西安电子科技大学石理平教授团队在飞秒脉冲串研究取得新突破

西安电子科技大学杭州研究院先进视觉研究所石理平教授团队取得重大突破！他们利用飞秒激光脉冲串诱导非晶硅薄膜氧化，成功制备出可调谐纳米光栅，为高效率、高品质、可控的飞秒激光诱导自组织微纳加工提供了重要参考。

这项研究成果已发表在国际知名期刊《Ultrafast Science》上，西安电子科技大学杭州研究院为论文第一完成单位，德国洪堡大学和德国Max Born研究所参与合作。

随着光电元器件朝着微型化、精密化方向发展，对精密微纳制造技术的需求日益增长。传统微纳加工技术（如电子束/离子束刻蚀、光刻、纳米压印等）设备复杂、成本高昂。

激光诱导周期性表面结构示意图

激光诱导周期性表面结构（LIPSS）技术作为一种自组装加工方法，备受关注。然而，飞秒激光烧蚀法存在碎屑和热量残留等问题，影响加工的可控性和可调谐性。

单脉冲加工模式（上）与脉冲串加工模式（下）示意图

为解决上述问题，该研究团队创新性地采用飞秒激光脉冲串技术制备周期性纳米光栅。通过控制单脉冲串中的脉冲数量，实现了对LIPSS周期和深度的精确调控，获得了更规则的纳米结构。

不同参数下制备的样品

与传统单脉冲加工相比，飞秒脉冲串中高重复频率的子脉冲增加了材料表面的热累积，改变了材料的折射率和吸收特性，进而影响表面等离激元（SPP）的激发和传播，最终改变LIPSS结构。实验结果表明，适当的脉冲数量可以促进LIPSS的生成并保持其规则性，但过多的脉冲会导致过度氧化甚至烧蚀。

(A)LIPSS沿x方向的相对高度；(B)LIPSS的调制深度；(C)周期与单脉冲串脉冲数的关系；(D)LIPSS的周期与激光脉冲能量的关系

研究发现，LIPSS的周期和调制深度随脉冲数量的增加而线性增长，但当脉冲数量过大时，增长趋势会停止甚至下降，这可能是由于热量累积造成的。而单脉冲加工模式下，几乎无法通过改变脉冲能量来调制LIPSS周期。

(A,C和D)LIPSS的SEM图；(B)氧、铜和硅的二维EDX图

扫描电镜（SEM）和能量色散谱仪（EDX）分析表明，制备的LIPSS由大量被氧化的纳米颗粒组成，且颗粒尺寸随脉冲数量增加而增大。

大面积加工制备的LIPSS

该团队利用柱透镜聚焦技术，成功在大面积上制备了规则性良好的纳米光栅，证明了该方法在大规模纳米制造中的可行性。

这项研究为高品质、可控的纳米制造工艺奠定了基础，具有巨大的应用潜力，将对光电子产业产生深远影响。

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