单光束飞秒激光诱导玻璃内部纳米光栅机理及应用研究进展 
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1 引言
飞秒激光脉冲的脉宽一般为几个到几百飞秒,如此短的脉宽可以使能量在时间上高度集中,产生很高的峰值功率。例如,脉宽为100 fs、能量为1 μJ的脉冲,其峰值功率高达107 W。 这一特性使得经过聚焦的飞秒激光在与材料相互作用的过程中,可以创造超快超强的极端物理条件,从而观察到各种连续激光及长脉冲激光实验不会出现的物理效应和实验现象。这些新发现极大地促进和丰富了人们对光与物质相互作用的认识,并且发展了相关领域的先进技术。随着飞秒激光器制造和控制技术的成熟,相关应用研究领域如化学反应优化[1]、量子相干控制[2]、激光手术[3]、功能微纳结构制备[4]等都得到了快速发展,特别是利用飞秒激光在透明材料内部制备微纳光学元器件领域。通过精确控制各项加工参数,可以实现对辐照区域结构变化的预设和调控,从而获得不同种类和性能的光学元器件。
一般而言,当飞秒脉冲聚焦到透明材料内部时,根据入射飞秒脉冲能量等级的不同,在辐照区域可以定性地产生三种不同类型的结构变化:当脉冲能量处于较低水平时,辐照区域的材料折射率会出现各向同性的增加,利用这一现象可以在玻璃内部直写低损耗光波导[5-6];当脉冲能量处于较高水平时,脉冲会在焦点附近诱导等离子爆炸而形成微孔或裂纹,产生中心空心而外围密度较大的腔型结构[7],这类结构可用于三维光存储技术[8];当脉冲能量处于这二者之间时,辐照区域会形成一种折射率呈亚波长周期分布的有序结构,并具有明显的光学双折射效应,因而被称为纳米光栅[9-11]。2003年,Shimotsuma 等[11]最早将纳米光栅这一名词用于指代飞秒激光在玻璃中诱导的与激光偏振方向垂直的、具有类似于单轴晶体的双折射特性的自组装亚波长周期条纹结构。这种纳米光栅结构表现出许多新奇的结构特征和光学性质,如光学各向异性[9-10]、周期性[11]、腐蚀选择性[12]、可擦除重写性[13]等,在诸多领域有着广阔的应用前景。传统的纳米尺度光栅的加工方法主要有电子束刻蚀法和相干刻蚀法,前者加工效率低,后者需要复杂的相干光路系统。而利用单束飞秒激光直写技术不需要使用相位掩模板或者复杂的相干光路系统,只需辅以三维移动的平台就可实现大面积亚波长周期结构的制备,具有很好的可重复性以及规模化开发的潜力。因此,这类结构逐渐成为超短脉冲微纳加工领域的一个研究热点。
本文首先简要概述了单束飞秒激光诱导纳米光栅的研究历史和基本特性(部分可以在本课题组之前的综述中找到[14]),介绍了不同研究小组在实验现象、纳米光栅形成机理及其应用等方面取得的研究进展,并指出了当前纳米光栅结构研究中存在的问题和未来的发展方向。
2 纳米光栅的研究历史和基本特性
2.1 飞秒激光诱导玻璃内部纳米光栅研究历史
1999年,Kazansky等[15]在锗掺杂的石英玻璃里观察到飞秒激光辐照区域的各向异性散射现象,这是最早关于飞秒激光诱导玻璃内部纳米光栅的研究报道。之后,Qiu等[16-17]发现这种现象也存在于石英玻璃等材料中,且具有记忆性,并预测了辐照区域产生了与激光偏振有关的永久结构。2003年,Shimotsuma等[11]通过扫描电镜(SEM)发现在辐照区域垂直于光传播方向的激光聚焦平面上,存在纳米尺度的光栅结构且其排列方向与入射光的偏振方向垂直,如
进一步的研究表明,纳米光栅形成区域在空间上呈胡萝卜形,如
图 1. 飞秒激光辐照区域抛光裸露后的(a)(b)SEM二次电子图像和(c)(d)背散射电子图像[11]
Fig. 1. (a)(c) Secondary electron images and (b)(d) backscattering electron images of silica glass surface polished close to the depth of focal spot[11]
图 2. 纳米光栅结构。(a)沿入射光方向的SEM照片[20];(b)空间结构示意图[23]
Fig. 2. Nanograting structure. (a) SEM image along the incident light direction[20]; (b) schematic diagram of the spatial structure[23]
2.2 纳米光栅的结构特征
玻璃中纳米光栅独特的结构赋予了它许多不同寻常的特性:1) 具有单轴双折射材料的双折射特性,这一特性是判断超短脉冲激光辐照石英玻璃内部后聚焦区域是否产生纳米光栅结构的基本依据;2) 反映纳米光栅双折射特性的光程延迟值和光轴取向具有可调控性,通过改变激光脉冲能量、入射脉冲数量和重复频率等可以获得不同数值的光程延迟值,通过改变入射激光的偏振方向可以控制光栅的光轴取向;3) 石英玻璃中的纳米光栅具有很好的耐热性,即使在接近玻璃化转变温度下放置一段时间,纳米光栅仍然能表现出一定的双折射性[23,26];4) 纳米光栅具有良好的可接续性,通过部分重叠的多次平行线扫描可以使新扫描区域内的纳米光栅结构沿着前一次扫描形成的纳米光栅结构扩展排列,使相邻两次扫描形成的光栅保持一致的空间规则性,无需考虑脉冲叠加的位置就可以方便地实现较大尺寸的基于纳米光栅的光学元器件加工[27];5) 纳米光栅具有重写性,通过改变前后两次辐照的激光偏振方向和相对辐照时间,可以使初次辐照形成的纳米光栅逐渐消失或在原位形成具有新的光轴取向的纳米光栅[13],这种特性使得纳米光栅在光存储应用方面具有独特的优势。
2.3 影响纳米光栅形成的几个因素
2.3.1 入射激光波长
研究表明,飞秒激光诱导的石英玻璃内部纳米光栅的周期与波长有关。在能量和数量合适的脉冲照射下,纳米光栅的周期
图 3. 纳米光栅的最小周期与入射光波长的关系曲线[26]
Fig. 3. Relationship between minimal period of nanogratings and incident laser wavelength[26]
2.3.2 脉冲能量
在不同聚焦条件和脉宽下,脉冲能量对玻璃中纳米光栅形成的影响通常以强度阈值的方式表现出来。如前所述,当脉冲能量低于阈值时,只能使玻璃中照射区域的折射率均匀增加[6],当脉冲能量高于阈值时,会形成孔洞或大裂纹[8],所以只有在合适的能量窗口才能形成性质均匀的纳米光栅。研究表明,在纳米光栅形成范围内,辐照区域的光程延迟值先随脉冲能量的增大而增大直至饱和,再随脉冲能量的增大而减小[26,28]。出现这种规律的原因是,当能量小于一定阈值时,材料不发生击穿;随着脉冲能量的增大,聚焦区域的电离率不断增加,激发出更大的自由电子态密度,从而在玻璃网格中储存更多的缺陷或激子,有效地增加了后续脉冲引发的材料电离阈值,使得更多的孔洞被快速孵化出并进行自组织生长连接[29-30],促进了纳米光栅结构的形成;当脉冲能量进一步增大后,材料发生烧蚀和熔化,又抑制了纳米光栅的形成。因此,在应用飞秒激光诱导纳米光栅时,结合聚焦条件,脉冲能量是必须考量的一个参数。
2.3.3 脉冲宽度
脉冲宽度的增加可以使脉冲与材料的作用时间变长,从而增加能量的吸收效率,在一定范围内可以促进纳米光栅的形成。但是,脉冲宽度的增加会使辐照区域的热效应变大,使辐照区域形成无序分布的微裂纹,进而影响纳米光栅的性能。Hnatovsky等[20,31]研究发现,随着脉冲宽度的增加,纳米光栅形成所需要的强度阈值降低,但可形成纳米光栅的能量窗口显著变窄;同时形成的纳米光栅的规整性变差,但这是否是热效应的增加导致的还需要进一步的研究。
2.3.4 激光重复频率(脉冲间隔时间)
激光重复频率的增加会使相邻脉冲间隔时间变短。在多脉冲作用时,如果脉冲间隔时间接近或小于能量扩散出焦点区域所需时间,会产生明显的热积累效应。热积累效应会使辐照区域温度显著上升,导致材料熔化,难以形成各向异性的结构,从而阻碍了纳米光栅的形成。有研究表明,重复频率为200 kHz的飞秒激光通过物镜聚焦到玻璃内部后,在脉冲能量高于一定值时,就可以发生热积累效应[32]。Richter等[33]系统研究了激光重复频率对石英玻璃中纳米光栅形成的影响,发现纳米光栅虽然可以在激光重复频率高达9.4 MHz的情况下形成,但实验同时表明,随着激光频率的增加,纳米光栅形成的窗口显著变窄,即可使用的脉冲能量范围变小,如
图 4. 激光重复频率对石英玻璃内部材料改性的影响[33]
Fig. 4. Influence of laser repetition rate on material modification within fused silica[33]
2.3.5 脉冲数量(密度)
研究表明,利用焦点相对样品移动的飞秒激光诱导纳米光栅,只有当脉冲密度达到一定值时才能形成结构规则、性质均匀的纳米光栅。Richter等[33]通过飞秒激光在石英玻璃内部进行线扫描的加工方式研究了纳米光栅的生长孵化过程,并把其分为三个典型阶段:最初的几十个脉冲只能使激光扫描区域出现离散的、具有一定长径比的亚微米量级孔洞和缺陷;随后的数十至数百个脉冲会使这些孔洞自组织连接生长和排列,呈现一定的准周期性,但结构仍然很不规则;当入射脉冲数增加到几百至几千时,整个激光辐照区域都呈现出规则的纳米光栅结构,周期也趋于一个稳定值,如
图 5. 入射脉冲数对纳米光栅生长过程的影响[33]
Fig. 5. Influence of incident pulse number on nanograting growth[33]
2.3.6 激光扫描方向
图 6. 不同偏振飞秒激光在石英玻璃中扫描形成的线结构分析。(a)光学显微照片; (b)偏光显微镜照片;(c)偏光显微镜下对应线条的透射光强;(d)线的横截面光学照片[38]
Fig. 6. Analysis of lines imprinted in fused silica by laser pulses with different polarizations. (a) Optical microscope photograph; (b) polarizing microscope photograph; (c) transmitted light intensity corresponding to lines under polarizing microscope; (d) cross-sectional photograph of lines[38]
早期的研究发现,由于脉冲强度前倾(PFT)的存在,激光焦点扫描方向的不同会使诱导的结构存在很大差异[36-37]。这一现象在实验上得到了验证,如
3 不同玻璃中纳米光栅的形成
自2003年Shimotsuma等[11]利用SEM在石英玻璃中证实了纳米光栅形成后的近十年间,几乎所有的研究都集中在(掺杂)石英玻璃材料上,除了在另外两种单轴晶体内部观察到纳米光栅外,其他玻璃材料中的发现近乎空白[39-40]。这与激光诱导的表面周期条纹结构几乎可以在所有固体材料上形成的现象大相径庭,因此,开展关于其他玻璃中的纳米光栅形成的研究变得十分必要。随着实验经验的积累和理论的不断完善,研究人员开始在不同的玻璃内部诱导出纳米光栅结构,为纳米光栅形成的物理机制的完善提供了更多更直接的实验参考。
2013年,Richter等[41]利用飞秒激光分别在三种不同的玻璃(型号分别为Borofloat 33, BK 7和ULE)中诱导出纳米光栅结构,从而将能形成纳米光栅的透明材料范围从单一组分材料扩展到多组分玻璃。研究发现,在ULE玻璃中形成的纳米光栅周期符合
图 7. 不同玻璃中纳米光栅对633 nm光产生的光程延迟值随脉宽的变化[41]
Fig. 7. Variance of optical path retardation with pulse duration for nanogratings in different glass versus light with wavelength of 633 nm[41]
Liao等[44-45]在组成约为95.5SiO24B2O30.5Na2O(95.5%、4%、0.5%分别指对应组分所占的质量分数)的多孔玻璃中观察到纳米光栅的形成,该纳米光栅由一组中空的椭圆形纳米腔 (长轴与激光传播方向平行)组成。在这一类玻璃中进行实验的好处是,在后期表征纳米光栅的形貌和特性时,不用进一步采用酸腐蚀等破坏性方法,可以很好地保留结构的原始特征。调控脉冲能量至光损伤阈值附近,可实现宽度小于50 nm的单个纳米腔的制备,如
图 8. 长条形的纳米孔阵列随着入射激光强度的降低逐渐演变为单个纳米孔[44]
Fig. 8. Evolution from nanopore array to single nanopore with the laser intensity decreasing[44]
2014年,Zhang等[47-48]报道了GeO2玻璃中飞秒激光诱导的纳米光栅,GeO2玻璃中形成的纳米光栅周期为(200±50) nm,与石英玻璃中的接近。在其他条件优化的情况下,GeO2玻璃中形成的纳米光栅的双折射信号达到最大值所需的脉冲能量远低于石英玻璃中的,但是所需的脉冲数要多于石英玻璃中的。Asai等[49]进一步研究了激光的重复频率和脉冲宽度对双折射强度的影响。在多脉冲入射情况下,当重复频率在一定范围内(1~200 kHz)时,光程延迟值随着重复频率的增加而增加;当重复频率大于200 kHz时,光程延迟值趋于饱和。而脉冲宽度的增加会导致光程延迟值近似单调递减,这可能是脉冲宽度增加后峰值功率降低,导致纳米光栅形成的过程更多地依赖于玻璃中的缺陷如非桥氧空穴中心的出现。通过聚焦离子束研磨(FIB)的方法使纳米光栅栅面显露出来,观察栅面的SEM精细结构,发现栅面上存在许多尺寸约为10 nm的纳米介孔,如
图 9. 脉冲能量为(a) 0.2 μJ和(b) 0.4 μJ时GeO2玻璃中辐照区域剖开后的二次电子图像;(c) GeO2玻璃中的纳米光栅结构示意图[49]
Fig. 9. Secondary electron images of cleaved sample surfaces in the modified regions in GeO2 glass created by femtosecond laser pulse with a pulse energy of (a) 0.2 μJ and (b) 0.4 μJ; (c) schematic diagram of nanograting structure in GeO2 glass[49]
Cao等[50]在组成成分为33Li2O33Nb2O534SiO2(33%、33%、34%分别指对应组成成分所占的浓度)的锂铌硅酸盐玻璃中观察到一种不同寻常的双折射结构。通过聚焦离子束研磨的方法取出辐照区域的薄片,再利用透射电镜(TEM)分析辐照区域的材料结构,结果发现照射区域形成了宽的晶相区域与窄的玻璃相“墙”相间分布的结构,玻璃相“墙”的取向与激光偏振方向垂直,如
图 10. 飞秒激光诱导区域的(a) TEM照片和(b)高分辨率SEM照片及衍射花样;(c)纳米结构示意图[50]
Fig. 10. (a) TEM image and (b) high resolution SEM image and diffraction pattern of femtosecond laser-induced nanostructures; (c) schematic diagram of nanostructures[50]
Zimmermann等[51]研究了Ge的掺杂浓度对石英玻璃中纳米光栅性能的影响,发现当激光重复频率不高于500 kHz、脉冲能量较低时,光程延迟值随着Ge掺杂浓度的增加而增加;但随着激光重复频率的进一步增加,Ge掺杂浓度高的玻璃光程延迟值下降得更快。这可能是Ge的高浓度掺杂使玻璃的密度增加,导致玻璃的热扩散率变小,因而使高重复频率下的热积累效应更加明显,从而影响了光栅的形成。研究同时发现,当玻璃中Ge的质量分数从0增加到19%,形成的纳米光栅周期从约165 nm减小到120 nm,同时光栅中低折射率层中的纳米量级孔的纵横比变大。玻璃分解得越严重,孔的数量就增加得越多,进而导致光栅的排布更密集,这是光程延迟值增加的原因。当激光重复频率为500 kHz时,随着Ge掺杂浓度的提高,纳米光栅的饱和光程延迟值显著降低。通过SEM分析,确认了双折射强度降低的原因是纳米介孔的平均尺寸和填充因子随着Ge的质量分数的增大而下降。
Fedotov等[52]在一种商用的无碱铝硅酸盐玻璃中观察到了纳米光栅的形成,发现该玻璃中反映纳米光栅特性的光程延迟值的增长速率要比石英玻璃中的低三个数量级,但饱和光程延迟值和石英玻璃中的相当。这一特性赋予了该玻璃中纳米光栅实际应用的可能性。对AF 32、石英玻璃、BK 7等玻璃中纳米光栅的形成情况进行对比,结果表明在所有能形成纳米光栅的玻璃中,其形成的光强阈值均为1 TW/cm2左右,如
图 11. (a)玻璃AF 32中形成的纳米光栅SEM图;当激光扫描速度为3 μm/s、重复频率为100 kHz时,(b)石英玻璃、(c)AF 32玻璃和(d)Borofloat 33玻璃中光程延迟值与脉冲能量和脉宽之间的关系[52]
Fig. 11. (a) SEM image of nanograting formed in AF 32 glass surface; distributions of light retardation values in (b) silica glass, (c) AF 32 glass, and (d) Borofloat 33 glass versus pulse energy and duration under the conditions of 3 μm/s laser scanning speed and 100 kHz pulse repetition rate[52]
从以上研究可以看出,材料的性能对纳米光栅的形成具有重要影响。材料组分越简单、玻璃网络结构越紧致的玻璃,其形成纳米光栅的能力越强,如石英玻璃、ULE玻璃和GeO2玻璃等。随着玻璃组分的复杂化和网络外体离子如碱金属氧化物、碱土金属氧化物的引入,玻璃网络变得松散化,玻璃形成纳米光栅的能力变差,这一点从多组分玻璃需要大量的脉冲辐照才能形成纳米光栅、光栅的规整性变差和双折射强度降低可以看出来。因此,要将飞秒激光直写微纳光学元件的技术扩展到除石英玻璃以外的其他玻璃中,需要解决加工速度和纳米光栅的光学性能等难题。
4 纳米光栅形成的物理机制研究
经过十几年的研究,对于玻璃中飞秒激光诱导纳米光栅的形成过程和各种参数的作用有了更加深入的认识,如关于色心、激子等缺陷在纳米光栅形成过程中的桥梁作用的观点得到了普遍的认同。但是,由于纳米光栅的生长和孵化过程仅发生在脉冲与物质相互作用的时间范围内,因此目前还缺乏有效手段对这个飞秒量级的过程进行时间分辨的直接观测,无法对脉冲作用过程中物质的演化进行精确描绘。当前主要的分析手段是依赖飞秒脉冲蕴含的时域、频域和空间特性之间的关联,通过观测飞秒脉冲与物质相互作用时光子、电子、原子、声子四个层面发生的信息传递、能量转化和元素迁移等宏微观可表示的物理事件,推断材料发生结构改性的内在机制和动力学过程。下面介绍几种关于玻璃内部纳米光栅形成物理机制的主流解释,包括入射光与电子等离子体波干涉模型[11],纳米等离子体各向异性生长及孵化模型[19,27],自陷激子辅助模型[26,30,53-54],阐述近几年来不同研究小组在纳米光栅形成机制的研究中取得的新进展。
4.1 入射光与电子等离子体波干涉模型
Shimotsuma等[11]首次利用背散射SEM观察到纳米光栅的形成,对表面周期条纹形成理论进行了扩展,提出了入射光与电子等离子体波干涉模型。在飞秒激光聚焦区域,非线性电离效应导致大量的电子等离子体出现,在入射脉冲尾端光场的耦合作用下,电子等离子体随即发生共振吸收,导致入射光场与电子等离子体波出现了相互干涉的现象。基于入射光场与电子等离子体波之间的相互干涉机制,电子等离子体密度得到了周期性的调制,辐照区域的材料改性也呈现周期性变化,材料快速凝固后在焦点位置留下了永久性的周期性结构。这一模型可以解释很多实验现象,如光栅的周期性和脉冲能量对光栅周期的影响。但是,根据该模型,相干的发生对等离子体的温度和密度有很高的要求,这与后来在温度较低条件下观察到纳米光栅形成的事实相矛盾[27]。为了解释这一矛盾,Misawa等[55]提出了双等离子体激元衰减的概念,对干涉模型进行了修正。双等离子体激元衰减是一个入射光子劈裂成两个等离子体激元(两束电子等离子体波)的参量过程,与Shimotsuma等人的解释的区别主要在于只需一半的光子能量来激发两个等离子体激元,而且触发这个参量过程的等离子体密度是发生等离子体波干涉所需密度的1/4。激发的两个等离子体激元具有相同的频率和相反的传播方向,且满足Cherenkov动量守恒机理,它们之间的干涉可以产生亚波长的周期性调制。
4.2 纳米等离子体各向异性生长模型
Bhardwaj等[19,27]根据新的实验观测,利用纳米等离子体各向异性生长模型解释了纳米光栅的形成。这一机理的主要内容如下。初始的几个飞秒激光脉冲先将玻璃中自然存在的、具有较低电离阈值的缺陷电离,产生一些随机分布的电离中心,如
图 12. (a)纳米等离子体进化成纳米平面的过程[27];(b)纳米等离子体周围的局域场增强示意图[19]
Fig. 12. (a) Evolution of nano-plasma into nano-plane[27]; (b) schematic diagram of local field enhancement around a nano-plasma[19]
4.3 自陷激子辅助过程
由于纳米光栅的形成需要多个脉冲的协同作用来完成,而上述基于等离子体的机制模型中后续脉冲无法与前一脉冲产生的等离子体作用(等离子体寿命远小于脉冲间隔时间)。Richter等[26,30]通过实验观察,提出了缺陷辅助的纳米光栅形成机理,即纳米光栅的形成过程根据脉冲时间间隔可以分为两种情况,如
图 13. 自陷激子形成和弛豫成半永久性点缺陷的示意图[26]
Fig. 13. Schematic diagram of forming self-trapped excitons and decaying to semi-permanent point defects[26]
4.4 纳米光栅形成机制研究新进展
Dai等[56]在实验中观察到石英玻璃内部纳米光栅在三维空间上的可控旋转,这种三维旋转取决于脉冲强度前倾(PFT)与激光偏振方向之间的夹角,提出了
图 14. 用PFT飞秒激光实现纳米光栅三维旋转的示意图[56]
Fig. 14. Schematic diagram of realizing three-dimensional rotation of nanogratings by PFT femtosecond pulses[56]
图 15. (a)多孔玻璃中激光修饰与未修饰区域界面表面等离子体波的激发概念图;(b)表面等离子体波的周期计算值与电子密度之间的关系[58]
Fig. 15. (a) Concept map of exciting surface plasma wave at interface between laser modified and unmodified areas of porous glass; (b) relationship between calculated period of surface plasma wave and electron density[58]
Liao等[58]认为激光修饰和未修饰区域界面处激发的等离子体驻波在纳米光栅形成机制中扮演重要角色。通过实验发现,自组织纳米光栅是从分布在激光修饰和未修饰区域界面的纳米孔逐渐发展形成的,利用有限时域差分法(FDTD)对激光光场进行模拟,结果显示激光强度在纳米等离子体内部和垂直于激光偏振方向的赤道均有明显的增强。由此,对纳米等离子体各向异性生长模型进行了拓展。当脉冲能量在烧蚀阈值附近时,这种场增强效应会导致纳米等离子体附近非对称烧蚀,形成椭圆形的纳米等离子体。显著的场增强随后发生在其顶部,进一步使椭圆形纳米等离子沿着主轴方向生长。随着入射脉冲的不断增加,这一效应不断积累并最终导致亚波长裂纹的形成。当脉冲能量大于烧蚀阈值时,激光会在界面处激发等离子体驻波,如
Rudenko等[60]基于理论计算,对纳米光栅形成机理进行了理论研究,认为纳米光栅形成的基础是入射激光与玻璃中随机分布的纳米尺度杂质产生的散射光之间的干涉。在同时考虑雪崩电离和复杂的Keldysh光电离的情况下,求解了石英玻璃中存在随机分布杂质时的非线性麦克斯韦方程和多重比率的自由载流子密度公式。计算结果显示,导带电子密度分布决定了从球形纳米杂质向周期分布的纳米面演化的过程,垂直于激光偏振方向的纳米面的周期依赖于入射波长。纳米光栅的形成归因于多个物理过程间的相互作用,比如入射光与散射光之间的干涉,多重散射,局域场增强效应和多光子电离驱动的积累过程。另外,强调了两种类型的散射导致不同周期纳米光栅的形成:1) 当杂质分布界面清晰时,入射光波与杂质散射光波之间的干涉导致与入射波周期相近的周期结构的形成;2) 当杂质在玻璃中分布均匀时,垂直于激光偏振方向的电场分量诱导的近乎相连的杂质导致的多重散射光波之间发生干涉,进而导致亚波长高频纳米光栅的形成。
Zimmermann等[61]研究了扫描方式下纳米光栅的形成过程,发现当入射脉冲在空间上不重合时,扫描区域形成了分离的纳米孔洞。随着入射脉冲的逐渐叠加,这些纳米孔洞开始沿着扫描方向互相挤压变形,同时孔周围的应力增加形成裂纹,再逐渐演变成自组织纳米光栅结构,如
图 16. 激光偏振方向平行(上)和垂直于扫描方向(下)两种情况下的(a)抛光和腐蚀后的SEM照片和(b)纳米光栅形成过程的示意图[61]
Fig. 16. (a) SEM image of nanograting after polishing and etching and (b) schematic diagram of nanograting forming process for parallel scanning (upper) or perpendicular scanning (lower)[61]
5 纳米光栅结构的应用
自飞秒激光诱导的自组织纳米光栅被发现以来,人们便一直在探索其应用潜能。在此前的相关综述[14,27]里,学者们对纳米光栅在微流体通道、偏振元件、光存储方面的应用作了较为详细的介绍。下面主要介绍近几年来纳米光栅在这三个方面新的研究成果。
5.1 微流体通道
微流体控制主要是指用微纳米尺度的元器件去实现液体样品的操控和分析,这项技术在单个生物分子探测和生物芯片制备领域有巨大的市场需求。在微流体器件中,微流体通道是一个非常重要的部分,通过它的连接,可以直接在集成化、小型化的芯片实验室里实现微量液体、气体的实时检测和在线分析[62]。由于飞秒激光辐照过的区域在酸溶液中的腐蚀速率比基体玻璃大,且当辐照区形成纳米光栅时,腐蚀速率具有明显的各向异性特征[12,18],因此,利用飞秒激光直写技术并辅以酸溶液腐蚀的方法可以方便快捷地制造微流体通道,比传统的光刻方法更加高效省时。利用纳米光栅光轴的偏振依赖性,通过改变入射激光的偏振方向可以控制玻璃内部微通道的化学腐蚀速率[12,63],该性质使得飞秒激光直写微流体通道技术在制作高纵横比的微流体通道方面具有一定的技术优势,为三维集成微流体器件的小型化提供了一个很好的技术平台。
Liao等[44-45]在利用飞秒激光制造微纳流体通道方面作出了代表性的工作,他们通过调控脉冲能量至光损伤阈值附近,实现了宽度小于50 nm的单个纳米通道的制备,如
图 17. 纳米流体装置的(a)结构示意图和(b)光学照片;纳米通道阵列宽度为(c) 50 nm和(d) 200 nm的荧光照片[45]
Fig. 17. (a) Schematic diagram and (b) photograph of nanofluidic device; fluorescent images of nanochannel arrays with width of (c) 50 nm and (d) 200 nm, respectively[45]
5.2 光数据存储
纳米光栅结构具有的光学双折射现象使得其在光学数据存储方面具有独天得厚的优势。与常规的三维光存储相比,纳米光栅的光延迟和光轴具有可调性,可以使光存储的维度从三维增加到五维。该方向的应用研究主要集中于两类:一是利用其可擦除重写的效应来实现光学数据的更改和多次写入[13,27],二是利用其光轴和光程延迟值的可控性来实现大容量数据的存储[34]。关于第一类研究,已在之前的综述中进行了介绍[14],近年来只有Zimmermann等[64]研究了纳米光栅的重写过程,实际应用方面没有发现更多的研究。关于第二类研究,自Shimotsuma等[34]演示了在玻璃中进行多维的图像存储之后,2014年Kazansky课题组又获得了实质性的突破[65],成功实现了利用飞秒激光诱导的双折射点阵进行数码文件的多路复用存储和读取。由于纳米光栅的光轴总是垂直于写入激光的偏振方向,通过在光路中加入液晶空间光调制器和由4个二分之一波片组成的半波片阵列分别对激光的强度和偏振进行调制,实现了在单个双折射点编码三比特(bit)的信息。利用一套基于光学显微镜和液晶偏振补偿器的双折射信号测量系统,可以轻松读取间隔为20 μm的三层点阵的光程延迟值和光轴取向,随后进行归一化处理和二进制解码,完成数据的读取,如
图 18. 五维光存储技术的读取过程。(a)对记录在分离的三层点阵的数据进行双折射测量;(b)放大的5×5点阵的光轴取向;(c)顶层数据的光程延迟值分布;(d)顶层数据的光轴取向分布;(e)放大的归一化光程延迟值矩阵;(f)放大的归一化光轴矩阵;(g)从(e)中读取的二进制数据;(h)从(f)中读取的二进制数据[65]
Fig. 18. Readout process in 5D optical storage. (a) Birefringence measurement of the data record in three separate layers; (b) enlarged 5×5 dot array; (c) retardance distribution retrieved from the top data layer; (d) slow axis distribution retrieved from the top data layer; (e) enlarged normalized retardance matrix; (f) enlarged normalized slow axis matrix; (g) binary data retrieved from (e); (h) binary data retrieved from (f)[65]
当然,目前利用纳米光栅结构实现光学数据存储的研究还处于起步阶段,距离实际的应用还有很长的一段路要走,但正如上文所述,五维光学数据存储技术本身具有巨大的优势,如存储速度快、容量大、寿命长等,特别是把其与可擦除重写技术结合起来后的优势是其他类型的光学数据存储技术[66-67]所不具备的,因此具有广阔的市场空间。
5.3 微光学元件
飞秒激光诱导的纳米光栅具有单轴晶体的双折射特性,这使其能实现各种功能的集成化光学元器件的制备。在纳米光栅得到实验确证之前, Kazansky等[10, 68]利用纳米光栅的双折射特性在石英玻璃中实现了微型反射器和菲涅耳波带片的制作。其后,更多的偏振敏感光学元件被成功制备出来,包括四分之一波片、二分之一波片[26,69]、光衰减器[38]、计算机生成的全息图[70]和其他复杂的波导器件[71-72]等。Beresna等[73]通过对纳米光栅的光轴进行周期性调制,在石英玻璃中制备了偏振衍射光栅,如
图 19. (a)偏振衍射光栅的光轴取向分布图;(b)虚线位置量化的光栅慢轴取向及其对不同偏振入射光的相位调制;(c)光通过偏振衍射光栅后的相位分布图;(d)不同偏振入射光通过光栅后的远场衍射光强和偏振分布;(e)偏振衍射光栅对径向偏振和角偏振的光漩涡的分解[73-74]
Fig. 19. (a) Distribution along optical axial direction of polarization diffraction grating; (b) slow axis orientation and corresponding phase modulation for two circular polarizations across the dashed line in (a); (c) phase distribution for light passing through polarization diffraction grating; (d) far-field intensity and polarization distributions for differently polarized light passing through gratings; (e) radially or azimuthally polarized optical vortexes splitted by polarization diffraction grati
图 20. (a)四分之一波片偏振转换器和(b)二分之一波片偏振转换器中纳米光栅的分布示意图;用于(c)圆偏振和(d)线偏振入射光的径向偏振转换器的纳米光栅取向分布图[74]
Fig. 20. Schematic diagram of nanograting distribution in (a) quarter- and (b) half-wave polarization converters; femtosecond-laser-written radial polarization converters for (c) circular and (d) linear incident polarizations[74]
纳米光栅的另一个重要应用是制备偏振转换器[75],其功能是将偏振态空间均匀分布的线偏振光和圆偏振光转换成偏振态空间变化的径向偏振光或角偏振光,从而获得更好的聚焦效果,在高分辨成像方面具有重要的应用。利用纳米光栅制备的四分之一波长和二分之一波长偏振转换器中纳米光栅的分布示意图分别如
此外,通过对由纳米光栅制备的偏振敏感元件进行结构设计来制造偏振敏感相机,以对处于可见光谱范围内的斯托克斯矢量分布进行瞬态测量[77];采用这种方法还可以制造瑞利光束转换器,用以产生一维和二维的瑞利光束[78]。Drevinskas等[79]发现,将飞秒激光诱导的石英玻璃内部的纳米光栅抛光,使其裸露于表面,并辅以KOH溶液腐蚀,可以使光程延迟值增大为原来的三倍,如
图 21. (a)~(d)不同条件下制备的纳米光栅区域的光程延迟值随腐蚀时间的变化;(e)不同时间腐蚀后光栅区域的光程延迟值的照片记录[79]
Fig. 21. (a)-(d) Variation of retardation values in nanogratings with etching time under different manufacture conditions; (e) images of retardation values in nonagratings after corrosion with different time[79]
6 结论
飞秒激光诱导玻璃内部自组织纳米光栅结构的发现为超短脉冲激光与透明材料的相互作用开辟了新的方向,纳米光栅结构的研究不仅能揭示光与物质作用的超快过程和物理效应,还能以这种制备工艺简单的纳米周期结构为基础发展各种先进微纳器件的制备和集成技术以及超高容量的多维光存储技术等。因此,这一方向具有广阔的发展前景。
经过十几年的研究,关于纳米光栅形成过程的各种细节被不断揭示出来,在此基础上,许多研究者对前期提出的纳米光栅形成机制和模型进行了修正和整合。但是由于研究切入点的不同和知识的不完备,现有的物理模型仍然存在偏离实验观察结果或条件设置互相矛盾的问题,还没有形成有机的理论体系,无法使纳米光栅的形成机制得到彻底的解释。因此,需要更多的实验研究工作。
关于纳米光栅的应用,虽然一些小组分析了利用其组装多样化功能光学元器件的可能性和进行超大容量多维光存储的潜力,但许多研究工作仍处于实验室阶段,技术仍不成熟,为推动其商业化发展,研究人员需要付出更多的努力。目前,由于对纳米光栅产生机制的研究还不够透彻,还无法在纳米光栅的尺度与加工参数之间建立精确的对应关系;而纳米光栅的加工面积受制于激光焦点光斑的尺寸,较难实现大面积的快速加工。对于前一个问题,随着机理研究的不断深入,有望建立加工参数与纳米光栅尺度的对应关系,使对尺度的控制满足大部分应用的要求;对于后一个问题,由于纳米光栅具有良好的可接续性,可以通过对光束进行整形和并行加工,快速实现较大面积的纳米光栅加工。
此外,由于光纤在激光和通信方面有广泛的应用,利用飞秒激光对光纤进行微加工、制备和集成各种功能的光子元件将会成为纳米光栅应用上一个新的热点[81-85]。理论上,如果能在光纤纤芯中形成连续的纳米光栅,则有望将其用于制备光纤传感器和光纤光栅,并实现应用。
近年来,国内研究小组已取得了一些有特色的研究成果,但总体上相比国际前沿水平,仍处于跟踪研究的阶段。因此仍然需要在前期研究成果的基础上,结合自身优势,开展具有鲜明特色的研究,为研发新型全光集成器件提供一些有益的科研经验。
[14] 戴晔, 邱建荣. 单光束飞秒激光诱导石英玻璃内部纳米光栅的研究进展[J]. 激光与光电子学进展, 2013, 50(12): 120002.
[17] Qiu J, Hirao K. Polarization dependent emission in silica glass[J]. O plus E, 2002, 77: 1-2.
[37] Yang W, Kazansky P G, Shimotsuma Y. et al. Ultrashort-pulse laser calligraphy[J]. Applied Physics Letters, 2008, 93(17): 171109.
[55] MisawaH, JuodkazisS. 3D laser microfabrication: Principles and applications[M]. New York: John Wiley & Sons, 2006.
[62] ManzA, BeckerH. Microsystem technology in chemistry and life sciences[M]. [s. l.]: Springer Science & Business Media, 2003.
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王珏晨, 张芳腾, 邱建荣. 单光束飞秒激光诱导玻璃内部纳米光栅机理及应用研究进展[J]. 中国激光, 2017, 44(1): 0102001. Wang Juechen, Zhang Fangteng, Qiu Jianrong. Research Progresson Single Femtosecond Laser Induced Nanogratings in Glass: Fundamentals and Applications[J]. Chinese Journal of Lasers, 2017, 44(1): 0102001.
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