Mechanisms of ultrafast laser-induced deep-subwavelength gratings on graphite and diamond

材料科学 高定向热解石墨 栅栏 激光器 光学 飞秒 钻石 极化(电化学) 光电子学 辐照 石墨 物理 化学 物理化学 核物理学 复合材料
作者
Min Huang,Fuli Zhao,Ya Cheng,Ningsheg Xu,Zhizhan Xu
出处
期刊:Physical Review B [American Physical Society]
卷期号:79 (12) 被引量:175
标识
DOI:10.1103/physrevb.79.125436
摘要

Deep-subwavelength gratings with periodicities of 170, 120, and 70 nm can be observed on highly oriented pyrolytic graphite irradiated by a femtosecond (fs) laser at 800 nm. Under picosecond laser irradiation, such gratings likewise can be produced. Interestingly, the 170-nm grating is also observed on single-crystal diamond irradiated by the 800-nm fs laser. In our opinion, the optical properties of the high-excited state of material surface play a key role for the formation of the deep-subwavelength gratings. The numerical simulations of the graphite deep-subwavelength grating at normal and high-excited states confirm that in the groove the light intensity can be extraordinarily enhanced via cavity-mode excitation in the condition of transverse-magnetic wave irradiation with near-ablation-threshold fluences. This field enhancement of polarization sensitiveness in deep-subwavelength apertures acts as an important feedback mechanism for the growth and polarization dependence of the deep-subwavelength gratings. In addition, we suggest that surface plasmons are responsible for the formation of seed deep-subwavelength apertures with a particular periodicity and the initial polarization dependence. Finally, we propose that the nanoscale Coulomb explosion occurring in the groove is responsible for the ultrafast nonthermal ablation mechanism.
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