摘要
激光诱导周期性表面结构是一种发生在激光与物质相互作用过程中的现象，在线性偏振激光辐照下的金属、半导体以及介电材料表面均有发现，作用激光的脉宽范围可以从连续波到几飞秒。在材料表面制备周期性结构可以对其润湿特性、光学特性和摩擦学特性等性质进行改变，从而使其在生物学、医学、化学和微机电系统等领域得到广泛的应用。本文从实验研究、理论分析方面对多脉冲皮秒激光诱导典型红外窗口材料表面周期性结构的方法进行了研究，并利用等效介质理论对激光诱导周期性结构的减反效果进行了讨论。 讨论了现有的激光诱导周期型表面结构理论体系，通过分析部分基于飞秒激光诱导周期型结构生成的理论建立了皮秒激光诱导周期型结构生成的理论模型。通过对激光诱导周期性表面结构机理进行分类，本文分别从电磁理论和流体力学理论两个方面对周期性表面结构的生成进行了解释。 研究了激光能量密度以及激光脉冲个数对单晶硅材料表面周期性结构周期和深度的影响，得到了激光参数与材料表面周期性结构参数的对应关系。通过实验可以发现，经激光诱导产生的表面形貌可以被划分为三种类型，分别是LIPSS熔融、LIPSS以及表面氧化。对LIPSS形成的激光能量密度和脉冲个数的阈值进行了确定。 提出了532nm皮秒激光诱导单晶硅表面周期性结构形成的机理模型，分别解释了激光作用点中心的微米级结构和边缘的亚微米级结构的成型原因。其中，微米级结构的形成机理基于流体力学中的热毛细波理论，亚微米级结构的形成机理基于SPP理论。 参照实验得到的微米级结构参数将周期性表面结构等效成了光栅结构，利用等效介质理论对等效光栅结构的折射率进行了计算，并针对典型激光波长计算了表面周期性结构的反射率。与初始表面相比，制备了周期性结构的表面在部分波段可以降低材料对入射光的反射率。 本文对皮秒激光诱导单晶硅表面周期性结构产生的控制方法进行了研究，并探讨了周期性表面结构生成的物理机理，创新性地将SPP理论和毛细波理论相结合，对同一激光作用点上的两种结构形貌成因进行了解释。本文的研究结果可以为皮秒激光应用于红外窗口材料表面增透研究提供参考。
NETL