飞秒激光诱导材料微纳米拓扑特征结构化表面的选择性光谱特性研究

The design and fabrication of the subwavelength characteristic structures on material surface is a challenging technology which can modulate and control the broadband of the selective spectra radiation ((absorption and emission) from visible light to infrared frequency, it is very important for many application fields of the future development, such as, information and energy sources, light/microelectronics, aerospace, national defense and weapon equipments, and so on. Based on the prominent material surface effects such as microscale, surface plasmon resonance, dielectric confinement, and unusual mesoscopic, in the research of this project, we will fabricate surface subwavelength topological characteristics structures with selective radiation (emission or absorption) spectrum generated on the device body material, with the advantages of femtosecond laser micro-nano fabrication technology, by combining the processing methods of ultrafast laser direct writing and pulse scanning exposure ablation. By applying the “layer-carving” effect induced by the surface two-plasmon resonance mechanism, the multi-level and multi-scale micro/nano- characteristics structures will be fabricated on material surface, to form equivalent harmonic oscillator of more adaptive intrinsic frequencies, and try to develop the control technology of radiation spectrum with broadband domain selectivity from visible light to infrared on dielectric and metal materials. Finally, we wish the achieved mechanism and the technology can help the micro-devices such as micro-aircraft or submerge vehicle to be of high durable transform spectrum, surface radiation light or heat, and etc., in the engineering applications, and can act as a complementary application technology for the metamaterials fabrication.

通过材料表面亚波长特征结构的设计与制备实现从可见光至红外全频域的选择性辐射（吸收与发射）光谱的宽频调控，是信息与能源、光/微电子、航空航天、国防与武器装备等诸多应用领域未来发展的极富挑战性的技术。本项目基于物质表面微纳米结构显著的小尺寸效应、表面等离子共振效应、介电限域效应、以及非经典介观效应，凭借飞秒激光微纳制造技术的优势，采用超快激光直写与脉冲扫描曝光烧蚀的组合加工方法，在材料表面直接制备与辐射光谱（发射或吸收）特性相关联的与器件基体表面一体化的亚波长拓扑特征结构；应用表面双等离子共振波烧蚀的层雕效应，在材料表面制备多级多尺度微纳米特征结构，以图形成多本征频段自适应的等效谐振子，为后续发展金属与电介质从可见光至红外的宽频域可选择性的辐射光谱调控提供技术基础并建立能与超材料互补的技术途径，以适应特殊工作环境下诸如微飞行器/潜航器的高持久性可变换光谱的隐身、表面辐射光/热利用等工程应用。

本项目针对飞秒激光诱导材料微纳拓扑特征结构化表面的选择性光谱特性问题，从微结构光谱实验与理论解析及模拟两部分进行研究，主要研究结果为：（1）采用超快激光直写与脉冲“层雕效应”扫描烧蚀的组合加工方法，在固体材料与器件基体表面直接制备出一体化的多级拓扑特征结构；（2）获得了多级结构化材料表面从可见光至红外光谱产生选择性吸收或抑制的结构参数规律，建立了表面拓扑特征结构参数与表面声子本征频率之间的对应关系，以及不同表面拓扑特征结构与宽波段入射波产生选择性吸收、反射的参数对应规律；（3）利用时域有限差分方法模拟计算了金属与半导体材料表面微结构、及复合结构（SiO2-Ti-ZnO，金属/半导体-局域石墨烯条带等）不同的特征参量、堆叠方式与可见至近红外波段反射谱、透射谱的对应关系；（4）采用飞秒超快时间分辨方法对半导体材料进行了超快时间分辨光谱的探索，给出了半导体材料不同表面态在不同条件下的光谱及相变规律，发现改变温度或激光泵浦光条件可有效诱导半导体样品中自由载流子金属态到激子绝缘态的瞬态转变。项目所获得的研究结果为后续发展金属与电介质材料从可见光至红外的宽频域可选择性的辐射光谱调控提供了技术基础，建立了能与超材料互补的技术途径，为特殊工作环境下器件的可变换光谱隐身、表面辐射光/热利用等工程应用提供了有重要价值的技术储备。项目在执行过程中，已发表论文15篇（其中SCI论文12篇，会议论文3篇，1篇会议论文获优秀论文奖）；国内外受邀学术报告3次；共申请国家发明专利3项，获得授权1项，初审通过2项；共培养博士研究生2名（毕业1名），硕士研究生6名（毕业3名）。