面向超表面制备的空间整形超快激光金属微纳结构大面积高质量加工

Metasurfaces, a frontier research area developed in recent years, have shown high potential for various applications ranging from radar antennas, electromagnetic cloaking, to holographic 3D display. The fine control of surface morphologies on metalsurfaces in large-area with programmable arrangement is a critical issue in practical application of metasurfaces. Based on our previous research, the project proposes a novel method for large-area, high-quality metasurfaces fabrication by spatially shaping single ultrafast laser pulse combined the serial time-of-flight scanning technique on the surface of a thin metal film, which can be artificially programmed in the specific area. The project will: (i)model the interaction of spatial shaped ultrafast laser with the metal thin film; (ii) reveal the energy absorption, transmission, transformation and surface formation on the metal thin film irradiated by the spatially shaped ultrafast laser, based on the multi-scale time-resolved online observation platform; (iii)achieve the novel method for large-area metasurfaces fabrication by spatial shaping single ultrafast laser pulse combined the serial time-of-flight scanning technique on the surface of thin metal film material; and (iv)explore the fabricated metasurface’s functional applications. The project will establish a theoretical and technical foundation for the development of large-area, high precision ultrafast laser micro/nano fabrication methods and contribute a lot to the widespread industrialization of ultrafast laser micro/nano fabrication technique in our country.

超表面是近些年迅速发展起来的一个前沿研究领域，在雷达天线、电磁隐身、全息三维显示等方面展现了巨大应用潜力。阻碍超表面实用化的核心瓶颈问题是如何大幅面尺寸下实现空间复杂排布的高质量金属微纳结构表面形貌精细控制。本项目在前期研究成果的基础上创新性地提出基于空间整形超快激光单脉冲直接在金属薄膜材料上并行面投影曝光结合串行飞行式扫描拼接加工大面积高质量金属微纳结构的新方法新工艺。项目将重点研究空间整形超快激光与金属薄膜材料相互作用的理论模型；通过对加工过程中多尺度时间分辨在线观测，揭示金属薄膜材料在空间整形超快激光作用下能量吸收、传递、转换及结构成形成性规律；基于空间整形超快激光并行面投影曝光结合串行飞行式扫描拼接方法在金属薄膜材料上实现大面积高质量超表面加工并展示其功能性应用。本项目将为发展大面积高精度的超快激光微纳加工新方法奠定理论和技术基础，为超快激光微纳加工技术的广泛应用做出贡献。

本项目基于电子动态调控的飞秒激光时域/空域整形加工新原理，瞄准金属、半导体、电介质等多种材料表面微纳结构高质量、高可控性、大面积加工的需求，从理论、观测、方法、工艺和应用开展研究。主要研究成果包括：(1)研究了时/空整形超快激光与金属薄膜材料相互作用的多尺度理论模型及其多尺度时间分辨在线观测，揭示了金属薄膜材料在时/空整形超快激光作用下能量吸收、传递、转换及结构成形成性规律，为探索超快激光金属表面微纳结构加工方法和加工工艺提供了理论和观测支撑。(2)搭建了基于空间振幅/相位整形超快激光脉冲在金属薄膜材料上并行面投影曝光结合串行飞行式扫描拼接加工大面积高质量金属微纳结构超表面的样机1套。该样机充分发挥了空间光调制器动态可调特性，协同控制空间整形相位/强度分布、超快激光脉冲重复频率和平移台扫描策略，通过飞行式扫描拼接方法快速拼接从而实现了大面积超表面的高效加工。除了金属薄膜之外，该样机和相关加工工艺还可以扩展至半导体、电介质等其他材料上微纳结构的高效制备。(3)提出了多种时/空整形超快激光加工表面微纳结构的加工方法和加工工艺，实现了金属薄膜、半导体硅、熔融石英等多种材料表面微纳结构的高质量、高效率、大面积加工，并展示了其在超表面全息、材料表面着色、衍射光栅、新能源摩擦电纳米发电机、高灵敏度表面增强拉曼等5项功能性应用。在本项目支持下，共发表SCI论文29篇；申请国家发明专利18项，其中授权5项。在学术会议上做特邀报告13次。获得教育部技术发明一等奖1项(2018年，排名第2)，入选了北京市杰青(2020年)、教育部青年长江学者(2019年)、中国科协青年人才托举工程(2017年)。