涡旋光场与硅材料的相互作用机理研究

The unique optical angular momenta carried by vector vortex beams may make the interaction process between light and materials more complicated. From the macroscopical optical torque to microcosmic energy exchange between the carriers, it might change the material characteristics. This project takes the optical angular momenta of vector vortex beams as the main point, and study the novel effect of laser ablation induced by spatially constructed light. According to the controllability of new focal field, the goal that hard to be accomplished with traditional beam can be achieved. The main research contents in this project are included: to build an optical setup based on the fs-laser system to generate vector vortex beam with high power; to measure the electrical resistivity, carrier concentration and carrier lifetime of the silicon irradiated by vector vortex beams, and to analyzing the impact on the electrical properties of materials by vector vortex beams; study the impact of orbital angular momentum and polarization on the damage threshold and ablated morphology of silicon. The results obtained above may reveal novel mechanism of laser ablation arising from the optical angular momentum, develop and perfect the theory of laser ablation on semiconductor materials. It allows deeper comprehension for the related study area, and provides more theoretical and experimental foundation for the application of spatially constructed light fields on the subject of laser ablation.

矢量涡旋光场携有独特的光学角动量，会使其与材料的相互作用变得复杂。从宏观的光学扭矩，到微观的与载流子间的能量交换率，均可能造成材料特性的改变。本项目以矢量涡旋光场的光子角动量为着力点，探讨空间结构光场在激光损伤中的新效应，同时也利用其新颖的聚焦场分布及易调控等特点来实现传统光束无法达到的目标。拟开展的研究内容包括：基于飞秒激光系统搭建高功率矢量涡旋光场的产生光路；在不同的实验条件下测试经矢量涡旋光场辐照的硅材料中电阻率、载流子浓度、载流子寿命等电学性质，分析矢量涡旋光场对材料的电学性质的作用效果；研究不同轨道角动量、偏振态时飞秒激光对硅材料损伤阈值、烧蚀形貌的影响。通过以上研究，揭示光子的轨道角动量可能带来新的激光损伤机理，完善和发展高功率激光对半导体材料的损伤规律，为激光与物质相互作用的相关研究提供更深层次的理解和思路，为空间结构光场在激光损伤领域的应用提供理论依据和实验基础。

本项目以硅材料作为主要研究对象，探索飞秒矢量涡旋脉冲光场对材料损伤特性的影响。主要的研究进展如下：. （1）研究了矢量涡旋光场的高效产生及检测方法，并分析了光场参数对聚焦场的影响。主要包括：①基于空间光调制器的分屏原理提出了几种高效产生矢量涡旋光场的方法；②提出了一种编码方式，可实现三维空间中多参量可控的光场聚焦；③利用涡旋相位实现对矢量聚焦场的角动量和焦场的控制；④基于几何相位提出了对光场偏振态、相位的快速测量。. （2）研究了不同光场参量对半导体材料损伤特性的影响，并分析了其作用机理。主要包括：①实验发现了激光形成光致暗化和烧蚀的条件；②研究了激光能量略高于损伤阈值时，线偏振光束在硅表面诱导出与脉冲能量和脉冲数相关的周期性损伤结构；③发现了光致波纹结构与偏振长轴方向一致的规律；④发现了偏振椭圆率对材料的损伤阈值效应，并揭示了激光能量和脉冲数对椭圆率阈值的改变规律；⑤研究了飞秒激光脉冲的偏振椭圆率对波纹结构周期的红移效应；⑥利用等离子激元理论对偏振椭圆率的损伤阈值和周期的红移效应作出了定性解释。. （3）实现了矢量涡旋光场对材料的可控损伤。主要包括：①发现了涡旋光场的相位均匀性对硅材料的损伤有较大影响；②研究了高阶涡旋中拓扑荷对材料损伤的可能影响；③利用柱矢量光场对材料烧蚀形成了同心环状、辐射状的周期性波纹结构；④利用线偏振、椭圆偏振混合的偏振矢量光场实现了材料表面复杂图案的构造，使光栅区可控；⑤在矢量光场中加入涡旋相位，利用拓扑荷控制材料表面形成波纹结构的切换。. （4）分析了矢量涡旋光场烧蚀材料表面后的光学特性。主要包括：①研究了能量低于材料烧蚀阈值的飞秒激光使作用区域折射率变化的效应；②利用不同偏振方向的光束在材料表面写入波纹结构，发现了对应的结构有偏光响应；③通过柱矢量光场制备了各向异性偏光效应的表面光栅结构；④通过控制入射光场的偏振方向，制备了不同条纹取向的微纳偏振光栅。