PVP基聚合物中飞秒激光诱导周期小于80纳米光栅的制备及机理研究

Nanostructures are very important in the field of optoelectronics, surface plasmons, biochemistry and pharmacological science. Nanomachining nanostructures in various materials have attracted broad attentions these decades. Polyvinyl Pyrrolidone (PVP) is one of the most popular polymer widely utilized in biomedical and biomaterials because of its excellent biocompatible properties. In the proposal, we propose to increase its photosensitivity by introducing a little amount of metallic ions into PVP film. Then nanogratings with periods as small as 80 nm can be produced by femtosecond laser at a wavelength of 800 nm. Based on investigating the mechanism under the formation of nanogratings, we are focusing on carrying out researches from the following three main respects. (1) By studying the influences of the parameters of the laser such as the repetition rate, wavelength and polarization direction on the formation of the nanogratings, we are going to set up the relationship between these parameters and the physics underlying the formation of the nanogratings. (2)From the mechanism of the formation of the nanogratings we are going to infer the interaction between femtosecond laser and the doped PVP. (3) We are going to develop a new method to fabricate nanogratings with periods less than 80 nm over a large area. Our research will not only offer a new method for nanomachining and modifying the surface properties of important polymers, but also extend the types of the materials processable by femtosecond laser. Furthermore, our research can help us understand the interaction between femtosecond laser and matter under extreme conditions.

纳米结构在光电子学、表面等离子体学、生物化学和医药学等领域都具有非常重要的作用，在各种材料中加工出纳米尺度结构成为人们追求的重要目标之一。聚乙烯吡咯烷酮(PVP)聚合物由于其良好的生物相容性在生物医药和生物材料中具有广泛用途。本项目提出通过在PVP中掺入少量金属离子，波长为800纳米的飞秒激光可以对其加工并能诱导出周期小于80纳米的光栅。围绕纳米光栅形成机理的研究，我们将主要开展以下三方面工作：1）通过控制飞秒激光重复频率、波长和偏振方向，研究PVP基聚合物不同参数下纳米光栅形成过程，建立实验条件与纳米光栅形成物理之间的关系；2）通过纳米光栅的形成过程及机理反推掺杂PVP与飞秒激光相互作用过程；3）发展快速制备大面积周期80纳米以下光栅的方法。我们这项研究不但提供一种对重要聚合物进行加工和表面改性的方法，拓展飞秒激光直写材料的范围，而且能从物理上加深理解极端条件下飞秒激光与物质的相互作用。

纳米结构和纳米材料在光学、光电子学、表面等离子体学、生物化学及生物医药研究中都具有非常重要的作用，怎样在各种材料中加工出具有纳米尺度的结构成为人们追求的重要目标之一。聚乙烯吡咯烷酮(PVP)聚合物由于其良好的生物相容性，在生物医药和生物材料中具有广泛用途。而飞秒激光由于脉冲持续时间短、功率密度高，在材料加工领域应用广泛。.在本项目实施过程中，我们选取800纳米的飞秒激光作为工具，研究和探知了掺杂PVP聚合物薄膜材料中小于80纳米光栅的形成过程和机理，并探索了纳米光栅的应用。主要取得了以下研究成果：（1）研究了掺铜/铁PVP基聚合物光交联的基本原理，此项工作是研究纳米光栅形成机理的基础；（2）通过研究飞秒激光的重复频率、脉冲数、波长、扫描速度以及薄膜厚度和金属离子掺入浓度对光栅形成过程的影响，获得了小于80纳米光栅的形成机理。首次发现，在飞秒激光照射下，PVP基聚合物薄膜中所形成的初始光栅能够进行两次劈裂，使得光栅最小周期能达到35纳米，远小于照射波长的十分之一。此项研究对于推进纳米结构的光学制备、拓展纳米加工和表面改性领域具有重要指导意义；（3）通过控制扫描参数，使单次扫描能够同时获得多条周期小于80纳米的光栅，并且能够制备同时提供两种周期的二元结构。这种并联制备方法不但效率高，而且可以原位进行，在光子晶体及微纳结构光学制备中具有重要应用价值；（4）基于纳米光栅形成机理，结合掺银薄膜PVP中银纳米粒子对于表面等离子体的作用，我们获得了具有超高灵敏度的SERS基底，能够对浓度小至10^-15mol/L的对甲苯硫酚进行探测，探测能力达到单分子水平，这项研究成果体现了本项目的重要应用价值；（5）研究了单个金和银纳米粒子的光学特性；研究了一维锗光栅的辐射特性及单个介电纳米结构中共振场强的增强；设计了折射率超高灵敏度探测器、高效双波长消色散超透镜、红外波段偏振无关高吸收谐振器等，这部分研究对于从物理上理解电磁波与纳米粒子的相互作用具有重要意义。