利用飞秒激光脉冲整形调控固体表面亚微米结构的研究

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1、学号：S15010017硕士学位论文利用飞秒激光脉冲整形调控固体表面亚微米结构的研究研究生姓名：王硕学科、专业：物理学二○一八年六月分类号：TN249密级：可公开UDC：编号：利用飞秒激光脉冲整形调控固体表面亚微米结构的研究InvestigationonManipulatingSolidSurfaceMicrostructuresbyFemtosecondLaserPulseShaping学位授予单位及代码：长春理工大学（10186）工程领域名称及代码：物理学（070200）研究方向：原子分子与电磁场相互作用申

2、请学位级别：硕士指导教师：林景全教授研究生：王硕论文起止时间：2017.03—2018.04摘要近年来，利用聚焦飞秒激光可以直接在固体材料表面诱导形成亚微米尺度的微纳结构，这已经成为一种极具潜力的激光微纳制备方式。通过改变飞秒激光空间光场或时域波形可实现对其制备的表面微纳结构的优化和调控。空间整形是将高斯型的激光能量分布调整为特定需求的能量分布形式；时域波形整形的典型方式为将一个激光脉冲分为两个或两个以上子脉冲组成的脉冲序列。它们的本质是通过激光能量空间上的重新分布及时域脉冲分割（形成延时可控的脉冲序列）实现对

3、形成微纳结构的优化和控制。本文围绕飞秒激光能量分布及双脉冲延时对表面典型亚微米结构形成规律的影响进行了系统研究，主要内容及研究结果如下：1.利用聚焦飞秒激光在金属钛表面制备亚微米周期性结构，研究飞秒激光能量及空间分布对材料表面形成结构形貌的影响。发现在通过改变激光能量实现微结构周期调控的过程中会出现周期结构消失的实验现象。进而揭示了不同飞秒激光能量作用样品表面的热影响深度对周期结构形成及消失的影响机制。进一步通过飞秒激光能量分布对周期性结构的周期影响规律的分析，提出并验证了平顶飞秒激光脉冲在表面周期性结构制备过

4、程中应用的重要性，为脉冲整形应用于表面周期性结构制备奠定了基础。2.利用双脉冲这一典型的时域脉冲整形方式研究了脉冲延时对亚微米周期结构表面形貌的影响规律及物理机制，实现了周期由350nm到560nm的表面微结构周期的调控。发现当单个子脉冲能量高于周期结构形成阈值时，随着延时的增加结构周期消失，这一实验现象与前发子脉冲使材料表面发生熔化的现象有关。3.通过在待加工样品表面放置聚苯乙烯（PS）纳米球实现激光聚焦光斑内的激光能量重新分布，在PS小球下的基底表面获得了超衍射极限尺度的近场增强，将这种超衍射聚焦效应用于纳

5、米孔加工的研究。同时结合双脉冲时域调控，通过优化双脉冲延时实现了制备的纳米孔洞直径连续可调（直径调节范围在200nm-350nm）。关键词：飞秒激光、表面周期结构、双脉冲、能量分布整形、超衍射极限纳米孔结构ABSTRACTInrecentyears,thefocusingoffemtosecondlaserhasbeenusedtoinducetheformationofsubmicronscalemicro-nanostructuresdirectlyonthesurfaceofsolidmaterials,

6、whichhasbecomeapromisingnewmethodforformationmicro-nanostructureonmaterialsurface.Thesurfacemicrostructurescanbeoptimizedandcontrolledbychangingthespatialfielddistributionsortime-domainwaveformsoffemtosecondlaser.Spaceshapingisaformofenergydistributionthatad

7、juststheGaussianlaserenergydistributiontoaspecificone,makingitmoreconducivetoengineeringapplication.Thetypicalwayofwaveformshapingintimedomainistodividealaserpulseintotwoormoresub-pulsestoformapulsesequence,andtooptimizethesurfacemorphologybycontrollingthepu

8、lsedelay.Theessenceofthismethodistooptimizeandcontroltheformationprocessofmicro-nanostructurebydividingthepulsearrangementintimedomainandspatialdistributionoflaserenergy.Inthisthesis,theeffectso