《Optical Materials》：Anomalous form-birefringence induced in an amorphous Si thin layer by ultraviolet laser scanning
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利用355 nm纳秒激光在玻璃基底上结晶45 nm厚非晶硅薄膜，形成周期330 nm的表面 ripple结构。通过偏振调控发现透射光谱存在三个共振峰（M1:405 nm，M2:507 nm，M3:691 nm），其中M1和M3在TE偏振下共振，M2在TM偏振下共振。采用严格耦合波分析（RCWA）模拟证实表面结构作为1D光栅的模型，共振源于表面下硅层的局域模共振（GMR），导致双折射率增强约600倍，为光栅和偏振器件设计提供新方法。
崔恩秀（Eui Sun Hwang）|洪炫（Hyun Hong）|赵恩淑（Eun Sol Cho）|金珠贤（Ju Hyeon Kim）|郑秉浩（Byoung-Ho Cheong）
韩国大学应用物理系，韩国世宗市世宗路2511号，30019
摘要
使用355纳米的纳秒激光在玻璃基底上结晶了45纳米厚的非晶硅（a-Si）薄膜，形成了垂直于激光偏振方向的周期性为330纳米的表面波纹。透射光谱在405纳米（M1）、507纳米（M2）和691纳米（M3）处显示出三个共振峰，其强度随偏振状态而变化。M2模式在横向磁场（TM）偏振下显示出共振峰，而M1和M3模式在横向电场（TE）偏振下显示出共振峰。将周期性表面波纹建模为一维光栅后，通过严格的耦合波分析（RCWA）发现每个共振峰都对应于光栅下方硅层内的导模共振（GMR）。此外，由于共振增强的场限制效应，GMR导致了强烈的波长依赖性双折射，其值比体硅高出数百倍。另外，通过调整偏振器之间的相对角度，可以调节样品在近似交叉偏振配置下的透射率。这些发现突显了波长选择性双折射调节的潜力，这可能对光学传感和偏振控制设备有益。
引言
当激光脉冲多次照射材料时，会形成周期性表面纹理，这通常由激光诱导的周期性表面结构（LIPSS）模型来描述[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。这些结构的形成受到激光能量密度、脉冲持续时间和偏振的影响[6]、[7]、[8]。从紫外到红外波长的各种激光，以及从纳秒到飞秒脉冲持续时间的激光都已被用于LIPSS的形成，2D扫描技术被应用于半导体、电介质和金属[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。虽然其一般机制归因于入射激光束与表面散射波之间的干涉，导致周期性熔化和再结晶，但LIPSS形成的精确动力学仍在研究中[1]、[3]、[4]、[5]。
由此产生的周期性表面纹理会影响光学性质，如反射和透射，这些性质通过导模共振（GMR）理论进行分析[14]、[15]、[16]。当周期性表面纹理满足GMR条件时，入射光会耦合到波导中，从而在透射率或反射率上产生带通效应[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]。GMR结构特别适用于颜色滤波器和折射率传感器等应用[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]。LIPSS还提供了一种经济高效且可扩展的方法，能够在大面积上直接制造亚微米级周期性图案[23]、[24]、[25]。通过激光参数（如激光能量密度、偏振和扫描间距等）调节LIPSS的结构特性（如周期、深度和方向），使其非常适合多功能表面功能化；同时，高折射率的电介质材料由于更强的光-物质相互作用和GMR条件下的更高灵敏度，有望提供更好的光学传感性能。
形变双折射是一种光学现象，其中材料由于其周期性表面结构而非固有性质而表现出双折射[26]。当亚波长周期性结构（如光栅或表面波纹）为不同偏振状态的光产生有效的折射率对比时，就会发生这种现象[26]、[27]、[28]、[29]、[30]。在激光退火表面中，周期性表面波纹可以通过作为人工各向异性介质来诱导双折射[31]、[32]。这种效应已在光学滤波、偏振控制和传感等应用中得到广泛研究[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]。最近的研究表明，通过超快激光辐照将非晶硅（a-Si）转化为纳米晶硅可以生成具有比传统材料高两个数量级的二向色性和双折射的周期性结构[31]、[32]。尽管高固有损耗和LIPSS质量不足限制了效率，但材料选择和精确激光加工的进步有可能提升偏振敏感打印、安全标记和功能性平面光学技术的性能[28]、[29]、[30]、[31]、[32]。
在本研究中，使用纳秒激光在玻璃基底上结晶了45纳米厚的a-Si薄膜，形成了垂直于加工激光偏振方向的周期性表面纹理。这些结构的周期为330纳米，观察到三个共振峰，其强度随入射光的偏振角度而变化。周期性表面纹理被建模为一维光栅，并通过严格的耦合波分析（RCWA）进行模拟[33]。实验和模拟的透射光谱结果高度一致，表明共振现象可以归因于沿表面传播的局域模式。在变化的偏振角度下，共振模式中的双折射增强效应大约是体硅的600倍。这种增强效应归因于激光制造的纳米结构内的导模共振（GMR）所引起的强场限制。
实验细节
使用由Q开关二极管泵浦的固态Nd:YVO4激光器（HuaRay Technology Co., Poplar 355）产生的355纳米纳秒激光束来结晶45纳米厚的a-Si薄膜。该薄膜沉积在300纳米厚的氧化层上，该氧化层是通过等离子体增强化学气相沉积（PEDVD）预先沉积在玻璃基底上的。沉积后，样品在450摄氏度下热退火30分钟以进行脱氢处理。
Si薄膜中的周期性表面纹理
图2(a)和2(b)展示了用最大能量密度为Io = 115 mJ/cm2的激光束照射的Si表面的光学显微镜和扫描电子显微镜（SEM）图像。x轴和y轴上的脉冲间距为5.5微米，每个脉冲区域传递238个脉冲。图2(b)中的白色箭头指示了激光的偏振方向。图2(b)中观察到的波纹由垂直于激光偏振方向的纳米颗粒组成，这与预测结果一致
结论
使用紫外纳秒激光在带有300纳米厚氧化层的玻璃基底上结晶了45纳米厚的a-Si薄膜，同时形成了周期性表面纹理。SEM图像显示形成了周期为330纳米的1D光栅状结构，这与LIPSS理论相符。透射光谱显示了三个共振模式：M1在405纳米，M2在507纳米，M3在691纳米。其中，M1和M3在TE偏振下保持稳定
CRediT作者贡献声明
赵恩淑（Eun Sol Cho）： 软件开发。洪炫（Hyun Hong）： 方法论设计、数据管理。郑秉浩（Byoung-Ho Cheong）： 文章撰写——审稿与编辑、项目管理、资金获取、概念构思。金珠贤（Ju Hyeon Kim）： 实验研究、数据管理。崔恩秀（Eui Sun Hwang）： 初始稿撰写、软件开发、实验研究、数据管理
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了国家研究设施与设备中心（NFEC，授权号2019R1A6C1010027）的支持。
