纳米光电子技术论文提纲

2022-11-15

论文题目：基于飞秒激光微纳加工的几何相位元器件制备和机制研究

摘要：人工制备的微纳结构可以对光的相位、偏振和波长等物理维度进行调控,其构成了当代信息光电子技术的基础,并作为光学集成的主要手段,成为突破微电子技术未来瓶颈的重要途径之一。其中,通过周期性排列纳米尺寸的单元结构,在亚波长尺度对光场的偏振、相位、振幅等属性进行精确的控制的几何相位微光学元器件,以高紧凑性和高性能的光学操纵能力,大大简易了光学系统的集成化设计,在全息成像、偏振光学等领域得到了广泛的重视,被誉为光学的革命性突破。但也基于相似的原因,几何相位光学元器件要求较高的加工分辨率,虽然电子束光刻（EBL）、聚焦离子束（FIB）够提供较高的加工分辨率,但更简易、廉价、灵活的加工技术是几何相位光学推向更广泛应用的保证。这其中,飞秒激光加工技术以其无材料选择性、高灵活性、高精度等优点成为高精度微纳加工重要工具,同时也是制备几何光学器件的可靠选择之一。本文主要围绕飞秒激光微纳加工制备几何相位元器件过程中的精度、表面粗糙度、晶体内部器件制备方面的问题,进行了从外及内的系统而深入的研究:为解决金膜表面几何相位器件微纳结构制备的精度问题,采用热退火技术辅助工艺降低激光与金膜作用过程中形成的纳米粗糙物,促使几何图形更加规则完整,实现金膜表面微纳结构高精度制备;为制备适合高温或高功率情况下的几何相位器件,我们首次研究了飞秒激光在蓝宝石内部诱导双折射结构形成过程,总结其形成物理机制、优化其物理性能,通过制备周期约300nm的纳米光栅,实现了可见光波长的Pancharatnam-Berry相位透镜和Q-plate元件,取得了良好的光学性能;为进一步了解激光诱导双折射中形成机制,我们利用热退火工艺研究了飞秒激光在蓝宝石晶体内部加工中结构双折射和应力双折射的关系,并制备了多层几何相位型聚焦透镜。本论文的具体研究工作如下:（1）近阈值飞秒激光高效几何相位器件制备:通过控制激光的脉冲能量稍高于激光作用阈值,通过研究单点曝光时间（扫描速度）等参数,实现了高分辨率加工金膜表面。实验中,以5 mm/s的速度直接烧蚀,在50秒内获得周期为300nm、沟槽宽度为170 nm的纳米光栅,并通过热退火工艺,消除了飞秒激光直写过程中产生的纳米颗粒,并使加工的纳米光栅表面规整光滑,得到了良好的表面质量,大大降低了表面粗糙度。利用该技术,我们制作了偏振衍射光栅、超表面透镜、Q-plate和“M”全息图,在808nm波长下验证了其光学性能,证明了我们工艺的可靠性。（2）蓝宝石体内纳米光栅形成机制和几何相位器件的制备:系统研究了飞秒激光加工参数如脉冲能量和脉冲数对纳米光栅的形成过程的影响,揭示了纳米光栅在蓝宝石晶体内部的形成过程,发现微米孔（非晶区）会先形成在中心并在上下两端形成纳米缝隙,并在之后随着脉冲数的增加形成纳米光栅;利用这种机制,制备了周期为150～300 nm纳米光栅,非偏振折射率1～2×10-3,双折射为6×10-4;并制备了Pancharatnam-Berry相位透镜和Q-plate;在制备器件的过程中,发现纳米光栅结构周围以及器件边缘所产应力对于其光学性能有着很大的影响。（3）蓝宝石体内应力双折射与结构双折射的关系:系统研究了影响应力双折射和结构双折射的因素。从制备效果更好的几何相位元器件的角度出发,应力双折射会影响结构双折射,导致设计偏振和性能下降,为此我们首次研究了温度和时间对于在蓝宝石晶体内部缺陷所产生的应力的影响,发现退火6小时1000℃可以保持纳米光栅的相位延迟量不变,又可以除去了晶体内部应力,基本消除应力双折射对于结构双折射性能的影响;我们利用飞秒激光直写结合热退火工艺制备了高效率嵌入式多层（PB）相位透镜。

关键词：飞秒激光;热退火;金膜;蓝宝石;纳米光栅;双折射;微纳结构

学科专业：微电子学与固体电子学

摘要

abstract

第一章绪论

1.1 飞秒激光微纳加工技术应用

1.1.1 飞秒激光与物质的相互作用

1.1.2 飞秒激光微纳加工

1.2 光学几何相位相关知识

1.2.1 斯托克斯参量

1.2.2 庞加莱球面上的偏振和轨道角动量表示

1.2.3 高阶庞加莱球