超快激光诱导的自组纳米结构机理与应用研究

The project proposes a dual approach on the topic of laser induced 3D bulk nanostructures: a scientific introspection into the fundamental mechanisms via their dynamics. It addressees several challenges related to the formation mechanisms of bulk regular structure and their characteristic times with respect to primary electronic factors and subsequent structural transformations. Time-resolved approaches are proposed via direct or spectral imaging in visible domains and THz probing of transient dielectric function. Secondly, it prospects the possibility to achieve polarization and wavefront control functions associated with nano-structures via local control of laser fields. We will test concepts for polarization optical devices performing complex polarization and light transport functions, such as polarization-maintained waveguide laser, and micro-ring gyroscope. We expect to acquire a novel perspective into fundamentally important physical phenomena and to push forward the application field with innovative concepts in embedded 3D optical systems.

本项目提出研究超快激光诱导自组纳米结构形成的动力学过程，解答三维自组纳米结构形成机制和关于初始电子因素以及随后的结构转变的特征时间相关的几大挑战性问题；科学地运用纳米结构形成机制，研究纳米结构的控制以及在三维嵌入系统中的应用，设计新颖的三维立体纳米结构器件。首先我们建议用远红外太赫兹波和可见光的时间分辨的成像技术和光谱成像技术来研究介质介电常数的瞬间变化。其次，研究通过局部控制激光场来实现与亚波长结构相关联的偏振和波前控制功能的可能性。第三，利用纳米条纹的场敏感性，开发新型偏振器件，结合飞秒光刻波导，测试和验证具有复杂偏振和光传播功能的微结构器件，如偏振波导激光器、微环波导陀螺。基于飞秒激光技术和光学设计方面的深厚积淀，期望对一些基本的重要的物理现象获得新颖的，有深刻见解的观点，并且推动偏振和波前控制等新概念在制造嵌入系统中的应用。

本项目针对超快激光诱导自组纳米结构形成的动力学过程，开展了三维自组纳米结构形成机制与机理的研究，解答了关于材料初始表面外型、偏振、干涉、SPP和LSP在自组条纹行程过程中的影响与机制。实验上，利用100K和1KHz、800nm钛宝石飞秒激光搭建了泵浦探测系统，创新性的提出了三光束泵浦探测系统，首次实现了对合金 CMSX-4, 钛合金和金属钨 的瞬态折射率相应的探测。用时间分辨成像技术，研究了飞秒激光诱导镍基超级合金CMSX-4中表面纳米形貌进化过程。应用方面，研究了纳米结构的控制以及在三维嵌入系统中的应用，设计了单偏振波导、波导四分之一波片、相位片、透射全息光栅等纳米结构器件。我们用时间分辨的双角度泵浦探测技术和成像技术研究了金属钨、半导体硅、非晶态金属等材料的介质介电常数的瞬间变化；基于硅的瞬态折射率变化，提出了新型超高速调制器和光开关的概念。并完成了偏振波导激光器的研制、飞秒激光微焊接研究、飞秒激光PTR体光栅结构研究以及纳米颗粒机理研究、低损耗大模场波导以及弯曲波导的研究。本项目相关研究成果共发表文章34篇，其中SCI收录30篇，EI收录6篇，OSA封面杂志一篇，发明专利申请7项，授权1项，项目负责人荣获陕西省科学技术奖一等奖，S2016JLJS0546“超快激光微加工装备及其应用”。