平臺上，以保證當(dāng)激光以不同入射角入射時(shí)焦點(diǎn)始終處于樣品表面.聚焦透鏡為f=100 mm的平凸透鏡.通過半波片與偏振分光鏡對激光能量進(jìn)行微調(diào)，以修正不同入射角時(shí)焦點(diǎn)處的激光功率密度保持在0.38 J/ cm2左右.機(jī)械快門設(shè)定每次曝光時(shí)間為0.1 s，即100個(gè)脈沖通過.利用掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）觀察并測量光柵結(jié)構(gòu)的周期，如圖1所示.

1.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖2為入射角為0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°及80°時(shí)燒蝕區(qū)域邊緣位置LIPSSs的SEM 圖.從圖中可以看到，飛秒激光與鎢作用后，在鎢靶表面產(chǎn)生亞波長級周期結(jié)構(gòu)，特別地，當(dāng)入射角為0°，即正入射時(shí)，所產(chǎn)生的亞波長周期結(jié)構(gòu)的周期在620 nm左右，并且由于激光功率密度較高，在周期結(jié)構(gòu)上面還附著了大量半徑在70 nm左右的2級納米結(jié)構(gòu).隨著入射角的不斷增大，亞波長周期結(jié)構(gòu)的周期呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢，2級納米結(jié)構(gòu)的數(shù)量也同時(shí)減少.當(dāng)入射角為80°，接近掠入射時(shí)，周期減小到349 nm，而附著于其上的2級納米結(jié)構(gòu)也基本消失.對于2級納米結(jié)構(gòu)的減少，主要考慮為：在增大激光入射角后，激光入射的區(qū)域面積會(huì)增大，雖然同時(shí)減少了激光的能量，以求盡量使不同入射角時(shí)有相同的功率密度入射到材料表面，但是依然有一定的能量密度差別，才導(dǎo)致入射角較小時(shí)，2級結(jié)構(gòu)較多，入射角較大時(shí)，2級結(jié)構(gòu)減少.這表明，適當(dāng)控制激光能量與入射角度，可以獲得較為光滑的亞波長周期結(jié)構(gòu).

在入射角為0°～80°時(shí)，分別在SEM圖上測量3次飛秒激光誘導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)的光柵周期，取得平均值，3次測量結(jié)果的均方差即為誤差，其大小表示了亞波長周期結(jié)構(gòu)周期的一致性，結(jié)果如表1所示.

從表1中可以看出，當(dāng)激光正入射時(shí)，LIPSSs的周期為620 nm，稍小于激光800 nm的波長，隨著入射角的增大，LIPSSs的周期逐漸減小，當(dāng)入射角大于50°后，LIPSSs的周期已經(jīng)小于激光波長的一半，從誤差值可以看出，當(dāng)激光以較小的入射角入射時(shí)，亞波長周期結(jié)構(gòu)的一致性較好，正入射時(shí)由于功率密度較大，使得結(jié)構(gòu)的一致性較差.入射角度過大時(shí)，由于功率密度的不均勻也會(huì)導(dǎo)致一致性變差.通過求解Maxwell方程組，可以得到金屬界面處傳播的SPs的波矢為

式中：k0為入射光的波矢；εm及εd分別是界面兩邊金屬及介質(zhì)的介電常數(shù).當(dāng)材料界面兩端的介電函數(shù)實(shí)部異號時(shí)，可以支持SPs的激發(fā)，即εm＜0且 εd＞0.此時(shí)可以得到ksp＞k0，即SPs的波矢大于入射光的波矢，直接照射在金屬表面的光并不能直接激發(fā)SPs.對于金屬鎢，根據(jù)文獻(xiàn)［14］，其介電函數(shù)的實(shí)部在小于800 nm時(shí)εm＞0，但是在實(shí)驗(yàn)上依然可以觀察到LIPSSs的產(chǎn)生.

表1　光柵周期與入射角關(guān)系Table 1 Relationship of the grating period and the incident angle

根據(jù)Drude模型，等離子體頻率ωp及介電函數(shù)ε（ω）的關(guān)系為

式中：n為自由電子密度；e和m分別為電子的電量及質(zhì)量；ε0為絕對介電常數(shù)；ω為入射光的頻率.

當(dāng)飛秒激光的前沿部分到來時(shí)，電場強(qiáng)度足夠電離鎢表面，使得自由電子密度 n變大，根據(jù)式（2），可以得到ωp隨之增大.當(dāng)ω＜ωp時(shí)，根據(jù)式（3）可以得到介電函數(shù)的實(shí)部為負(fù)數(shù)，也就是說，由于激光脈沖前沿的作用，使得自由電子密度升高，使得ωp同時(shí)變大，導(dǎo)致了介電常數(shù)在激光波長為800 nm時(shí)表現(xiàn)為負(fù)數(shù).因此在鎢靶表面激發(fā)了SPs，與激光干涉產(chǎn)生了LIPSSs.

Bonchbruevich等［15］通過對SPs的推導(dǎo)，給出了LIPSSs周期與入射角的關(guān)系

式中：d為LIPSSs的周期；λ為入射光的波長；η為金屬與空氣界面處的等效折射率；?代表SPs傳播的方向與入射光的表面投影方向相同或相反；θ為入射角.

將表1數(shù)據(jù)畫圖，并利用式（4）進(jìn)行擬合，如圖3所示，擬合效果較好，并且得到η=1.25，這與文獻(xiàn)［16］所得到的結(jié)果相一致.說明表面等離子體激元理論可以解釋飛秒激光在金屬表面誘導(dǎo)LIPSSs結(jié)構(gòu)的形成，并且通過改變?nèi)肷浣嵌瓤梢垣@得不同周期的LIPSSs.

2　飛秒激光誘導(dǎo)LIPSSs的RCWA分析

由于LIPSSs是通過飛秒激光采用直接誘導(dǎo)的方式制備，通過改變?nèi)肷浣强梢詫?shí)現(xiàn)光柵周期的可控操控，如果再利用柱面鏡及多路掃描等工藝，就可以實(shí)現(xiàn)亞微米級光柵結(jié)構(gòu)的大面積制備.這種金屬光柵結(jié)構(gòu)在光電池及輻射冷卻等領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用前景.利用RCWA可以對這種光柵結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性進(jìn)行計(jì)算，分析其光譜反射特性，可以為進(jìn)一步應(yīng)用提供參考.

RCWA基于麥克斯韋方程組，通過將光柵結(jié)構(gòu)分層求解以獲得衍射效率，是一種簡單快速的分析光柵結(jié)構(gòu)光學(xué)特性的算法.作者采用開源的RCWA程序，對飛秒激光不同入射角下制備的LIPSSs進(jìn)行模擬計(jì)算其反射光譜.

光柵結(jié)構(gòu)模擬參數(shù)選擇為模擬二元光柵結(jié)構(gòu)，周期選取為d=349、362、447、516、620 nm，深度h= 200 nm，占空比F=0.5，如圖4所示.引入文獻(xiàn)中金屬鎢的色散參數(shù)，計(jì)算此光柵結(jié)構(gòu)在300～1 000 nm，TM波正入射的反射光譜.

如圖5所示，鎢金屬光柵在可見光范圍的反射率不大于40%，直觀表現(xiàn)就是看起來顏色發(fā)暗.對于具有349 nm周期的光柵結(jié)構(gòu)，在360 nm中心波長處出現(xiàn)了一個(gè)反射減弱的峰；在362、447、516、620 nm等周期的光柵結(jié)構(gòu)中，同樣地出現(xiàn)了分別為370、445、510、600 nm的反射減弱峰，與其結(jié)構(gòu)的周期相近.由于金屬對可見光是不透明的，在這些反射減弱峰處，必然伴隨著吸收的增強(qiáng).

圖6為對于516 nm周期的光柵結(jié)構(gòu)，選取不同的深度h=200、300、400 nm時(shí)的反射光譜圖.從圖中可以看到，在h=200 nm時(shí)的吸收峰510 nm，在h=300 nm時(shí)移動(dòng)到了535 nm處且反射率降為15%，在h=400 nm時(shí)移動(dòng)到了640 nm處且反射率降為不到1%.同時(shí)，在h=300、400 nm時(shí)，有新的吸收峰出現(xiàn)于紫外波段.

圖7為對于516 nm周期的光柵結(jié)構(gòu)，選取不同的占空比F=0.2、F=0.5及F=0.8時(shí)的反射光譜圖.從圖7中可以看到，在不同的占空比下，吸收峰的位移并沒有移動(dòng)，依然為510 nm，但是當(dāng)占空比F=0.2時(shí)，反射率為31%，當(dāng)F=0.8時(shí)，反射率為37%，皆大于F=0.5時(shí)的反射率24%，這說明在占空比為0.5時(shí)，光柵結(jié)構(gòu)對光的吸收較強(qiáng).

通過以上結(jié)果可知，改變光柵結(jié)構(gòu)的周期與深度，都可以改變吸收峰的位置，尤其是通過改變深度，可以引入新的吸收峰.而改變光柵結(jié)構(gòu)的占空比，只能改變吸收峰的強(qiáng)度.當(dāng)深度為200 nm，占空比為0.5時(shí)，光柵結(jié)構(gòu)對光的吸收峰呈現(xiàn)出與光柵周期相近的結(jié)果.在利用飛秒激光制備LIPSSs時(shí)，在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)通過改變?nèi)肷浣强梢暂^方便地改變光柵結(jié)構(gòu)的周期，而結(jié)構(gòu)的深度及占空比的控制，卻并不是一件容易的事情，這也正是研究飛秒激光制備亞波長光柵結(jié)構(gòu)的下一步目標(biāo).根據(jù)應(yīng)用的需要，可以通過模擬與實(shí)驗(yàn)的手段，去制備符合要求的LIPSSs，對于一些需要光譜選擇性吸收的器件，如光電池、輻射冷卻等［17-19］，飛秒激光制備LIPSSs可以發(fā)揮一定的作用.

3　結(jié)論

1）利用飛秒激光，在不同入射角下，可以在金屬鎢表面制備不同周期的LIPSSs.隨著入射角的增大，LIPSSs的周期減小.實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明：通過控制激光的入射角，可以較方便地控制光柵結(jié)構(gòu)的周期.

2）在金屬鎢表面制備LIPSSs依然可以使用SPs的理論進(jìn)行解釋，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)測符合較好，并擬合得到等效折射率為1.25.

3）使用RCWA計(jì)算了飛秒激光制備鎢表面光柵結(jié)構(gòu)的反射光譜.將實(shí)驗(yàn)所獲得的LIPSSs周期等數(shù)據(jù)代入模型，可以得到鎢光柵結(jié)構(gòu)表面的反射光譜吸收增強(qiáng)峰與光柵周期相近的結(jié)果；通過改變光柵的深度，可以看到吸收增強(qiáng)峰的移動(dòng)及反射率的變化，說明光柵的深度對反射光譜的影響非常明顯；改變占空比后，可以發(fā)現(xiàn)光柵的占空比對吸收增強(qiáng)峰的位置幾乎沒有影響，但是卻可以影響反射率，當(dāng)占空比為0.5時(shí)，反射率最低.通過計(jì)算，可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)需要加工的光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)，為飛秒激光制備LIPSSs的應(yīng)用提供了一定的參考意義.

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（責(zé)任編輯 楊開英）

Emtosecond Laser Fabricating Sub-wavelength Periodical Grating Structures and Its Optical Properties

LIU Song，LIU Shibing，DONG Xiangming，SONG Haiying
（Institute of Laser Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

Sub-wavelength periodical grating structures on tungsten surface was fabricated by femtosecond laser whose central wavelength is 800 nm and the repetition rate is 1 kHz.The period of the structures was 349-620 nm when the laser incidence angle was 0°-80°.The formation of grating structures on tungsten was discussed by surface plasmon polaritons theory and the result of experiment showed a good agreement.The reflectance spectra of these grating structure was simulated by rigorous coupled wave analysis method.The enhanced absorbtion peak was closed to the grating period.This study gives a prospect of applications by femtosecond laser fabricating grating structures.

femtosecond laser；grating structures；surface plasmons

TN 249

A

0254-0037（2016）01-0068-06

10.11936/bjutxb2015010019

2015-01-09

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51275012）

劉 嵩（1986—），男，博士研究生，主要從事飛秒激光微加工、周期微納結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性方面的研究，E-mail：laserls@emails.bjut.edu.cn