[發明專利]超短脈沖激光誘導自組裝特性進行大面積光柵制作方法

無效

• 申請號: 201410456318.0
• 申請日: 2014-09-10
• 公開（公告）號: CN104237989A
• 公開（公告）日: 2014-12-24
• 發明（設計）人: 阮昊;卜昌郁
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海光學精密機械研究所
• 主分類號: G02B5/18
• 分類號: G02B5/18
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 張澤純;張寧展

技術領域

本發明涉及光柵制作，特別是一種超短脈沖激光誘導自組裝特性進行大面積光柵制作的方法。

背景技術

1965年，M.Birnbaum首次報道了在脈沖紅寶石激光作用下半導體材料表面發生光柵樣(具有明顯的條紋特征)損傷圖案的現象，后來這種現象被稱為激光誘導周期性表面結構(Laser?Induce?Periodic?Surface?Structure，英文縮寫為LIPSS)。從那時起，陸續在半導體、金屬、電介質和聚合物等多種材料上進行了大量實驗，結果表明激光誘導光柵類的圖案是一個具有普遍性的一類物理現象。然而，經過近50年的發展，在光柵結構質量的控制問題上一直沒有進展。因此，除了在材料改性、著色等方面的應用外，LIPSS仍然無法作為光柵器件的制作方法得到使用。

同時，大尺寸、特別是米級光學光柵的制作技術一直是一個技術挑戰。增加光柵尺寸方面有兩種途徑：

1)利用拼接的方法將幾塊小光柵拼成一塊大光柵，即機械拼接法；

2)用光學方法制造更大尺寸的單塊大光柵

大尺寸全息光柵的制造方法目前主要有以LLNL(Lawrence?Livermore?National?Laboratory，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室)為代表的單次曝光法，PGL(Plymouth?Grating?Laboratory)公司的掃描曝光(Scanning?Beam?Interference?Lithography，掃描光束干涉光刻)以及曝光拼接方法。

目前關于大口徑光柵的制造方法來看，單次曝光需要制作大口徑、高質量的非球面準直鏡，主要存在的問題是困難的加工技術和未知的時間代價；而用掃描曝光和曝光拼接方法制作大光柵，雖然避免了上述問題，但對基板和曝光光束相對位置的控制卻提出了非常高的要求。曝光與測量系統的任何不穩定因素，都會引入拼接誤差，影響大光柵的衍射波面。曝光拼接方法雖然在小尺度下得到了實驗驗證，但要拓展到大尺寸光柵的制作，還面臨曝光波面的偏擺、基板面形、曝光像差和接縫等問題需要克服。因此，開展大面積光柵新制作技術的研究，對促進我國大面積光柵，特別是包括激光聚變脈壓光柵的制作技術的發展具有積極意義。

發明內容

本發明的目的在于提供一種超短脈沖激光誘導自組裝特性進行大面積光柵制作方法，該方法通過對功能薄膜材料與激光處理方式的精心設計，使得在激光光斑輻照的直徑范圍內，會自發形成周期精度很高的光柵結構，且其光柵結構可以無縫、整齊地隨著激光光斑的移動掃描進行大面積自發生長；

設計了一種進行多束脈沖激光并行處理方法以提高光柵的制作速度；利用化學方法和離子刻蝕方法使該光柵結構向石英玻璃襯底的轉移，形成高質量光學光柵。這種方法可用于制作光學質量高、面積大的衍射光柵，甚至米級光柵。上述幾個方面是緊密關聯的；各步驟之間及其與光柵制作速度、質量之間也有著密切的關系：

1)不同的材料成分和膜層結構，有不同的LIPSS形成機制；反過來，不同的LIPSS的機制可以指導材料的設計、制備方法和脈沖激光對材料處理方式；

2)材料成分、膜層結構和成膜工藝的不同，以及脈沖激光對材料處理方式的不同，將影響表面光柵質量和光柵制造速度；

3)不同的材料成分、膜層結構和成膜工藝，光柵結構向石英玻璃襯底的轉移方式也不完全一樣；

4)當光柵結構向石英玻璃襯底轉移后，光柵的光學質量、衍射效率和激光損傷閾值將會有顯著提高；

5)在超短脈沖激光對薄膜材料的處理方式的研究基礎上，采用斜行多光束并行材料處理方法，進一步提高光柵制造速度。

本發明的技術解決方案如下：

一種超短脈沖激光誘導自組裝特性進行大面積光柵制作方法，其特征在于該方

法包括如下步驟：

①基板制備：選擇鈦、鎢、鍺、銻、碲或其混合物為制備用的功能材料，在石英玻璃襯底上采用真空鍍膜方法依次制備反射膜、隔熱膜和功能膜；所述的隔熱膜采用ZnS、AlN或SiO₂膜，所述的反射膜采用目前使用的脈沖壓縮光柵的多層介質膜；

②脈沖激光對薄膜進行處理，形成表面光柵結構；

③用多光束并行對光柵制作材料進行處理；

④表面光柵結構向石英玻璃襯底進行轉移。

所述步驟②：

1)激光必須是線偏振光，在掃描時維持偏振面不變；光柵周期的波矢方向平行于偏振光的電場方向；

2)入射的脈沖激光峰值強度接近但低于功能薄膜的消融閾值；

3)光柵周期根據功能膜的成分與膜厚、入射激光的角度與波長來控制；