飞秒激光诱导Si表面周期条纹结构形成的超快成像研究

正飞秒脉冲激光出现以后,飞秒激光与物质相互作用得到了广泛的研究,出现了许多新现象、利用飞秒激光照射半导体材料表面,形成了周期远小于激光波长的纳米周期结构。建立了飞秒激光超快成像系统,直接观察到了飞秒激光诱导Si表面周期条纹在3 ns时间范围内的演化过程。将一束800 nm、50fs的线偏振飞秒激光分成两束,其中一束照射Si表面诱导产生周期条纹结构;另一束光经透镜会聚至水中产生脉宽约为1 ps的白光,利用此白光作为光源对周期条纹结构成像。改变两光束间的延迟时间,可得到飞秒激光诱导周期条纹结构在不同时间尺度的图像。通过观察发现,当激光脉冲能量大于材料单脉冲烧蚀阈值时,经3个飞秒脉冲照射后,能够产生规则的周期条纹结构,条纹垂直于激光偏振方向,周期约为500 nm。在时间尺度上,800 nm飞秒脉冲照射后,材料表面反射率增强,说明由于飞秒脉冲照射激发了材料表面等离子体的产生。约20 ps后,条纹开始出现;之后随着条纹长度、深度的增加,约70 ps后,能够观察到较清晰的周期条纹;经比较,在飞秒脉冲照射后约600 ps时,周期条纹形状与材料表面凝固后所产生的条纹结构基本相同。这一研究对飞秒激光诱导表面周期结构的形成机理具有重要的意义。     

飞秒激光在6H-SiC表面诱导偏振依赖纳米结构特性研究

激光诱导偏振依赖纳米结构是一种有效实现纳米图案化的技术,并且一直备受研究者的青睐。利用飞秒激光微加工技术,对6H-SiC晶体表面激光诱导偏振依赖纳米结构特性进行了研究。通过改变入射激光加工偏振态和延迟时间样品表面诱导产生了直径约为150 nm的球形纳米颗粒、椭圆形纳米颗粒和空间周期约为150 nm的高空间频率表面条纹结构。实验结果表明,入射激光偏振特性会直接影响诱导产生的微结构形貌,并且优先入射的飞秒激光对最终产生的表面微结构形貌有决定性作用。初步探讨了偏振依赖纳米结构形成的物理机制,表面等离激元(surface plasmon polariton, SPP)在表面微纳米结构的产生过程中扮演着重要角色,研究结果对激光诱导表面周期结构(laser-induced periodic surface structures, LIPSS)可控制备具有重要意义。     

银光栅/银纳米颗粒复合结构的光场增强研究

通过时域有限差分法模拟了银光栅/银纳米颗粒复合结构的消光光谱和分布于光栅槽底的银纳米颗粒周围的电场分布。光栅的周期显著影响光栅和纳米颗粒之间的耦合作用,复合结构的共振峰随周期的增加而红移;在不同激发波长下,纳米颗粒周围的电场随周期的变化呈现出不同的规律。为了考察这种复合结构在表面增强拉曼散射光谱(SERS)研究中作为基底时的增强效果,比较了复合结构在785,633,532nm激光激发下的光场增强随周期的变化规律,得到综合增强性能最优的光栅周期为520nm。为了进一步提高复合结构的光场增强效果,对光栅栅脊宽度进行了优化。在优化好光栅周期和栅脊宽度的基础上,从SERS基底化学稳定性的需求出发,仿真了在光栅表面添加4nm金膜层后的银-金光栅/银纳米颗粒复合结构的电场增强效果。     

碳纳米管和金属纳米粒子复合结构的拉曼光谱特性

提出了一种基于碳纳米管和金属纳米粒子的表面增强拉曼基底,并进行了实验研究。采用化学方法制备了单壁和多壁碳纳米管薄膜;利用离子溅射方法在碳纳米管薄膜上形成Au纳米粒子,构成基于碳纳米管和金属纳米粒子复合结构的表面增强拉曼散射基底。对此样品进行了扫描电子显微镜(SEM),反射谱、拉曼谱等表征测试。研究表明,该基底由于碳纳米管极大的比表面积,可吸附更多的金属纳米粒子,增强拉曼散射信号强度。     

飞秒激光诱导硅材料表面周期结构的研究

为了研究飞秒激光诱导的硅材料周期表面结构,采用了理论分析和实验验证相结合的方法,对波纹周期与入射激光波长之间关系的理论分析计算,得到了单晶硅表面波纹周期约为800nm,研究了1kHz的飞秒脉冲(中心波长800nm,脉宽35fs)加工单晶硅引起的波纹结构。结果表明,在功率密度略大于样品损伤阈值的条件下,单晶硅表面形成了清晰的平行等间距直线周期条纹结构,测得该条纹的周期约为750nm,与所用激光中心波长接近。使用可旋转的格兰-泰勒棱镜改变入射激光的偏振方向,发现周期波纹方向随入射激光偏振方向的改变而改变,条纹方向与飞秒激光的电矢量方向垂直,并且由加工图片看出经辐照过的区域比未经辐照区域干净得多。这一结果对进一步研究激光诱导的周期性表面结构具有参考意义。     

飞秒激光诱导钛合金表面形貌变化的规律

研究了飞秒激光诱导的钛合金表面微纳结构随激光能量密度和脉冲个数的变化规律,并给出了微纳结构的扫描电子显微镜图。研究结果表明,钛合金表面微纳结构的演化主要经过4个阶段,依次为无激光诱导周期表面结构阶段、经典条纹结构阶段、经典与非经典条纹结构并存阶段和微驼峰结构阶段。进一步的研究表明,非经典条纹的周期随着激光能量密度或脉冲个数的增加而增加。     

应用置换反应制备高效SERS活性基底研究

利用预处理的铝片和铜片还原硝酸银溶液的方法获得了具有不同表面形貌的银纳米结构.扫描电子显微镜(SEM)图表明反应产物分别为花样和树枝状的银纳米结构.以对羟基苯甲酸(PHBA)作为探针分子,对这种新体系的表面增强拉曼散射(SERS)活性进行了研究,发现该体系是一种非常高效的SERS活性增强基底,并且其SERS活性优于用化学方法制备的银胶.本文对这种新型SERS活性基底的增强机制进行了讨论.     

功能化纳米结构SERS基底设计制备及药物检测应用研究进展

表面增强Raman散射(SERS)作为一种可提供分子结构信息的振动能谱,可实现分子尺度上物质特异性的高精度检测。在医疗健康领域中,对于药理成分、药物质量的分析监控至关重要,由于表面增强Raman散射传感器具有高灵敏度、快速检测等优点,在药物分析研究中具有广阔应用前景。分析了功能化纳米结构SERS基底的组成和工作原理;介绍了功能材料、纳米结构、增强热点处表面工程的设计和制备方法;总结了SERS基底的设计用于西药用药监测和中药药效分析、质量监控方面的成果;最后对功能化纳米结构表面增强Raman散射传感器目前所面临的挑战和未来的前景进行了分析和展望。     

飞秒激光在金属钼表面诱导产生纳米量级周期条纹结构的研究

针对近红外(800 nm)及其二倍频(400 nm)飞秒激光脉冲在金属钼表面诱导产生周期性条纹结构的情况进行了研究,分析比较了入射激光能量、脉冲重叠数、激光中心波长和加工氛围等实验参数对金属表面自组织形成的条纹结构空间周期的影响,并利用中心波长为400 nm的飞秒激光在水环境中于单晶钼表面制备出了空间周期仅约160 nm的条纹结构。同时针对水中加工的情况,在理论上提出了入射激光与表面等离子体波发生干涉和表面等离子体波形成驻波两种机制相互竞争的物理模型,很好地解释了实验现象,对于深入理解飞秒激光在金属表面进行纳米尺度的加工制备具有重要意义。     

飞秒激光在钨表面制备二维周期复合结构的研究

通过控制飞秒激光脉冲分别在线偏振和角向偏振条件下的入射脉冲个数,在金属钨材料表面获得了周期性亚波长条纹和金属纳米线复合而成的新型微纳米结构。实验结果表明,线偏振激光脉冲诱导形成亚波长表面条纹结构的周期和脊面宽度随脉冲个数的增加而减小;在两种不同偏振情况下,飞秒激光脉冲在样品表面诱导形成的金属纳米线结构随激光脉冲个数的增加逐渐趋于消失,而形成微纳米结构的区域面积随激光脉冲个数逐渐增加而增大,并在飞秒激光脉冲个数为150时趋于不变。     

二维纳米结构银膜表面增强拉曼散射基底的制备与研究

采用电解法制备了粒径分布为(50±8)nm,表面呈正电性的纳米银粒子.基于该纳米银粒子,采用静电自组装技术在经过特殊处理、表面呈负电性的玻璃基底上生成了具有高效、稳定性的二维纳米结构银膜.该银膜外层纳米银粒子平均粒径约200 nm,相邻纳米银粒子之间形成了不规则的纳米微区,平均尺寸达到200 nm左右.基于该纳米银膜,采用便携式拉曼光谱仪对20个正常人血清样本进行了表面增强拉曼散射(SERS)光谱的检测.同时,也对同一正常人血清基于同种条件下制备的不同纳米银膜的SERS光谱进行了检测.实验发现:该纳米银膜对人血清的拉曼散射具有较好的增强效果,有望为人血清的研究提供新的途径.     

纳米银基底表面增强拉曼散射效应仿真及优化

为了更大发挥拉曼光谱在生物检测及传感领域中的作用,表面增强拉曼散射中信号增强与基底复用之间平衡优化需求一直在激励着新型基底的发展。通过用有限元方法对不同银纳米结构（不同尺寸、不同大小、不同结构）基底的表面增强拉曼散射效应进行设计优化。对三种常见结构基底进行仿真,并对结果进行对比分析,表明仿真结果与已发表的相似基底实验结果一致。     

纳米金修饰碳纳米管阵列结构的表面增强拉曼散射

研究了纳米金粒子修饰碳纳米管阵列结构的表面增强拉曼散射性能.通过FDTD理论模拟仿真了不同粒径纳米金颗粒的场强分布;并采用化学还原的方法制备出直径分别为20、40和60 nm三种不同粒径的金颗粒,然后将纳米金粒子修饰到有序定向的碳纳米管阵列表面,并将该结构作为表面增强拉曼基底.FDTD软件仿真结果表明,60 nm粒径的纳米金颗粒周围场强分布最强,是入射场场强的15倍.同时将罗丹明6G溶液用于测试几组不同尺寸的金颗粒对拉曼散射光强的影响,发现60 nm金颗粒对R6G拉曼信号增强最大.FDTD理论模拟仿真和罗丹明6G溶液实验测试结果表明:金颗粒尺寸在20～60 nm内,颗粒尺寸越大,拉曼散射光的光强越大.     

光诱导金纳米颗粒光栅及表面等离子激元的激发

光化学还原方法可以合成金属纳米颗粒并同时实现纳米颗粒形貌和尺寸的控制,是贵金属纳米颗粒合成领域的研究热点之一。提出了一种制备大面积表面金属光栅的方法,利用光化学还原方法合成了金纳米颗粒,并通过双光束干涉的方法在玻璃基底上沉积生成金纳米颗粒光栅,制备出具有一定耦合效率的表面等离子激元(SPP)耦合光栅。金纳米颗粒光栅结构的周期和表面起伏可以通过诱导光参数的改变得以调节。经400℃下半个小时的退火处理后,光栅结构变得更加光滑,其表面等离子激元激发角更接近理论值。     

平面变线密度光栅的制作和波前检测

为了制作平面变线密度光栅,满足线密度变化的要求,采用两个点光源和辅助透镜对基底曝光。编写了第一代和第二代光路的计算程序,计算出拍摄光路的几何位置参量,依据实际情况选择光路。提出了在线检测波前的方法,将辅助的标准光栅放在基底的位置上,入射光被标准光栅衍射,衍射光在光栅表面的干涉条纹反映了入射光的波前分布。采用数码相机和辅助镜拍摄干涉条纹,编写条纹分析程序,根据条纹调节元件的位置,直到入射波前满足要求后,对涂有光刻胶的基底曝光,制作出了原型的变线密度光栅。波前检测方法也可以用于其他全息光栅的制作中。     

纳米光刻双光栅对准莫尔条纹分析

为了给实际的纳米光刻对准工作提供理论研究基础,主要分析推导了莫尔条纹复振幅以及光强的空间分布规律.在理论分析的基础上通过仿真,定量地确定了莫尔条纹复振幅分布的近似数学模型.分析表明,当对准光路通过掩模硅片上的两个对准标记受到两次光栅的调制并发生复杂的衍射和干涉时,将形成有规律的、呈一定周期分布的莫尔条纹.并且当两光栅周期相近时,莫尔条纹将表现为一个与两光栅周期相关的空间拍信号.在近似模型中该拍信号主要由两光栅基频的乘积调制与振幅调制信号组成.两调制信号的群峰值周期相等、与拍信号的群峰值周期一致,并且该周期相对于两光栅周期被大幅度放大,因而具有很好的位移探测灵敏度,有利于纳米级对准的实际应用.     

角锥阵列的散射特性

借助于Floquet定理和空间谐波理论对周期性角锥阵列的散射特性进行了研究,分析了散射场的形成机理,讨论了阵列边缘切断效应对散射特性的影响.采用时域有限差分(FDTD)方法和周期性边界条件对吸波材料锥体阵列和微波黑体锥体阵列的散射场进行了计算,分析了RCS和微分散射系数的空间分布随阵列结构参数、阵列表面吸波涂层参数以及入射波频率的变化关系,给出了锥体内部和口面的场分布.     

强光电离氢原子产生花篮状干涉动量谱的数值研究

报道了强激光脉冲电离氢原子诱导的花篮状动量谱（PMDs）的数值模拟研究。采用强场近似理论（SFA）和鞍点近似算法模拟计算了不同激光强度条件下的花篮状动量谱。数值模拟结果表明，花篮状干涉结构电子动量谱源于三种干涉条纹的相互干涉叠加，这三种干涉条纹分别是半圆状阈上电离（ATI）干涉条纹和两种左右对称的周期内干涉（ICI）条纹。后者的干涉条纹随着激光强度的增加而单调变密。依据经典作用相位，深入研究了阈上电离干涉结构和周期内干涉结构的特点，提出了定量描述这两类干涉条纹结构的解析式，所提解析式可以很好地刻画干涉条纹的性质。此外，类比于传统坐标空间的多缝干涉，本文给出了动量空间三缝干涉诱导花篮状动量谱的直观物理图像，该图像有助于理解电子波包干涉的微观机理。     

激光诱导银纳米颗粒薄膜和微结构

利用可见激光诱导化学沉积方法在玻璃基底上制备纳米银薄膜和微结构。玻璃样品池中装满柠檬酸钠和硝酸银的混合透明溶液,当一束可见连续激光正入射样品池一段时间后,在辐照区域的玻璃内壁上便可以形成一层光亮的银膜。银膜沉积的速度受到激光功率密度、激光波长、辐照时间以及混合溶液的浓度等条件的影响。利用X射线衍射、原子力显微镜和拉曼光谱仪等手段对制备的薄膜的成分、表面形貌和拉曼活性等性质进行了表征和分析。利用此方法制备的银膜具有良好的表面增强拉曼散射活性。同时,利用双光束干涉的方法在玻璃基底上诱导出不同周期的银纳米颗粒光栅。     

交叉蝴蝶结纳米结构的Fano共振效应用于表面增强相干反斯托克斯拉曼散射的理论研究

Fano共振效应拥有独特的局域场增强效果,在表面增强相干反斯托克斯拉曼散射中,不同波长局域场增强空间位置相同的结构结合Fano共振效应,可以实现混合频率共振模式,使得表面增强相干反斯托克斯拉曼散射总的增强因子得到大幅度提高。采用FDTD软件系统研究了对称的交叉蝴蝶结Au纳米结构的Fano共振效应,该效应使得交叉蝴蝶结结构中心位置附近的电场强度得到大幅度的增强,把该结构应用到表面增强相干反斯托克斯拉曼散射中,可以使表面增强相干反斯托克斯拉曼散射信号的增强因子高达1013,达到单分子检测的水平。