[發明專利]一種飛秒激光直寫制備微孔陣列的系統與方法

無效

• 申請號: 201310007951.7
• 申請日: 2013-01-09
• 公開（公告）號: CN103071930A
• 公開（公告）日: 2013-05-01
• 發明（設計）人: 李勇男;婁凱;錢升霞;涂成厚;王慧田
• 申請（專利權）人: 南開大學
• 主分類號: B23K26/38
• 分類號: B23K26/38;B23K26/04
• 代理公司: 天津佳盟知識產權代理有限公司 12002
• 代理人: 侯力

技術領域

本發明涉及飛秒激光直寫制備微孔陣列的加工系統，特別提出一種激光直寫制備多種圖案分布的微孔陣列，改進大面積微孔陣列加工效率和縱深比的制備方法。

背景技術

自激光問世以來，激光微納加工技術一直是微納米加工技術的主要手段之一。激光直寫微納加工技術是指利用強度可調節的激光束，在材料表面進行直接曝光從而形成所需的微納結構。飛秒激光與傳統長脈沖激光相比，其加工能量損失小，利用率高。飛秒激光微納加工由于其無污染、非接觸、損傷閾值低、加工精度高以及冷加工等特點，提供了一種全新的制備大面積微納結構的方法。其成功的應用已經覆蓋微電子學、仿生學、材料化學等多個領域。

在微納加工過程中，利用激光直寫技術，單激光束經透鏡聚焦后可在材料上制作出單個微孔結構，這嚴重約束了大面積微孔陣列制備的效率。另外，對于線偏振的單激光束聚焦，其加工出的微孔的縱深比也很低。為了提高加工效率，目前主要利用光學器件將單激光束分離成多個激光束的方法：

1、利用衍射光學元件（參見文獻：R.Yang,Y.-S.Yu,et?al.,Opt.Lett.,2011,36(19):3879-3881.）。

2、利用分光鏡及透鏡組合（參見文獻：X.Jia,T.-Q.Jia,et?al.,Opt.Lett.,2009,34(6):788-790）。

這些技術明顯的提高了微孔陣列制備的效率，不過其也存在一定的局限：或者對特殊光學元件要求高，實驗條件苛刻，或者制作的微孔陣列的模式單一且較難調控，微孔縱深比不一。而且這些技術在改進微孔縱深比方面并沒有改進。隨著飛秒激光微納加工技術的發展，人們對激光加工效率和加工效果的要求也在逐步提升。

發明內容

本發明目的是解決現有技術中傳統激光微納加工方法加工效率低、縱深比低、樣式單一且不易變換及實驗條件復雜等技術問題，提供一種飛秒激光直寫制備微孔陣列的系統和方法。

該系統裝置將矢量光束多束相干理論引入到飛秒激光多圖樣微孔陣列制造中。因為光束聚焦在焦場光強分布受光束局域場分布的影響非常大，所以在利用空間光調制器生成并行多光束的基礎上，對不同位置的光束進行局域場分布調整，使焦場分布朝著有利于提高微孔陣列加工效率和多樣化的方向進行調整。本發明系統裝置生成多個并行矢量光束，調控了飛秒激光在焦場空間內的功率和偏振態分布，使得焦場出現圖案分布的多個等值極強點，實現微孔陣列的多點加工。

本發明提供的飛秒激光直寫制備微孔陣列的系統，包括飛秒矢量光場產生系統、空間濾波組件、計算機和三維移動平臺；在飛秒激光器（1）輸出直線光路上，依次設置有二分之一波片（2）、格蘭激光棱鏡（3）和第一高反鏡（4），經第一高反鏡（4）的第一反射光路上依次設置擴束鏡和飛秒矢量光場產生系統；擴束鏡由凹透鏡（5）和第一凸透鏡（6）組成，飛秒矢量光場產生系統由反射式純相位空間光調制器（7）、第一4f系統和Rochi光柵（12）組成；經反射式純相位空間光調制器（7）后的第二反射光路上設置第一4f系統、Rochi光柵（12）和第二高反鏡（13），第一4f系統由第二消色差凸透鏡（8）、頻譜面上的第一空間濾波器（9）、雙四分之一消色差波片（10）和第三消色差凸透鏡（11）組成，正負一級衍射光經Rochi光柵（12）合成為一束光再依次經過第二高反鏡（13）的第三反射光路和第三高反鏡（14）的第四反射光路，第四反射光路上設置有所述的空間濾波組件和電子光闌（18），空間濾波組件由第四消色差凸透鏡（15）、頻譜面的第二空間濾波器（16）及第五消色差凸透鏡（17）組成；第四高反鏡（19）的第五反射光路上依次設置有聚焦透鏡（20）和三維移動平臺（21），反射光經聚焦透鏡（20）后照射到放置在三維移動平臺（21）上的位于聚焦透鏡（20）的焦點上的材料上；其中反射式純相位空間光調制器（7）、電子光閘（18）和三維移動平臺（21）通過數據線與計算機（22）連接。

所述的飛秒激光器（1）產生激光束的重復頻率為1KHZ，中心波長800nm，半高寬8mm，偏振態為線偏振。

所述二分之一波片（2）和格蘭激光棱鏡（3）組合用于調節曝光能量，二分之一波片的工作波長范圍為650~1000nm，波片表面鍍增透膜；從格蘭激光棱鏡出射激光束的偏振方向沿水平方向。

所述凹透鏡（5）的焦距為f=-100mm，、凸透鏡（6）的焦距為f=300mm，對激光束直徑擴大三倍。

所述反射式純相位空間光調制器（7）的空間分辨率為1920×1080，每個pixel尺寸為8μm，空間光調制器對水平偏振光束純相位調制。