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用于材料表面處理的飛秒激光微加工系統(tǒng)
主要用途：金屬表面微結(jié)構(gòu)制備，材料表面改性，等離子體研究
搭建時間：2017年3月
光學系統(tǒng)介紹：
飛秒激光輻照材料（金屬、半導(dǎo)體和電介質(zhì)）表面經(jīng)過光化學反應(yīng)和熔融自組裝形成周期遠小于光波波長的亞波長和深亞波長周期性微納結(jié)構(gòu)，該現(xiàn)象近年來備受關(guān)注，已在常見的材料上獲得了多種納米結(jié)構(gòu)，如納米光柵、納米微錐、納米線和納米顆粒等多種不同的表面納米結(jié)構(gòu)。飛秒激光誘導(dǎo)得到的周期性結(jié)構(gòu)有很多潛在應(yīng)用，如用于隱身戰(zhàn)斗機的“黑色”金屬和“彩色”金屬，實現(xiàn)弱光探測的帶有微錐結(jié)構(gòu)的黑硅探測器，實現(xiàn)油水分離的帶有周期性條紋的仿生結(jié)構(gòu)等都驗證了飛秒激光誘導(dǎo)得到的微納米結(jié)構(gòu)將會使材料的光學與電學性能得到極大提升。鑒于亞波長周期性微納結(jié)構(gòu)在光子集成回路、航空航天和仿生器件等方面的巨大應(yīng)用前景，利用飛秒激光制備高性能的微納光電材料與器件已成為激光微加工研究的前沿和熱點。
1 - 實驗系統(tǒng)技術(shù)原理
飛秒激光與金屬、半導(dǎo)體、透明電介質(zhì)等材料作用的機制各不相同。金屬材料存在大量的自由電子，具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，它對可見光和近紅外光均具有吸收作用；半導(dǎo)體和透明介質(zhì)原本不會吸收這一波段的光，但當飛秒激光的功率密度足夠大時，便會因多光子電離而產(chǎn)生大量的“電子氣體”，變成類似金屬的光吸收體，但同時還包含多光子電離、雪崩電離、相爆炸、庫侖爆炸、微爆炸和熱擴散等過程，作用機制復(fù)雜。由于絕大多數(shù)金屬對可見光不透明,激光處理金屬材料時能量首先沉積在穿透深度范圍內(nèi)。在這個深度范圍內(nèi)，激光與金屬不斷相互作用會形成近亞波長和深亞波長條紋結(jié)構(gòu)，目前對于條紋結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生機制有飛秒激光與表面散射波干涉作用機制、飛秒激光與表面等離激元干涉作用機制、層層自組裝機制與二次諧波機制等理論，但是這些理論仍然有許多問題不能解釋，所以還需要不斷探索。
2 - 實驗系統(tǒng)的總體設(shè)計
超快激光表面加工系統(tǒng)主要包括光路系統(tǒng)，成像單元和運動控制三部分。其中光路系統(tǒng)加工系統(tǒng)內(nèi)包含超快激光源、光路單元、運動單元和控制單元。而檢測系統(tǒng)內(nèi)包含激光能量檢測單元、顯微拍攝單元和粗糙度檢測單元。
光路系統(tǒng)：光路系統(tǒng)采用了具有皮秒和飛秒輸出的超快激光器作為光源，用兩個光瀾和兩個反射鏡對光束進行準直，利用兩個透鏡實現(xiàn)對光束的擴束，在光路中加入半波片和格蘭泰勒棱鏡實現(xiàn)光束偏振和能量的控制，在光路中我們還加入了電光調(diào)制器，實現(xiàn)加工過程中對脈沖個數(shù)的調(diào)整。將調(diào)整后光束通過物鏡，輻照到樣品上。此外，在光路中我們還加入了加工過程的成像部分，希望能夠觀察微納結(jié)構(gòu)形貌以便實時調(diào)整加工參數(shù)。
超快時間分辨光譜單元：在該實驗系統(tǒng)中我們在超快微納加工實驗系統(tǒng)的基礎(chǔ)上搭建了一套超快時間分辨瞬態(tài)吸收光譜系統(tǒng)，利用超快時間分辨泵浦-探測技術(shù)觀測了飛秒激光輻照金屬材料表面噴出等離子羽流隨時間演化的相關(guān)動力學過程，為探究光與物質(zhì)相互作用的瞬態(tài)過程提供了很好的技術(shù)手段。
精密運動控制單元：包含精密三維運動位移臺、步進電機、步進驅(qū)動器、直流電源以及控制器等五部分。為了滿足微結(jié)構(gòu)的尺寸為微米級或者亞微米級的加工需求我們選取了開放式多軸運動控制器和納米級分辨率的三維電控位移臺作為整套運動控制系統(tǒng)的運動控制核心。
3 - 實驗系統(tǒng)的拓展應(yīng)用
1、制備金屬表面微納米結(jié)構(gòu)進行光學特性的研究
2、制備微納米仿生結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)材料的智能化設(shè)計，擴展更多應(yīng)用
3、誘導(dǎo)非金屬材料表面精密周期性條紋，如玻璃，陶瓷，有機物等