This dissertation details the micro/nano-machining of both transparent (glasses) and non-transparent (metals) materials by single beam femtosecond laser writing. The glasses considered for the experiments are the soda-lime glass and quartz. On the contrary, stainless steel, brass, and titanium samples are selected as metal substrates. I report on the interaction of the femtosecond laser pulses with above mentioned material substrates. Besides, I discuss the influence of various laser parameters such as the laser fluence, pulse width, laser polarization, and number of irradiated laser pulses on the characteristics of the fabricated micro/nano-metric structures on a variety of materials. Furthermore, I investigate the formation techniques of a diverse range of micro/nano-structures, especially, micro/nano-holes and micro/nano-gratings on the surface of and inside the material substrates. I have produced sub-wavelength range nanoholes and nanogratings in glass material precisely, which is challenging using Single Beam Direct Laser Writing (SBDLW) technology. The fabrication of micro/nano-channels inside glass material has been reported also. I also fabricate self-organized nanogratings on the material surfaces. The dependence of nanogratings’ period on various irradiation conditions of the femtosecond laser beam such as the laser fluence, pulse width, and number of applied laser pulses are also discussed. In addition, I explain the formation mechanism of the self-organized nanogratings and the reason behind the dependence of the nanogratings’ period on a variety of laser parameters. On the contrary, I measure the reflectance of light from the micro/nano-structured metal surfaces and discover the changes in reflectance, i.e., the optical properties of the metal substrates due to the femtosecond laser induced micro/nano-structures. Due to the surface patterning of the metal surfaces, the color of the metal surfaces is changed. Both single colors and multi-colors come out on the metal surfaces depending on the patterns of the fabricated micro/nano-metric structures. In this thesis, I introduce for the first time some new techniques such as fabricating linear vertical gratings by shining the laser in the horizontal direction and colorizing metal surfaces by patterning periodic microholes & ring-shaped micropatterns on the metal surfaces. Finally, I explore the potential application arenas of the reported micro/nano-structures in a diverse field including the optical communication, functional photonic devices, metal colorizing, chemical analysis, biology analysis, and micro/nano-fluidic channels.
이 박사학위논문은 단일빔 레이저를 이용한 투명한 물질(유리)와 투명하지 않은 물질(금속)의 가공에 관한 논문이다. 실험에 쓰인 유리매질로는 소다라임 유리와 쿼츠가 이용되었다. 그 반면 금속매질로는 스테인리스 스틸, 황동, 티타늄 샘플이 사용되었다. 우리는 펨토초 레이저와 위에 열거한 물질들의 상호작용에 관해 보고하였다. 게다가, 우리는 레이저의 플루언스, 팔스 폭, 편광, 펄스 숫자 등 다양한 변인이 물질 가공에 미치는 영향에 대해 논의 하였다. 나아가, 우리는 다양한 방법의 마이크로, 나노 구조 형성에 관해 탐구하였다. 특히, 매질의 안과 표면에 마이크로/나노 홀과 마이크로/나노 격자 생성 방법에 관해 탐구 하였다. 우리는 레이저의 파장보다 작은 간격의 나노홀과 나노 격자를 정교하게 유리위에 생성하였으며, 이 기술은 단일빔레이저를 이용한 레이저 가공 기술로는 도전적인 기술이다. 또한 유리 내부에 마이크로/나노 채널 형성에 관한 방법도 보고 하였다. 우리는 또한 물질 표면위에 자가형성된 나노격자를 생성하였다. 게다가, 우리는 다양한 레이저의 변수에 따른 나노 격자의 간격 변화의 의유와 생성 원인을 설명 하였다. 그에 반하여, 우리는 금속 표면에 생성된 마이크로/나노 구조의 반사율을 측정하였으며, 예를 들면 마이크로/나노 구조에의해 광학적 특성이 변화한다는 것을 찾았다. 표면 구조의 변화에 따라, 금속 표면의 색상이 변화한다. 마이크로/나노 의 생성된 구조에 따라 금속 표면이 단일 또는 다수의 색상을 나타내었다. 이 박사학위 논문에서, 우리는 레이저의 수평 방향을 빛추어 수직방향의 선형 격자를 생성하는 방법을 처음으로 소개하였으며, 주기적인 마이크로 홀과 원형의 마이크로 패턴을 금속위에 형성하여 색상을 변화시키는 방법을 소개하였다. 마지막으로 우리는 광통신, 구조적 광학 소자, 금속 색상 변화, 화학 분석, 생물학 분석, 마이크로/나노 채널 등 다양한 분야에 강력히 쓰일 수 있는 마이크로/나노 구조 형성방법에 대하여 탐색하였다.
