激发辐射损耗机制诱导超光学衍射极限飞秒激光直写制造研究

Nanotechnology and advanced micro-nano-manufacturing form core driving forces for new industrial revolution and knowledge advance. How to realize nanomanufacturig of metallic nanostructure and devices with a less than 100 nm feature size is one of hotspots of current R&D. In this application, we propose to overcome the optical diffraction limit by integrating the stimulated-emission-depletion lithography (STED-lithography) with multi-photonic reduction of silver ions induced by femtosecond laser. The excited photosensitive molecules using for STED fluorescent microscopy are employed for the reduction of silver ions. Therefore a super-resolution manufacturing can be realized through a donat-shaped stimulated emission mechanism. We will build a reduction method of silver through stimulated-emission-depletion of dye molecules and the relevant photochemistry. The oriented nanojoining and crystal growth will be investigated through surface plasmonic excitation with a polarized light. Molecular dynamics simulation will be conducted to understand the femtosecond laser-nanomaterial interaction and nanojoining induced by surface melting. Based on these studies, a femtosecond laser direct writing for nanomanufacturing beyond optical diffraction limits can be established.

先进微纳制造技术是当前国际制造业新一轮革命及创新的核心技术。如何实现小于100 纳米尺度制造精度与线宽度金属纳米结构是当前激光直写领域的研究热点和难点。本项目提出基于激发辐射耗散机制多光子还原实现飞秒激光超光学极限的三维直写制造。使用具有激发辐射耗散机制的光敏分子多光子激发态诱导还原银离子，进一步通过环形光激发辐射耗散空间分布的激发态，从而巧妙地实现超光学极限激发辐射耗散机制与飞秒激光直写相结合。同时深入分析金属纳米结构表面等离子激元效应与偏振方向诱导的定向纳米连接，实现深亚波长金属纳米结构器件的三维直写。通过实验与理论两方面探索飞秒激光纳米材料相互作用，阐明飞秒激光在纳米器件超高精度制备中的作用机理。在此基础上探索激发辐射损耗诱导的飞秒激光直写金属纳米结构原位装配的技术方案。并为飞秒激光直写工业化应用及其相关功能纳米光子学器件制备提供拥有自主知识产权的技术基础。

先进微纳制造技术是当前国际制造业新一轮革命及创新的核心技术。如何实现高效低耗制备二维和三维微纳器件以满足航空航天、信息、微电子与光电子对微结构及器件的需求是进一步发展先进微纳制造技术的关键。.本项目主要研究激发辐射损耗机制下飞秒激光在溶液或溶胶中原位光还原制备银纳米颗粒，纳米连接形成三维导电结构，及这种纳米结构物理光学性能。进一步研究纳米三维金属结构微结构，导电电容及纳米光子学性能， 使该纳米结构构造超结构器件及功能化纳米光子学器件。.开展了连续激光及飞秒激光多光子吸收还原的直写研究，并取得了一定的实验进展:(1)飞秒激光直写氧化石墨烯氯酸金超级电容器;(2) 激光直写聚酰亚胺（PI）薄膜器件;(3) 蓝色激光直写柔性传感器件;(4) 红外激光直写铜基导电器件..通过合理选用不同波长的连续激光，实现了不同功能与材料的柔性器件:(1)具有超强结合力的导电银涂层的激光直写加工;(2) 银基柔性防水微纳力敏传感器件的激光制备;(3) 纳秒脉冲激光干涉加工银纳米周期性结构研究..在透明材料内部实现对金属材料进行超光学分辨结构的加工, 采用了飞秒激光加工技术在玻璃微流道内制备了具有二维周期性、超光学分辨结构的金属纳米结构阵列。该结构的特征周期仅为激光波长的四分之一，低于光学衍射极限。因而通过该方法我们证实了在玻璃内部可以通过激光诱导周期性结构实现超光学衍射金属结构的加工。进一步的，通过改变飞秒激光偏振方向与加工材料的相对取向，我们能够顺利加工出二维纳米周期性结构。此外，该种具有二维纳米周期性结构的玻璃微流道可以用来作为对被分析物的实时动态表面增强拉曼光谱的检测。实验结果表明，该动态检测器件具有灵敏度高，响应时间短，重复性好等优点超光学分辨结构的金属纳米结构阵列。. 在超光学分辨尺寸范围内实现对纳米结构的连接构造。采用飞秒激光在制备了单纳米线器件，并初步实现对某些特定物质（葡萄糖等）高灵敏检测。