[發明專利]一種飛秒激光相位振幅協同整形加工蝶形納米縫隙的方法

有效

• 申請號: 201910036351.0
• 申請日: 2019-01-15
• 公開（公告）號: CN109590606B
• 公開（公告）日: 2020-01-21
• 發明（設計）人: 姜瀾;徐之劼;李曉煒
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G02B27/09
• 分類號: G02B27/09;B23K26/064;B23K26/046;B23K26/06
• 代理公司: 11639 北京理工正陽知識產權代理事務所(普通合伙)
• 代理人: 鄔曉楠

本發明涉及一種飛秒激光相位振幅協同整形加工蝶形納米縫隙的方法，屬于激光應用技術領域。反射式相位型液晶空間光調制器能夠對入射光進行相位調制，使得反射光在空間上具有指定的相位分布，同時利用一個狹縫對相位整形后的光束進行振幅整形，從而實現對初始光束的相位、振幅的協同整形。協同整形后的光束經過聚焦物鏡聚焦后，形成具有不同結構參數的多光點光束。利用產生多光點光束在指定材料上進行加工，光強較強區域可以實現材料去除，而較弱區域則會保留，從而能夠獲得蝶形納米縫隙。該方法所需搭建光路簡單，使用方便，無需掩膜和真空環境，加工成本低，加工效率高，在激光微納結構加工領域中起到重要的作用。

技術領域

本發明涉及一種飛秒激光相位振幅協同整形加工蝶形納米縫隙的方法，屬于激光應用技術領域。

背景技術

近些年來，納米縫隙在生物傳感、光電子還有納米光學等領域有著廣泛的應用前景。傳統的加工方法總體可以分為兩類，第一類利用傳統方式如利用機械外力產生納米級形變、利用通電將已有的納米線熔斷以及電化學/化學沉積等，這一類加工方式難以獲得高加工精度的納米縫隙，且所產生的納米縫隙的位置、尺寸和形狀難以控制；第二類利用短波長高能束如離子束、電子束等進行加工，這一類加工方式可以獲得高分辨率的納米縫隙，但是整個加工過程需要真空環境、加工效率低下、需要掩膜。并且，上述的兩類方法都屬于多步法加工，在工序之間的廢料處理還會在加工過程中帶來一定的環境污染問題。

飛秒激光直寫是一種非真空無掩膜的一步法加工方法，操作簡單因而具有良好的加工穩定性和加工精度。同時這種加工方法對于環境友好，加工效率高且加工材料范圍廣。但是由于光學衍射極限，飛秒激光對于納米尺度結構的加工能力一直受到限制。

發明內容

本發明的目的是為了解決現有傳統方法存在的低精度、對環境不友好且效率低下的問題，提供一種利用飛秒激光直寫一步法加工蝶形納米縫隙的方法。該方法通過對飛秒激光進行相位、振幅協同整形，獲得形狀、尺寸可調節的整形光束，從而可以使用單個激光脈沖加工出結構參數可控的納米縫隙。這種加工方法效率高、無需掩膜且靈活可控。

本發明的目的是通過下述技術方案實現的：

一種飛秒激光相位振幅協同整形加工蝶形納米縫隙的方法，飛秒激光入射到反射式相位型液晶空間光調制器上時，光束的相位分布會被改變；通過在反射式相位型液晶空間光調制器上加載相位對入射光進行相位調制，將光場整形為多個光點，每相鄰兩個光點之間帶有狹長暗區；光束經過兩個凸透鏡后進入狹縫，通過反射式相位型液晶空間光調制器與狹縫的協同整形后的光束進入聚焦物鏡，聚焦到帶加工樣品表面，即可加工出蝶形納米縫隙；所述子光場的數量為偶數；所加載相位為：

其中，τ是所加載相位，θ是極坐標的極角，k和n為自然數，其中k＝0,1,2……m，n為子光場數目，為偶數，m＝n/2-1。

狹縫能夠對相位整形后的光束進行振幅整形，從而實現對于光束的相位、振幅協同整形，協同整形使得獲得的整形光束在形狀和尺寸上具有很大的靈活性；利用物鏡對該整形光束進行聚焦之后，聚焦光束在傳遞過程中會發生衍射，衍射之后光束變為多光點光束；控制待加工材料位于聚焦物鏡的焦平面上，利用多光點光束在指定材料上進行聚焦，由于暗區的材料會保留而其他區域的材料則在極短的時間內會激發大量自由電子，從而引發材料發生相變，最終實現材料的去除。在去除區域因而能獲得納米縫隙，而協同整形光束則保證了所形成的納米縫隙形狀呈現蝶形；在光路中放置能量調節裝置可以控制獲得的納米縫隙的尺寸，而控制狹縫裝置的寬度可以控制蝶形納米縫隙的形狀。

工作過程：

(1)飛秒激光器放大級產生高斯激光，通過能量調節裝置進行能量控制；

(2)高斯激光以小角度入射到反射式相位型液晶空間光調制器上；

(3)通過計算機在空間光調制器上加載相位，對高斯光進行相位整形；