强场诱导微纳结构的表征和功能化

进入21世纪以来，信息技术的发展和人们对于宽带网络需求的增长对信息传播技术提出了更高的要求。以光子或光电子做为信息载体的集成光路取代集成电路成为未来发展的方向。集成光路技术的发展首先要解决的问题是如何将各种光功能微纳结构高精度、高效率的的复合在玻璃等基板材料上。近几年，研究人员发现，利用强场可以在基板材料表面和内部诱导各种光功能微纳结构，这将极大地促进集成光路技术的发展。
　　本文针对强场诱导微纳结构的表征和相关功能演示进行了研究。主要采用两种强场:高重复频率飞秒激光，以及聚焦电子束。利用这两种强场，我们在玻璃基板表面及内部诱导了多种微纳结构，系统研究了各种微纳结构的性能和形成机理，并且演示了这些微纳结构在相关领域的应用。本文的主要研究成果和结论如下:
　　1、在透明玻璃内部利用高重复频率飞秒激光照射诱导析出了铜纳米颗粒。对铜纳米颗粒的形貌，尺寸和空间分布进行了表征。研究了铜纳米颗粒掺杂的玻璃材料的光学性能，并且演示了在相关领域的应用。对铜纳米颗粒析出的机理进行了探索，认为是飞秒激光照射过程中多种非线性效应引起的光还原以及高温热场作用下铜原子的迁移和团聚导致的。研究了铜纳米颗粒的析出位置对飞秒激光诱导的热场分布的依赖性。同时，还观察到析出的铜纳米颗粒在高重复频率飞秒激光的二次照射过程中的擦除现象。利用高重复频率飞秒激光照射制备的铜纳米颗粒掺杂的玻璃材料可以应用于具有超快响应速度的光开光等光学元器件以及三维激光彩色内雕产品中。
　　2、利用高重复频率飞秒激光照射在玻璃表面及内部诱导微突起和微通道结构。系统研究了微突起结构的形貌和尺寸对飞秒激光照射参数及照射方式的依赖性。对微突起结构形成的机理进行了研究，认为是玻璃材料对飞秒激光脉冲能量的线性吸收和非线性吸收共同作用的结果。利用高重复频率飞秒激光直写技术在玻璃内部诱导了微通道结构。采用罗丹明酒精溶液做为荧光标记物质，对微通道结构的尺寸和连通性等性能进行了表征，证明微通道结构长度可控，直径均匀，连通性好。利用高重复频率飞秒激光照射制备的微突起结构可以应用于微透镜等光学元件领域，而微通道结构则可以应用于微型全分析系统。
　　3、系统研究了高重复频率飞秒激光照射在不同玻璃体系内部诱导的元素重新分布现象。在硅酸盐玻璃内，观察到了玻璃网络形成离子和玻璃网络改性离子在激光照射区域内相对含量的变化。对其形成机理进行了分析，认为是这些离子在飞秒激光诱导的高温热场的作用下以不同的速率向外迁移造成的。并且首次观察到离子的迁移和富集出现在温度低于玻璃熔化温度(Tm)的区域。在碲酸盐玻璃中，观察到了新奇的元素重新分布现象。在飞秒激光照射区域内，各种玻璃组分的相对含量没有发生变化，而玻璃材料的密度却发生了变化。我们认为碲酸盐玻璃中含有的[TeO4]和[TeO3]等微小的网络结构单元是造成这种现象的根本原因。利用高重复频率飞秒激光照射诱导元素重新分布，我们可以对玻璃材料内部微区的光学性能等进行空间选择性操控，这对于制备光波导等光学元器件具有重要的意义。
　　4、利用聚焦电子束刻蚀法，我们在玻璃基板表面制备了金纳米结构，系统研究了金纳米结构的尺寸、形貌、表面等离子体共振性能以及金纳米结构周围电场强度的分布情况。利用原子层沉积方法在金纳米结构表面沉积了Al2O3薄膜，研究了表面等离子共振峰峰位、峰强对Al2O3薄膜厚度的依赖性。将曙红Y染料复合在金纳米结构及Al2O3薄膜表面，系统研究了曙红Y分子荧光强度和荧光量子效率增强倍数对Al2O3薄膜厚度的依赖性。发现在1nmAl2O3薄膜存在的情况下，荧光增强效果最好。对其机理进行了探讨，认为金属引起的荧光淬灭效应和金纳米结构表面等离子效应引起的辐射跃迁速率增强两种因素对Al2O3薄膜厚度的不同的依赖性是这种现象产生的根本原因。基于金属纳米结构表面等离子体效应的荧光增强可以应用于生物化学检测领域，通过增强DNA，蛋白质分子等物质的荧光强度，提高荧光检测的灵敏度。