Сверхбыстрая динамика процессов ионизации при образовании субволновой ряби

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Y. P. Yuan, J. M. Chen Ultrafast dynamics of ionization processes during the formation of subwavelength ripples (Сверхбыстрая динамика процессов ионизации при образовании субволновой ряби) [на англ. яз.] // Оптический журнал. 2016. Т. 83. № 8. С. 3–11.

Y. P. Yuan, J. M. Chen Ultrafast dynamics of ionization processes during the formation of subwavelength ripples (Сверхбыстрая динамика процессов ионизации при образовании субволновой ряби) [in English] // Opticheskii Zhurnal. 2016. V. 83. № 8. P. 3–11.

Ссылка на англоязычную версию:

Y. P. Yuan and J. M. Chen, "Ultrafast dynamics of ionization processes during the formation of subwavelength ripples," Journal of Optical Technology. 83(8), 452-458 (2016). https://doi.org/10.1364/JOT.83.000452

Аннотация:

Ультракороткие импульсы имеют длительность меньшую или близкую к характерным временам многих физических и химических процессов, что дает возможность управления процессами ионизации. Исследованы процессы управления ионизационными процессами при образовании субволновой ряби при воздействии фемтосекундными лазерными импульсами с использованием квантовой модели, учитывающей как корпускулярно-волновую дуальность лазерного излучения, так и локальные переходные изменения характеристик материалов. Обсуждается также влияние плотности потока энергии и длительности импульса на ионизационные процессы. Показано, что путем изменения плотности потока энергии падающего излучения и длительности импульса можно управлять распределением свободных электронов и характерных размеров субволновых пульсаций.

Ключевые слова:

сверхбыстрая динамика; ионизационные процессы; субволновая рябь; фемтосекундные лазеры

Благодарность:

Работа выполнена при финансовой поддержке Национального научного фонда Пекина (грант № Z140002), Муниципального научно-технологического проекта (грант № D151100001615001) и Научного фонда молодых ученых Китая.

Коды OCIS: 140.3390, 220.4241, 320.7090

Список источников:

1. Sugioka K., Cheng Y. Femtosecond laser 3D micromachining for microfluidic and optofluidic applications // London: Springer, 2013. P. 19–30.
2. Jiang L., Tsai H.L. Plasma modeling for ultrashort pulse laser ablation of dielectrics // J. Appl. Phys. 2006. V. 100. P. 023116-1–023116-7.
3. Englert L., Rethfeld B., Haag L., Wollenhaupt M., Sarpe-Tudoran C., Baumert T. Control of ionization processes in high band gap materials via tailored femtosecond pulses // Opt. Express. 2007. V. 15. P. 17855–17862.
4. Lindinger A., Lupulescu C., Plewicki M., Vetter F., Merli A., Weber S.M., Wöste L. Isotope selective ionization by optimal control using shaped femtosecond laser pulses // Phys. Rev. Lett. 2004. V. 93. P. 033001-1–033001-4.

5. Renard M., Hertz E., Lavorel B., Faucher O. Controlling ground-state rotational dynamics of molecules by shaped femtosecond laser pulses // Phys. Rev. A. 2004. V. 69. P. 043401-1–043401-6.
6. Akagi H., Otobe T., Staudte A., Shiner A., Turner F., Dörner R., Villeneuve D.M., Corkum P.B. Laser tunnel ionization from multiple orbitals in HCl // Science. 2009. V. 325. P. 1364–1367.
7. Yuan Y.P., Jiang L., Li X., Wang C., Xiao H., Lu Y., Tsai H. Formation mechanisms of sub-wavelength ripples during femtosecond laser pulse train processing of dielectrics // J. Phys. D. 2012. V. 45. P. 175301-1–175301-6.
8. Makina V.S., Pestov Y.I., Makin R.S., Vorob’ev A.Ya. Plasmon-polariton surface modes and nanostructuring of semiconductors by femtosecond laser pulses // J. Opt. Technol. 2009. V. 76. P. 555–559.
9. Shi X., Jiang L., Li X., Zhang K., Yu D., Lu Y. Temporal femtosecond pulse shaping dependence of laserinduced periodic surface structures in fused silica // J. Appl. Phys. 2014. V. 116. P. 033104-1–033104-4.
10. Ionin A.A., Kudryashov S.I., Seleznev L.V., Sinitsyn D.V., Apostolova T. Nanostructuring of the surface of silicate glass by femtosecond laser pulses in the UV range // J. Opt. Technol. 2014. V. 81. P. 262–269.
11. Bashir S., Rafique M.S., Husinsky W. Femtosecond laser-induced subwavelength ripples on Al, Si, CaF2 and CR-39 // Nucl. Instrum. Meth. B. 2012. V. 275. P. 1–6.
12. Hwang T.Y., Vorobyev A.Y., Guo C. Surface-plasmon-enhanced photoelectron emission from nanostructurecovered periodic grooves on metals // Phys. Rev. B. 2009. V. 79. P. 085425-1–085425-4.
13. Ran L., Qu S. Structure formation on the surface of alloys irradiated by femtosecond laser pulses // Appl. Surf. Sci. 2010. V. 256. P. 2315–2318.
14. Rebollar E., Vázquez de Aldana J.R., Pérez-Hernández J.A., Ezquerra T.A., Moreno P., Castillejo M. Ultraviolet and infrared femtosecond laser induced periodic surface structures on thin polymer films // Appl. Phys. Lett. 2012. V. 100. P. 041106-1–041106-4.
15. Rosenfeld A., Rohloff M., Hömn S., Krüger J., Bonse J. Formation of laser-induced periodic surface structures on fused silica upon multiple parallel polarized double-femtosecond-laser-pulse irradiation sequences // Appl. Surf. Sci. 2012. V. 258. P. 9233–9236.
16. Emmony D.C., Howson R.P., Willis L.J. Laser mirror damage in germanium at 10.6 μm // Appl. Phys. Lett. 1973. V. 23. P. 589–590.
17. Sipe J.E., Young J.F., Preston J.S., van Driel H.M. Laser-induced periodic surface structure. I. Theory // Phys. Rev. B. 1983. V. 27. P. 1141–1154.
18. Le Harzic R., Dörr D., Sauer D., Neumeier M., Epple M., Zimmermann H., Stracke F. Large-area, uniform, high-spatial-frequency ripples generated on silicon using a nanojoule-femtosecond laser at high repetition rate // Opt. Lett. 2011. V. 36. P. 229–231.
19. Dong Y., Molian P. Coulomb explosion-induced formation of highly oriented nanoparticles on thin films of 3C–SiC by the femtosecond pulsed laser // Appl. Phys. Lett. 2004. V. 84. P. 10–12.
20. Forster M., Kautek W., Faure N., Audouard E., Stoian R. Periodic nanoscale structures on polyimide surfaces generated by temporally tailored femtosecond laser pulses // Phys. Chem. Chem. Phys. 2011. V. 13. P. 4155–4158.
21. Hsu E.M., Crawford T.H., Tiedje H.F., Haugen H.K. Periodic surface structures on gallium phosphide after irradiation with 150 fs–7 ns laser pulses at 800 nm // Appl. Phys. Lett. 2007. V. 91. P. 111102-1–111102-3.
22. Murphy R.D., Torralva B., Adams D.P., Yalisove S.M. Polarization dependent formation of femtosecond laserinduced periodic surface structures near stepped features // Appl. Phys. Lett. 2014. V. 104. P. 231117-1–231117-5.
23. Jia T., Chert H., Huang M., Zhao F., Qiu J., Li R., Xu Z., He X., Zhang J., Kuroda H. Formation of nanogratings on the surface of a ZnSe crystal irradiated by femtosecond laser pulses // Phys. Rev. B. 2005. V. 72. P. 125429-1–125429-4.
24. Liang F., Vallée R., Chin S.L. Pulse fluence dependent nanograting inscription on the surface of fused silica // Appl. Phys. Lett. 2012. V. 100. P. 251105-1–251105-4.
25. Wu Q., Ma Y., Fang R., Liao Y., Yu Q., Chen X., Wang K. Femtosecond laser-induced periodic surface structure on diamond film // Appl. Phys. Lett. 2003. V. 82. P. 1703–1705.
26. Bonse J., Krüger J. Pulse number dependence of laser-induced periodic surface structures for femtosecond laser irradiation of silicon // J. Appl. Phys. 2010. V. 108. P. 034903-1–034903-5.
27. Dai Huynh T.T., Petit A., Semmar N. Picosecond laser induced periodic surface structure on copper thin films // Appl. Surf. Sci. 2014. V. 302. P. 109–113.

28. Albu C., Dinescu A., Filipescu M., Ulmeanu M., Zamfirescu M. Periodical structures induced by femtosecond laser on metals in air and liquid environments // Appl. Surf. Sci. 2013. V. 278. P. 347–351.
29. Perry J.M., Zhou K., Harms Z.D., Jacobson S.C. Ion transport in nanofluidic funnels // ACS Nano. 2010. V. 4. P. 3897–3902.
30. Xiao S., Drachev V.P., Kildishev A.V., Ni X., Chettiar U.K., Yuan H.K., Shalaev V.M. Loss-free and active optical negative-index metamaterials // Nature. 2010. V. 466. P. 735–738.
31. Hendrickson G.R., Smith M.H., South A.B., Lyon L.A. Design of multiresponsive hydrogel particles and assemblies // Adv. Funct. Mater. 2010. V. 20. P. 1697–1712.
32. Bhuyan M.K., Courvoisier F., Lacourt P.A., Jacquot M., Salut R., Furfaro L., Dudley J.M. High aspect ratio nanochannel machining using single shot femtosecond Bessel beams // Appl. Phys. Lett. 2010. V. 97. P. 081102–081103.
33. Liao Y., Shen Y., Qiao L., Chen D., Cheng Y., Sugioka K., Midorikawa K. Femtosecond laser nanostructuring in porous glass with sub-50 nm feature sizes // Opt. Lett. 2013. V. 38. P. 187–189.
34. Klein-Wiele J.H., Simon P. Sub-wavelength pattern generation by laser direct writing via repeated irradiation // Opt. Express. 2013. V. 21. P. 626–630.
35. Yuan Y.P., Jiang L., Li X., Wang C., Lu Y. Adjustment of ablation shapes and subwavelength ripples based on electron dynamics control by designing femtosecond laser pulse trains // J. Appl. Phys. 2012. V. 112. P. 103103-1–103103-6.
36. Yuan Y.P., Jiang L., Li X., Wang C., Qu L.T., Lu Y. Simulation of rippled structure adjustments based on localized transient electron dynamics control by femtosecond laser pulse trains // Appl. Phys. A. 2013. V. 111. P. 813–819.