[發明專利]飛秒激光在透明材料內制備三維可旋轉納米體光柵的方法

有效

• 申請號: 201410162039.3
• 申請日: 2014-04-22
• 公開（公告）號: CN103949772A
• 公開（公告）日: 2014-07-30
• 發明（設計）人: 戴曄;葉俊毅;公民;閻曉娜;馬國宏
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: B23K26/00
• 分類號: B23K26/00;B23K26/0622;B23K26/70
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 陸聰明

技術領域

???????本發明涉及一種飛秒激光在透明材料內制備三維可旋轉納米體光柵的方法，屬飛秒激光應用技術領域。

背景技術

???????飛秒激光脈沖是一種超短超強的脈沖激光，具有傳統連續激光及長脈沖激光無法比擬的優越性能，這使得其在微加工領域備受關注。它能在極短的時間內，以極高的峰值功率與材料相互作用，可以極快地在激光輻照區域注入能量，通過多光子電離、隧穿電離和雪崩電離，能夠在透明材料內部誘導結構變化，飛秒激光微納加工是當今世界激光、光電子行業中的一個極為引人注目的研究方向。

利用飛秒激光能夠在透明材料內部誘導結構變化的特點，人們已經在透明材料內部誘導了許多不同功能的結構，例如光波導，微流體器件，具有光存儲功能的孔洞結構。

利用飛秒激光在透明材料內部的非線性激發和飛秒脈沖光譜的時間-空間變化特征，我們實現了一種在透明固體材料內部制備三維周期性的納米體光柵結構的技術。本發明具有一步成型、無需掩模、免受二次污染等特點，具有很好的可重復性和規模化開發潛力。而且，根據實際需要，可以提前設計出這種微納結構的空間取向，通過改變激光參數可精確調控輻照區域形成的結構變化。

發明內容

本發明的目的是提供一種飛秒激光在透明材料內制備三維可旋轉納米體光柵的方法。

為達到上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種飛秒激光在透明材料內制備三維可旋轉納米體光柵的方法，包括如下步驟：

1）根據所需的三維空間取向，設計并計算出光柵旋轉平面與飛秒激光入射面之間的夾角????????????????????????????????????????????????，以及光柵旋轉面中，光柵法線與線掃描方向之間的夾角；

2）將六面拋光的透明材料放置在計算機操控的三維平臺上；

3）用超短脈沖時空探測設備測量激光脈沖前沿傾斜值PFT，根據公式，調節激光系統中光柵得到所需的PFT值，從而確定強度前傾角；

4）設定飛秒激光波長為800nm，脈沖寬度100~150fs，重復頻率1k或者250kHz，掃描速度1~500mm/s，顯微鏡物鏡N.A.?0.5-0.9；

5）利用中性濾色片連續調節飛秒激光能量，使顯微鏡物鏡輸出單脈沖能量大于1mJ，并根據要求選擇合適能量；光柵平面中的旋轉角等同于激光偏振方向與掃描方向之間的夾角，調整初始激光偏振方向與激光掃線方向平行，定義此時λ/2波片上的讀數為，調節λ/2波片至步驟1）中計算出的度，此時即確定將加工的納米光柵的空間取向；

6）將由飛秒激光發出的激光經過顯微鏡物鏡聚焦到透明材料內部，按設定的程序配合電子快門移動三維平臺，則在所需加工區域制備具有特定取向的三維納米體光柵結構。

所述透明材料為熔融石英、摻鍺石英玻璃、氧化鋁晶體、二氧化碲晶體或硼硅酸鹽玻璃。

本發明具有如下突出的實質性特點和顯著的優點：

本發明提供了一種操作簡單、可行的方法，結合飛秒激光直寫技術在透明介質內部微區制備具有三維取向可控的周期性自組裝納米體光柵結構。這種在透明材料中制備的納米體光柵具有雙折射、各向異性反射、散射、高熱穩定性和偏振依賴的各向異性腐蝕等特征，在微納光電子學器件、微流體通道、生物醫學工程等方面將會有巨大潛在價值。

附圖說明

圖1為飛秒激光誘導自由旋轉的三維納米體光柵的加工示意圖。

圖2為納米體光柵的空間取向由和兩個角度決定。

圖3所示為利用250kHz飛秒激光，調制為8.8°時，不同偏振旋轉角對應的不同空間取向的納米體光柵的剖面掃描電鏡圖。剖面對應于圖2中的XZ面，沿著Y+方向進行電鏡觀察。

圖4所示為圖3中偏振面方位角與納米光柵寬度d之間的關系。d為光柵中平行線間的寬度。黑點代表圖3中的實驗采集數據，曲線代表理論數據擬合曲線。

圖5所示為圖3中偏振面方位角與納米體光柵取向角之間的關系。為波矢與光柵寬度d之間的夾角。黑點代表圖3中的實驗采集數據，曲線代表理論數據擬合曲線。

圖6所示為利用1kHz飛秒激光，固定強度前傾角，不同偏振旋轉角對應的不同空間取向的納米體光柵的剖面掃描電鏡圖。剖面對應于圖2中的XZ面，沿著Y+方向進行電鏡觀察。

具體實施方式

本發明的優選實施例并結合附圖說明如下：

實施例1