中文摘要：

强飞秒激光诱导材料表面自组织纳米周期结构有极其广泛的应用前景，然而其物理机制目前尚不完全清楚。在我们已有研究工作的基础上，本课题旨在研究超短强飞秒脉冲激光诱导表面纳米周期结构的物理机理，以期揭示这种极端条件下引起的超快过程的微观物理本质A.研究超快过程中的靶材离子亚系统的介电函数和电声耦合函数受电子亚系统态密度效应、非傅立叶热效应、二次谐波效应等影响导致的自组织结构锐度和周期的变化规律；B.在光路中引入磁致旋光效应，研究自组织纳米结构取向随激光偏振角的变化规律，以及与表面等离子体激元增强效应的关系；C.建立含靶材物性参数和任意线偏振角飞秒激光诱导表面纳米周期结构特性的理论模型，以期揭示激光诱导自组织结构能量密度阈值效应的物理本质。本课题将为深入理解和发展极端条件激光诱导自组织纳米周期结构的机理迈出重要的一步，而且为推进超短强激光诱导靶材表面纳米周期结构应用提供重要的理论线索和实验依据。

结论摘要：

强飞秒激光诱导材料表面自组织纳米周期结构有极其广泛的应用前景，然而其物理机制目前尚不完全清楚.本项目（基金号11074085），旨在研究超短强飞秒脉冲激光诱导表面纳米周期结构的物理机理，以期揭示这种极端条件下引起的超快过程的微观物理本质。该项目自2011年启动，按照项目计划书，经过全组成员3年的共同努力，较顺利地完成研究任务，主要完成的工作如下。实验研究方面A.采用半波片连续改变入射线偏振激光的电矢量方向，首次在金属Ag块靶上制备了取向可控的自组织纳米光栅结构; B. 采用飞秒激光单束Z型扫描诱导大面积自组织纳米光栅结构的工艺，研究靶材的物性参数对激光诱导靶材表面周期结构的影响，用飞秒激光在玻璃基光纤上刻写长周期光栅，研究飞秒激光烧蚀条件对光栅结构和光纤透射谱的影响；C.激光处理后的靶材表面进行SEM、AFM、EDAX、XRD以及反射和吸收谱分析。SEM和AFM结果显示，Cu靶材上诱导出的光栅结构深约50nm，周期约481.41nm；通过EDAX能谱分及X射线衍射仪对周期性结构的成分进行分析，结果表明在实验过程中没有金属被氧化。通过紫外分光光度计得到其吸收和反射光谱表明，形成的周期性纳米光栅结构增大了金属表面光吸收率，减小了其反射率。飞秒激光诱导周期结构实现了对金属表面光学性能的改性。理论研究方面A.基于我们提出的能量累积效应和数值拟合的诱导自组织纳米光栅结构取向与激光线偏振角度间的依赖关系，分析了靶材表面实现任意二维自组织纳米周期结构的可能性，并进行了定量分析; B为深入探讨飞秒激光烧蚀金属靶材的过程中的热物理效应，考虑了靶材的与温度有关的热容、电子热导率、电声耦合系数以及吸收系数的影响，基于超短强脉冲激光作用于金属靶材表面引起的靶材电子亚系统电子态密度和能带结构变化和电子-声子和电子-电子的碰撞频率，结合固态金属光学性质和麦克斯韦方程组，建立了修正的双温模型，得到电子热容、热导率和吸收系数随温度的变化规律。并以铜靶和银靶为例进行数值计算。结果表明电声耦合弛豫时间随着激光功率密度的增加而减小，当温度超过104K时，靶材的热容、热导率以及吸收率和吸收系数随温度的变化不可忽视，内层电子的热激发必须考虑。本课题为深入理解和发展极端条件激光诱导自组织纳米周期结构的机理迈出重要的一步，为推进超短强激光诱导靶材表面纳米周期结构应用提供重要的理论线索和实验依据。