光學(xué)誘導(dǎo)金屬表面微觀相干振蕩及其影響特性研究.pdf

1、光與物質(zhì)的相互作用是物理學(xué)中一個永恒的研究課題，它對于基礎(chǔ)科學(xué)的縱深發(fā)展及其廣泛應(yīng)用具有重要意義。依據(jù)光對物質(zhì)作用強(qiáng)度和效果的不同，我們可將其大致分為兩類：弱光照射情況（其結(jié)果是導(dǎo)致光波特性發(fā)生改變）和強(qiáng)光照射情況（其結(jié)果是導(dǎo)致物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其物理性能發(fā)生改變）。本論文第一部分的理論模擬研究工作屬于弱光作用情況，其著重研究非對稱金屬納米雙縫結(jié)構(gòu)對光波的傳輸特性；第二部分的實驗研究工作屬于強(qiáng)光作用情況，其重點研究雙束飛秒激光在單晶銅表面誘

2、導(dǎo)形成周期條紋結(jié)構(gòu)的超快動力學(xué)過程。
　　1998年Ebbsen在《Nature》期刊上發(fā)表的關(guān)于“亞波長金屬圓孔陣列結(jié)構(gòu)的光學(xué)增強(qiáng)透射現(xiàn)象”的報道引起了人們對亞波長金屬陣列結(jié)構(gòu)光學(xué)特性的極大和廣泛研究。在已有的大多數(shù)文獻(xiàn)報道中，金屬狹縫或孔陣列結(jié)構(gòu)中相鄰單元之間的隔層厚度一般為幾個波長量級，因此單元之間的電磁場相互作用需借助入射和出射面上激發(fā)的SPP波來實現(xiàn)，而對在中間金屬隔層厚度變?yōu)楦〉那闆r研究較少。本文首先利用時域有限差分

3、方法（FDTD）理論研究了非對稱金屬納米雙縫結(jié)構(gòu)在超薄金屬隔層（厚度約為半個波長）時對光波的異常透射特性，首次發(fā)現(xiàn)其透射譜中兩個透射峰值和一個明顯透射凹陷的新現(xiàn)象。兩個共振峰波長相對于單縫情況分別發(fā)生了藍(lán)移和紅移，而在透射凹陷處的光譜抑制現(xiàn)象隨著金屬隔層厚度的增加而逐漸衰退。分析表明上述現(xiàn)象與雙縫中SPP波導(dǎo)模式之間的交叉（雜化）耦合緊密相關(guān)，兩者作用可以形成對稱或者反對稱表面等離子體（Surface Plasmon Polariton

4、s-SPP）波雜化模式，它們分別對應(yīng)透射峰和透射抑制現(xiàn)象。不僅如此，我們還提出了一個SPP干涉模型用于定量解釋其中的SPP雜化耦合效應(yīng)，其中最終形成的SPP雜化模式類型取決于雙縫中SPP波在耦合前的初始相位差。研究表明在SPP交叉耦合作用下，金屬納米雙縫結(jié)構(gòu)具有空間色散分光功能，為納米光學(xué)提供了一個新的潛在應(yīng)用前景。
　　隨后，我們研究了狹縫結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)對其光學(xué)透射特性的影響。其中雙縫結(jié)構(gòu)透射譜的極值波長位置與狹縫長度呈線性變化關(guān)

5、系，狹縫數(shù)目的增加只會引起透射譜峰強(qiáng)度的增加，空間周期性排布會在入射和出射界面上引入了SPP波共振效應(yīng)，從而造成對透射譜形狀的調(diào)制。該研究結(jié)果為設(shè)計和研制功能性納米光子器件提供了新途徑。
　　另一方面，與長脈沖激光相比，飛秒激光的超短脈沖持續(xù)時間和超高峰值功率特性使其在對金屬、半導(dǎo)體和透明介質(zhì)等材料的微納加工方面具有明顯優(yōu)勢，且已成為目前微納加工技術(shù)領(lǐng)域的一個重要研究方向。盡管如此，但時至今日人們對飛秒激光在材料表面誘導(dǎo)形成周期性

6、微結(jié)構(gòu)的物理過程仍然缺乏比較全面和深刻的認(rèn)識。本文第二部分的內(nèi)容試圖針對這一問題開展深入創(chuàng)新研究。
　　其中，我們首先研究了雙束飛秒激光在不同偏振夾角情況下同時照射單晶銅表面誘導(dǎo)產(chǎn)生周期性條紋結(jié)構(gòu)的形貌特性。實驗結(jié)果表明此時條紋傾斜角為兩個偏振方向夾角的一半。當(dāng)雙束飛秒激光之間的時間延遲增加時，實驗測得條紋傾斜角度開始出現(xiàn)周期性振蕩行為，當(dāng)時間延遲大于12ps時，條紋傾斜角的周期振蕩變化消失，它隨時間延遲的增大呈指數(shù)形式衰減。另外