金箍棒再棒,也得怕激光……

等离激元纳米材料VS超快激光

封面文章|张明偲,姜美玲,冯紫微,欧阳旭,曹耀宇,李向平. 等离激元纳米材料超快激光光热形变原理及应用[J].激光与光电子学进展,2020,57(11):111401.

《激光与光电子学进展》于6月份出版了“超快激光加工”专题。其中,暨南大学李向平研究员课题组发表的题为“等离激元纳米材料超快激光光热形变原理及应用”的特邀综述文章被选为当期的封面文章,介绍了等离激元材料的三种光热形变机制:阈值熔化、表面原子扩散和激光烧蚀,及其在多维光存储、结构色彩色打印和信息加密隐写等领域的应用。

 撰稿人|张明偲

 

一、什么是超快激光?什么是等离激元纳米材料?

超快激光的脉冲时间极短,具有极高的峰值功率,这一特性使得聚焦超快激光可以在小尺度焦场空间内产生极端的瞬时峰值功率,诱导材料在非常短的脉冲内发生强非线性光物理过程,因此超快激光的强局域作用特性可以广泛应用于高精度加工等领域。

利用超快激光的高峰值功率研究强聚焦下超快激光与材料相互作用的新现象和新物理为纳米光学器件的发展提供了全新的技术平台。

在众多的研究材料中,金属纳米材料可以表现为纳米薄膜,纳米线,纳米颗粒等多种不同的结构形貌,并可以通过均匀、周期性或是随机的方式在二维平面或三维空间中排列分布,具有优异的光学特性,受到了广泛的研究。

金属材料支持表面等离激元(SPs)效应,即金属与电介质界面附近的自由电子产生的谐振过程。

金属表面等离激元谐振可以沿着金属-电介质的连续界面向远处传播,在垂直平面方向不断衰减,表现为极化表面等离激元(SPPs)。随着金属材料或器件的结构尺寸逐步减小至微米纳米量级,表面等离激元被局域在很小的结构内部,又表现为局域表面等离激元共振(LSPR)。

根据纳米材料的尺寸大小和形貌特征,纳米材料的LSPR效应对于入射激光的波长和偏振方向都具有一定的选择性,因此等离激元材料具有丰富多彩的光学性质。

二、什么是光热形变?光热形变有哪几种?
 

在超快激光作用下,等离激元纳米材料吸收光子能量,这部分能量绝大部分最终都通过电子与晶格耦合作用转化为热的形式使金属升温或耗散到周围环境中,即光热效应

对于超短脉冲激光,热平衡的时间大约是飞秒到皮秒量级,在极短的时间里发生非常复杂的变化。在复杂的变化过程中,等离激元材料会达到极高的温度,超过材料的熔点或沸点,进而引发晶格结构上的形变或者相变,这种变化又称之为光热形变

超快激光作用于等离激元纳米材料的基本光路图如图1所示,通过调节激光器,快门,衰减片和二分之一波片,可以得到不同波长,脉冲次数,功率密度和偏振方向激光,经光学物镜聚焦后作用于样品进行光学加工。
 


图1 超快激光加工系统示意图

由于加工激光的参数不同,激光加热等离激元材料达到热平衡温度也不相同。根据热平衡温度与材料熔点沸点的关系,光热形变又分为表面原子扩散,阈值熔化和激光烧蚀

1、材料的温度低于熔点时,由于电子的自由运动带动表层原子的热运动,具有一定的热扩散活跃性,可以产生缓慢的光热形变,主要表现为表面原子扩散,如图2(a)所示;

2、材料的温度超过熔点时,材料在表层晶格的驱动作用下,产生熔化相变,即阈值熔化,如图2(b)所示;

3、如果激光的功率足够高,可以加热等离材料至超过沸点的温度,材料由固态转化为气态并迅速扩散,这个过程称为激光烧蚀,如图2(c)所示。


图2 三种光热形变示意图。(a) 表面原子扩散示意图[1];(b) 阈值熔化示意图[2];(c)激光烧蚀示意图[3]

三、等离激元纳米材料超快激光光热形变主要有哪些应用?

在超快激光加工过程中,可以通过调节激光的波长、偏振、功率密度和脉冲次数来达到不同的加工效果,加工出不同几何形貌和尺寸的等离激元纳米结构,从而诱导形貌相关的光学谐振效应并开发相应的纳米光学应用。

3.1 多维光存储技术

传统的光存储技术仅仅利用了存储介质的三个体积空间维度。光学系统的衍射极限限制了三维光存储技术的存储密度。

利用纳米材料的光热形变,可以实现物理维度的复用,进一步提高光存储系统的容量。如:不同长度和方位取向的金纳米棒的LSPR性质对激光的波长和偏振方向具有选择性,根据这一性质,可把激光的波长和偏振方向拓展成额外的两个维度。基于金纳米棒阈值熔化的五维光存储技术如图3所示。


图3 基于金纳米棒编码的五维光存储示意图[4]

3.2 结构色彩色打印技术 

结构色是由物体表面微纳结构的衍射、反射、散射等光学作用产生的,根据微纳结构对称性的高低分别表现为各向同性和各向异性。

金属微纳材料的结构色器件具有色域高、耐久性好、易于制造、可回收利用等优点,同时还可以突破衍射极限,减小像素面积,提高成像分辨率,因此被广泛应用于彩色打印技术。基于不同偏振超快激光诱导十字铝不同方向光热重构,从而可以实现全可见光的多功能超表面功能性器件,如图4所示。


图4 各向异性全可见光多功能超表面彩色打印技术示意图

3.3  隐写加密技术

信息的隐写加密技术将待传递的信息隐藏在信息载体媒质上,只有当接收信息者经过适当的处理,隐写的文字或图画信息才会显示出来,在信息安全、防伪标记等方面有着广阔的应用前景。

超表面作为一种新兴的微型化多功能光学元件,是实现微型隐写加密技术的最佳方案。在超表面上加密信息,需要利用光波的正交特性,将信息存储在不同的光学通道上,只有经过恰当的通道才能读取到正确的信息。如图5所示,通过逐步增加入射激光的功率密度,金属钛膜产生不同纳米结构,通过改变入射光的角度对加密信息进行隐藏和读取。


图5 片上纳米火山口结构入射角隐写加密示意图

四、总结 

在未来的等离激元纳米材料光热形变的研究中,可以结合已有的超分辨激光加工技术,实现精度更高、加工速率更快、产量更大的新一代等离激元纳米材料,为新颖的纳米光学器件提供技术平台。

更多总结内容点击查看:张明偲,姜美玲,冯紫微,欧阳旭,曹耀宇,李向平. 等离激元纳米材料超快激光光热形变原理及应用[J].激光与光电子学进展,2020,57(11):111401.
 

参考文献

[1] Inasawa S, Sugiyama M, Yamaguchi Y. Laser-induced shape transformation of gold nanoparticles below the melting point: the effect of surface melting[J]. The Journal of Physical Chemistry B, 2005, 109(8): 3104-3111.

[2] Link S, Wang Z L, El-Sayed M A. How does a gold nanorod melt?[J]. The Journal of Physical Chemistry B, 2000, 104(33): 7867-7870.

[3] Leitz K H, Redlingshöfer B, Reg Y, et al. Metal ablation with short and ultrashort laser pulses[J]. Physics Procedia, 2011, 12: 230-238.

[4] Zijlstra P, Chon J W M, Gu M. Five-dimensional optical recording mediated by surface plasmons in gold nanorods[J]. Nature, 2009, 459(7245): 410-413.
 

课题组介绍

暨南大学光子技术研究院纳米光子及器件课题组由李向平研究员2015年依托广东省光纤传感与通信技术重点实验室组建。李向平研究员2015年入选中组部青年************,同年获批国家基金委优青项目资助,2017年获批广东省珠江人才计划“创新团队海外英才”团队项目资助。

团队长期致力于大数据光存储、超分辨光学、超材料和等离激元等方向的研究,近五年在Science, Nature Communications, ACS Nano,Nanoscale Horizons, Nano Letters, Light Science & Applications, Nano Energy, Advanced Functional Materials等国内外权威期刊上发表高质量论文30余篇,主持国家级、省部级科研项目20余项。实验室配备了一流的超快激光成像、加工和表征设备及微纳电子束加工设备,建立了世界先进的纳米微加工超净实验室。

团队网址:http://npdgroup.jnu.edu.cn/