上海光機(jī)所在飛秒激光制備光學(xué)超材料方面取得進(jìn)展

上海光機(jī)所在飛秒激光制備光學(xué)超材料方面取得進(jìn)展

作者：中科院上海光機(jī)所發(fā)布時(shí)間：2022-12-27

近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所薄膜光學(xué)實(shí)驗(yàn)室在飛秒激光制備負(fù)折射光學(xué)超材料方面取得進(jìn)展，相關(guān)研究成果以“fast fabrication of fishnet optical metamaterial based on femtosecond laser induced stress break technique”為題發(fā)表于nanomaterials上。

光學(xué)超材料在多個(gè)領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用前景。光學(xué)超表面可以利用光在亞波長表面的相位突變，實(shí)現(xiàn)光和電磁波的操縱和調(diào)制。飛秒激光加工技術(shù)具有加工速度快，無需掩模版，可在室溫下加工，可加工透明和超硬材料，成本低等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)光學(xué)波段超材料和超表面的快速制備。

圖1(a)漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)的透射率和反射率的計(jì)算和測(cè)量，綠色框表示磁共振位置，紫色框表示電共振位置。(b)透射率曲線放大圖，紅色箭頭為2072 nm磁共振位置，黃色箭頭為2300 nm電共振位置，綠色箭頭為3225 nm磁共振位置。

研究人員利用飛秒激光直寫的方式快速制備了一種圓形漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)的負(fù)折射超材料，并揭示了飛秒激光與金屬-介質(zhì)-金屬漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)同時(shí)存在熱熔融和應(yīng)力破壞兩種相互作用機(jī)理。其中，熱熔融過程主導(dǎo)了飛秒激光與金屬的相互作用，導(dǎo)致上層和下層金屬粘在一起，使磁共振不能發(fā)生。激光誘導(dǎo)的應(yīng)力破壞過程主導(dǎo)了飛秒激光與介質(zhì)相互作用過程，能夠抑制漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)中的熱擴(kuò)散和熱損傷，使上層和下層金屬分開，使磁共振能夠發(fā)生。利用應(yīng)力破壞的優(yōu)勢(shì)，用飛秒激光直寫背向加工技術(shù)在金屬-介質(zhì)-金屬膜中制備出亞波長尺寸周期性孔陣列。漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)超表面的透射和反射譜測(cè)試表明，飛秒激光直寫技術(shù)制備的漁網(wǎng)結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生磁共振，同時(shí)證明飛秒激光誘導(dǎo)的應(yīng)力破壞技術(shù)可用于快速制備光學(xué)超表面。

基于背面燒蝕、高數(shù)值孔徑和超高斯光束等特征，利用飛秒激光誘導(dǎo)應(yīng)力斷裂技術(shù)構(gòu)筑的漁網(wǎng)光學(xué)超材料，其分辨率和加工速度分別可以達(dá)到500 nm和100單位/秒，通過分光光度計(jì)測(cè)量結(jié)果可證明在漁網(wǎng)納米結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)了磁共振。玻璃基板上超材料的理論折射率在3225 nm波長處達(dá)到了-0.12。這項(xiàng)工作證實(shí)了飛秒激光便捷高效制備光學(xué)負(fù)折射超材料的可行性和廣闊的應(yīng)用前景。