[發明專利]一種利用電子動態調控改變光柵結構周期的方法

有效

• 申請號: 201310706858.5
• 申請日: 2013-12-19
• 公開（公告）號: CN103639600A
• 公開（公告）日: 2014-03-19
• 發明（設計）人: 姜瀾;史雪松;李欣
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: B23K26/364
• 分類號: B23K26/364;G02B5/18
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種利用電子動態調控改變光柵結構周期的方法，屬于飛秒激光應用技術領域。

背景技術

飛秒激光出現后，周期明顯小于入射光波長的亞波長表面周期性結構開始被人們發現。飛秒激光誘導表面周期性結構（光柵結構/波紋結構）在金屬、半導體、絕緣體等材料上已被認為是普遍現象。它是一種在激光輻照下產生的永久性結構，具有制備簡單、高效率、大面積等特點，因此在光學器件制造等領域具有很大的應用潛力。

周期是表面光柵結構最重要的幾何參數之一，因此對光柵結構周期的調控十分重要。改變入射光的能量，脈沖數目，掃描速度，脈寬等參數，都會對周期產生一定的影響。在文章“S.A.Rosenfeld,J.KrügerandJ.Bonse,JAppl.Phys.112,014901(2012)”中，作者在熔融石英材料上改變飛秒激光的能量或脈沖個數，得到了平均大小分別為～600-700nm和～260-350nm的兩種周期；在文章“Q.Sun,F.Liang,R.Vallée,andS.Chin,Opt.Lett.33,2713(2008)”中，作者通過改變飛秒激光的掃描速度在石英玻璃上實現了大小在170-340nm之間的周期調控。然而，目前的方法僅限于小范圍的周期調控，調控精度較低，且得到的周期種類十分有限。

發明內容

本發明的目的是為了克服飛秒激光制備亞微米光柵結構過程中周期調控精度較低、周期種類有限等問題，提供一種利用電子動態調控改變光柵結構周期的方法，通過時域脈沖整形技術改進調控表面光柵結構周期大小，實現在亞微米范圍更加有效、全面的周期調控。

本發明的目的是通過以下技術來實現的：

步驟一、設計飛秒激光脈沖序列。

具體設計方法為：通過脈沖整形器進行飛秒激光脈沖整形，將一個脈寬為nfs的激光脈沖在時域上分成若干個脈寬均為nfs的子脈沖，其中30fs＜n＜200fs，子脈沖間的脈沖延遲均在飛秒量級，得到一組飛秒激光脈沖序列；子脈沖的個數可調，其個數使飛秒激光脈沖序列與加工材料相互作用過程中能調整材料的局部瞬時電子動態，改變最終沉積在材料表面的激光能量分布。

所述局部瞬時電子動態包括電子激發、電離、復合過程以及自由電子密度、溫度。

相鄰兩組飛秒激光脈沖序列間的時間間隔為ms-s量級。

所述加工材料為絕緣體。

步驟二、將步驟一得到的飛秒激光脈沖序列，入射到加工物鏡中聚焦，并保持激光焦點聚焦到樣品表面。

步驟三、通過置于脈沖整形器入口前的光學器件調整脈沖序列的總能量，使之高于材料的燒蝕閾值。

步驟四、以相同的脈沖延遲增加脈沖序列中子脈沖的個數，使得在材料表面電離的自由電子密度維持在滿足表面等離子體激發條件上并穩步增加，從而得到多種周期下的光柵結構。

由于子脈沖個數增加，使得可調節間隔增大，得到的光柵結構的周期不斷變大。所述可調節間隔為光柵相鄰兩個凸起間的凹槽寬度。

步驟五、控制輻照到樣品表面的脈沖序列個數，使得總個數小于50，以得到連續的光柵結構。

有益效果

1、與傳統的飛秒激光加工相比增加了周期段，克服了傳統加工中周期調節精度低、周期范圍有限等問題。

2、本發明通過改變脈沖序列中子脈沖的個數對周期進行調節，在確定的子脈沖個數下合理的能量波動不會對結構的周期產生影響，克服了飛秒激光器輸出脈沖能量不穩定的固有缺陷，而傳統的飛秒激光單脈沖加工中在閾值附近的能量波動會對結構的周期產生很大影響。

3、本發明在空氣中即可進行，無需真空環境或液體、氣體輔助，節約了加工成本，提高了加工效率。

附圖說明

圖1為具體實施例中按照本發明方法得到的激光加工光柵結構圖：其中，1—光柵周期、2—可調節間隔。

具體實施方式：

下面結合實施例和附圖說明對本發明做進一步說明：

飛秒激光系統為美國光譜物理（SpectrumPhysics）公司生產的激光器，放大級輸出脈沖的中心波長為800nm，脈沖寬度為35fs，重復頻率為1KHz，光強分布為高斯型，單脈沖最大能量3mJ，線偏振光。

脈沖整形器為美國Biophotonic公司生產的MIIPSbox，它可以把一個傳統的飛秒激光脈沖，整形成一個由數個子脈沖組成的脈沖序列，其中每個脈沖序列中子脈沖的脈寬為50fs，子脈沖個數、子脈沖間的脈沖延遲、能量分配比例等參數均可調。