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用于飞秒激光纳米加工的TiO2粒子阵列诱导多种基底表面近场增强

焦悦 陶海岩 季博宇 宋晓伟 林景全

用于飞秒激光纳米加工的TiO2粒子阵列诱导多种基底表面近场增强

焦悦, 陶海岩, 季博宇, 宋晓伟, 林景全
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  • 利用纳米粒子辅助对飞秒激光能量进行空间局域化,使其在基底表面诱导产生纳米尺度的近场增强,这对超衍射极限微结构加工具有重要意义.目前对于粒子阵列诱导飞秒激光纳米孔加工的研究仅限于金属Au粒子及低折射率聚苯乙烯介电粒子等,本文提出并开展了应用高折射率TiO2介电粒子阵列作为辅助诱导激光近场增强从而进行飞秒激光超衍射纳米孔加工的研究.对TiO2介电粒子阵列在Si,Pt及SiO2表面的近场强度分布进行了数值模拟,研究其基底表面近场增强的规律及物理过程.研究结果发现,使用硅基底时,阵列与单一TiO2球形粒子相比其近场增强仅下降约30%;相对于入射激光强度而言,在直径约为100 nm的空间范围内获得140倍的近场增强,这一现象可用于百纳米孔的激光加工.同时在其他典型基底的理论计算结果中也表明,几乎在所有金属及介电材料表面均可以实现良好的百纳米空间范围内的近场增强,并且具有近场随着基底折射率变大而增强的规律.这些现象的产生归因于TiO2粒子中磁四极振荡产生的激光前向场增强及粒子与基底的耦合作用.进一步引入镜像电荷模型对基底光学参数对其表面近场增强的影响规律进行了分析和解释.本文的模拟结果对飞秒激光近场超衍射极限纳米加工的应用有着重要的意义.
    [1]

    Tao H, Song X, Hao Z, Lin J 2015 Chin. Opt. lett. 13 061402

    [2]

    Tao H, Lin J, Hao Z, Gao X, Song X, Sun C, Tan X 2012 Appl. Phys. Lett. 100 201111

    [3]

    Li G Q, Li X H, Yang H D, Qiu R, Huang W H 2011 Chin. Opt. 4 72 (in Chinese) [李国强, 李晓红, 杨宏道, 邱荣, 黄文浩 2011 中国光学 4 72]

    [4]

    Zenhausern F, Martin Y, Wickramasinghe H K 1995 Science 269 1083

    [5]

    Merlein J, Kahl M, Zuschlag A, Sell A, Halm A, Boneberg J, Leiderer P, Leitenstorfer A, Bratschitsch R 2008 Nature Photon. 2 230

    [6]

    Wang Z B, Luk'yanchuk B S, Li L, Crouse P L, Liu Z, Dearden G, Watkins K G 2007 Appl. Phys. A 89 363

    [7]

    Plech A, Kotaidis V, Lorenc M, Boneberg J 2006 Nature Phys. 2 44

    [8]

    Robitaille A, Boulais, Meunier M 2013 Opt. Express 21 9703

    [9]

    Nedyalkov N, Miyanishi T, Obara M 2007 Appl. Surf. Sci. 253 6558

    [10]

    Atanasov P A, Nedyalkov N N, Sakai T, Obara M 2007 Appl. Surf. Sci. 254 794

    [11]

    Nedyalkov N, Sakai T, Miyanishi T, Obara M 2007 Appl. Phys. Lett. 90 123106

    [12]

    Quan S, Kosei U, Han Y, Atsushi K, Yasutaka M, Hiroaki M 2013 Light Sci. Appl. 2 e118

    [13]

    Pearodrguez O, Pal U, Campoyquiles M, Rodrguezfernndez L, Garriga M, Alonso M I 2011 J. Phys. Chem. C 115 6410

    [14]

    Terakawa M, Takeda S, Tanaka Y, Obara G, Miyanishi T, Sakai T, Sumiyoshi T, Sekita H, Hasegawa M, Viktorovitch P, Obara M 2012 Prog. Quantum Electron 36 194

    [15]

    Afanasiev A, Bredikhin V, Pikulin A, Ilyakov I, Shishkin B, Akhmedzhanov R, Bityurin N 2015 Appl. Phys. Lett. 106 183102

    [16]

    Pikulin A, Afanasiev A, Agareva N, Alexandrov A P, Bredikhin V, Bityurin N 2012 Opt. Express 20 9052

    [17]

    Tanaka Y, Obara G, Zenidaka A, Terakawa M, Obara M 2010 Appl. Phys. Lett. 96 261103

    [18]

    Tanaka Y, Obara M 2009 Jpn. J. Appl. Phys. 48 122002

    [19]

    Taflove A, Hagness S C 2000 Computational Electrodynamics: The Finite-Difference Time-Domain Method (Boston: Artech House)

    [20]

    Palik E D 1998 Handbook of Optical Constants of Solids (Vol. 1) (San Diego, CA: Academic) p333

    [21]

    Johnson P B, Christy R W 1972 Phys. Rev. B 6 4370

    [22]

    Messinger B J, Raben K U, Chang R K, Barber P W 1981 Phys. Rev. B 24 649

    [23]

    Maier S A 2007 Plasmonics: Fundamentals and Applications (New York: Springer)

  • [1]

    Tao H, Song X, Hao Z, Lin J 2015 Chin. Opt. lett. 13 061402

    [2]

    Tao H, Lin J, Hao Z, Gao X, Song X, Sun C, Tan X 2012 Appl. Phys. Lett. 100 201111

    [3]

    Li G Q, Li X H, Yang H D, Qiu R, Huang W H 2011 Chin. Opt. 4 72 (in Chinese) [李国强, 李晓红, 杨宏道, 邱荣, 黄文浩 2011 中国光学 4 72]

    [4]

    Zenhausern F, Martin Y, Wickramasinghe H K 1995 Science 269 1083

    [5]

    Merlein J, Kahl M, Zuschlag A, Sell A, Halm A, Boneberg J, Leiderer P, Leitenstorfer A, Bratschitsch R 2008 Nature Photon. 2 230

    [6]

    Wang Z B, Luk'yanchuk B S, Li L, Crouse P L, Liu Z, Dearden G, Watkins K G 2007 Appl. Phys. A 89 363

    [7]

    Plech A, Kotaidis V, Lorenc M, Boneberg J 2006 Nature Phys. 2 44

    [8]

    Robitaille A, Boulais, Meunier M 2013 Opt. Express 21 9703

    [9]

    Nedyalkov N, Miyanishi T, Obara M 2007 Appl. Surf. Sci. 253 6558

    [10]

    Atanasov P A, Nedyalkov N N, Sakai T, Obara M 2007 Appl. Surf. Sci. 254 794

    [11]

    Nedyalkov N, Sakai T, Miyanishi T, Obara M 2007 Appl. Phys. Lett. 90 123106

    [12]

    Quan S, Kosei U, Han Y, Atsushi K, Yasutaka M, Hiroaki M 2013 Light Sci. Appl. 2 e118

    [13]

    Pearodrguez O, Pal U, Campoyquiles M, Rodrguezfernndez L, Garriga M, Alonso M I 2011 J. Phys. Chem. C 115 6410

    [14]

    Terakawa M, Takeda S, Tanaka Y, Obara G, Miyanishi T, Sakai T, Sumiyoshi T, Sekita H, Hasegawa M, Viktorovitch P, Obara M 2012 Prog. Quantum Electron 36 194

    [15]

    Afanasiev A, Bredikhin V, Pikulin A, Ilyakov I, Shishkin B, Akhmedzhanov R, Bityurin N 2015 Appl. Phys. Lett. 106 183102

    [16]

    Pikulin A, Afanasiev A, Agareva N, Alexandrov A P, Bredikhin V, Bityurin N 2012 Opt. Express 20 9052

    [17]

    Tanaka Y, Obara G, Zenidaka A, Terakawa M, Obara M 2010 Appl. Phys. Lett. 96 261103

    [18]

    Tanaka Y, Obara M 2009 Jpn. J. Appl. Phys. 48 122002

    [19]

    Taflove A, Hagness S C 2000 Computational Electrodynamics: The Finite-Difference Time-Domain Method (Boston: Artech House)

    [20]

    Palik E D 1998 Handbook of Optical Constants of Solids (Vol. 1) (San Diego, CA: Academic) p333

    [21]

    Johnson P B, Christy R W 1972 Phys. Rev. B 6 4370

    [22]

    Messinger B J, Raben K U, Chang R K, Barber P W 1981 Phys. Rev. B 24 649

    [23]

    Maier S A 2007 Plasmonics: Fundamentals and Applications (New York: Springer)

  • [1] 吕新宇, 李志强. 石墨烯莫尔超晶格体系的拓扑性质及光学研究进展. 物理学报, 2019, 68(22): 220303. doi: 10.7498/aps.68.20191317
    [2] 王兆华, 魏志义, 滕 浩, 王 鹏, 张 杰. 飞秒激光脉冲的谐波频率分辨光学开关法测量研究. 物理学报, 2003, 52(2): 362-366. doi: 10.7498/aps.52.362
    [3] 冯柳宾, 鲁欣, 刘晓龙, 葛绪雷, 马景龙, 李玉同, 陈黎明, 董全力, 王伟民, 滕浩, 王兆华, 盛政明, 魏志义, 贺端威, 张杰. 飞秒激光离焦抽运熔融石英产生超连续白光的实验研究. 物理学报, 2012, 61(17): 174206. doi: 10.7498/aps.61.174206
    [4] 刘小亮, 孙少华, 曹瑜, 孙铭泽, 刘情操, 胡碧涛. 飞秒激光低压N2等离子体特性的实验研究. 物理学报, 2013, 62(4): 045201. doi: 10.7498/aps.62.045201
    [5] 邱建荣, 姜雄伟, 朱从善, 干福熹. 飞秒激光作用下光学玻璃和激光玻璃的光致暗化及其ESR研究. 物理学报, 2001, 50(5): 871-874. doi: 10.7498/aps.50.871
    [6] 彭娜娜, 霍燕燕, 周侃, 贾鑫, 潘佳, 孙真荣, 贾天卿. 飞秒激光诱导自组织纳米周期结构及其光学特性的研究进展. 物理学报, 2013, 62(9): 094201. doi: 10.7498/aps.62.094201
    [7] 杨向东, 谷渝秋, 郑志坚, 周维民, 温天舒, 淳于书泰, 焦春晔, 陈 豪, 蔡达锋. 飞秒激光-固体靶相互作用中超热电子能量分布的实验研究. 物理学报, 2005, 54(1): 186-191. doi: 10.7498/aps.54.186
    [8] 谷渝秋, 郑志坚, 周维民, 焦春晔, 温天舒, 淳于书泰, 蔡达锋. 飞秒激光-金属薄膜靶相互作用中靶前后超热电子能谱的比较. 物理学报, 2007, 56(1): 346-352. doi: 10.7498/aps.56.346
    [9] 朱丽丹, 孙方远, 祝捷, 唐大伟. 飞秒激光抽运探测热反射法对金属纳米薄膜超快非平衡传热的研究. 物理学报, 2012, 61(13): 134402. doi: 10.7498/aps.61.134402
    [10] 梁春永, 王洪水, 王锐, 杨建军, 韩伟, 杨阳. 飞秒激光在空气和水中对硅片烧蚀加工的实验研究. 物理学报, 2009, 58(8): 5429-5435. doi: 10.7498/aps.58.5429
    [11] 王兆华, 魏志义, 张 杰. 飞秒激光脉冲的频率分辨偏振光学开关法测量研究. 物理学报, 2005, 54(3): 1194-1199. doi: 10.7498/aps.54.1194
    [12] 杨 宏, 张铁桥, 王树峰, 龚旗煌. 钛蓝宝石飞秒超快光谱技术及其应用进展. 物理学报, 2000, 49(7): 1292-1296. doi: 10.7498/aps.49.1292
    [13] 徐 军, 康香宁, 瞿 欣, 方培源, 宋国峰, 陈良惠, 甘巧强, 高建霞, 徐 云, 钟 源, 杨国华, 曹 青. 微小孔径激光器的工艺及器件功率和寿命特性分析. 物理学报, 2005, 54(12): 5609-5613. doi: 10.7498/aps.54.5609
    [14] 岑贵, 张志斌, 吕新宇, 刘开辉, 李志强. 金属衬底上石墨烯的红外近场光学. 物理学报, 2020, 69(2): 027803. doi: 10.7498/aps.69.20191598
    [15] 贾琳, 唐大伟, 张兴. 多晶碲化锌薄膜载能子超快动力学实验研究. 物理学报, 2015, 64(8): 087802. doi: 10.7498/aps.64.087802
    [16] 徐耿钊, 白永强, 朱 星, 梁 琥, 刘纪美. 低温近场光学显微术对InGaN/GaN多量子阱电致发光温度特性的研究. 物理学报, 2005, 54(11): 5344-5349. doi: 10.7498/aps.54.5344
    [17] 王子洋, 李 勤, 赵 钧, 郭继华. 透射式扫描近场光学显微镜探针光场分布及其受激荧光分子光场分布研究. 物理学报, 2000, 49(10): 1959-1964. doi: 10.7498/aps.49.1959
    [18] 段嘉华, 陈佳宁. 二维极化激元学近场研究进展. 物理学报, 2019, 68(11): 110701. doi: 10.7498/aps.68.20190341
    [19] 王 潜, 徐金强, 武 锦, 李永贵. 利用扫描近场红外显微镜对化学样品组分进行成像研究. 物理学报, 2003, 52(2): 298-301. doi: 10.7498/aps.52.298
    [20] 李成斌, 贾天卿, 孙海轶, 李晓溪, 徐世珍, 冯东海, 王晓峰, 葛晓春, 徐至展. 飞秒激光对氟化镁烧蚀机理研究. 物理学报, 2006, 55(1): 217-220. doi: 10.7498/aps.55.217
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-01-20
  • 修回日期:  2017-03-11
  • 刊出日期:  2017-07-05

用于飞秒激光纳米加工的TiO2粒子阵列诱导多种基底表面近场增强

    基金项目: 

    国家自然科学基金(批准号:61605017)和长春理工大学青年科学基金(批准号:XQNJJ-2015-01)资助的课题.

摘要: 利用纳米粒子辅助对飞秒激光能量进行空间局域化,使其在基底表面诱导产生纳米尺度的近场增强,这对超衍射极限微结构加工具有重要意义.目前对于粒子阵列诱导飞秒激光纳米孔加工的研究仅限于金属Au粒子及低折射率聚苯乙烯介电粒子等,本文提出并开展了应用高折射率TiO2介电粒子阵列作为辅助诱导激光近场增强从而进行飞秒激光超衍射纳米孔加工的研究.对TiO2介电粒子阵列在Si,Pt及SiO2表面的近场强度分布进行了数值模拟,研究其基底表面近场增强的规律及物理过程.研究结果发现,使用硅基底时,阵列与单一TiO2球形粒子相比其近场增强仅下降约30%;相对于入射激光强度而言,在直径约为100 nm的空间范围内获得140倍的近场增强,这一现象可用于百纳米孔的激光加工.同时在其他典型基底的理论计算结果中也表明,几乎在所有金属及介电材料表面均可以实现良好的百纳米空间范围内的近场增强,并且具有近场随着基底折射率变大而增强的规律.这些现象的产生归因于TiO2粒子中磁四极振荡产生的激光前向场增强及粒子与基底的耦合作用.进一步引入镜像电荷模型对基底光学参数对其表面近场增强的影响规律进行了分析和解释.本文的模拟结果对飞秒激光近场超衍射极限纳米加工的应用有着重要的意义.

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