[發明專利]一種飛秒激光弱燒蝕小夾角干涉制備高密度光柵的方法

在審

• 申請號: 202010004831.1
• 申請日: 2020-01-03
• 公開（公告）號: CN111060999A
• 公開（公告）日: 2020-04-24
• 發明（設計）人: 曹凱強;陳龍;孫真榮;賈天卿
• 申請（專利權）人: 華東師范大學
• 主分類號: G02B5/18
• 分類號: G02B5/18;B23K26/60;B23K26/362;B23K26/067
• 代理公司: 上海藍迪專利商標事務所(普通合伙) 31215
• 代理人: 徐筱梅;張翔

本發明公開了一種飛秒激光弱燒蝕小夾角干涉制備高密度光柵的方法，其搭建了雙光束激光干涉系統，利用柱面透鏡在小夾角下匯聚得到的光斑對樣品進行刻蝕?？涛g過程中精確地控制激光與材料的相互作用過程，在弱燒蝕下使得樣品幾乎不會去除任何材料而在樣品上刻蝕得到了高度均勻的納米光柵結構。通過控制精密五軸平移臺，沿Z軸干涉條紋方向移動樣品，利用飛秒激光誘導自組織周期條紋生長的特性，可以制備寬度為光束直徑的長條形光柵。進一步平移光束直徑的0.8?0.9倍距離，繼續平行與長條形光柵反向移動樣品，就可以制備大面積的高度均勻的納米光柵。本發明在制備大尺寸、高密度刻線光柵元器件方面優勢明顯，具有抗干擾能力強，操作便捷及經濟高效的優點。

技術領域

本發明涉及激光制備微納結構技術領域，尤其是一種飛秒激光弱燒蝕小夾角干涉制備高密度光柵的方法。

背景技術

飛秒激光直接寫入技術在表面周期性結構加工中得到了深入的研究，其在材料表面性能調控方面有重要的應用，如超疏水表面、吸收與發光增強、金屬表面著色、亞波長增透等。然而，該技術在獲得表面高度均勻性、高度規則及高效率制備方面仍然面臨挑戰。現有技術中采用達曼光柵能夠實現大面積光柵的制備，然而僅采用達曼光柵，這無疑增加了刻蝕的復雜程度且增加了制作成本。如何另辟途徑，以提高大面積光柵的加工質量、加工效率且降低成本，采用飛秒激光結合小夾角下匯聚干涉在材料表面進行弱燒蝕刻蝕制備微納結構，將是飛秒激光直接寫入技術的全新研究方向。

發明內容

本發明的目的是針對現有技術的不足而提供的一種飛秒激光弱燒蝕小夾角干涉制備高密度光柵的方法，本發明采用將光源控制系統、雙飛秒激光束同時干涉系統、樣品加工與監測系統及控制系統整合在實驗臺上；在雙飛秒激光束同時干涉系統中，通過分光片將激光脈沖分為兩束，其中，一束激光脈沖經過第一柱透鏡匯聚到樣品表面；另一束激光脈沖經過第二柱透鏡匯聚到樣品表面；通過調節兩束光路的匯聚夾角，在樣品上形成良好的干涉；同時，通過控制刻蝕能量密度的大小在燒蝕閾值在樣品以下，以制備大面積規則周期納米光柵。本發明通過調節延遲線實現兩束光脈沖同時到達樣品表面干涉形成激光焦斑；通過半波片調整激光偏振方向；通過計算機控制帶CCD的顯微鏡對樣品表面制備的周期納米結構實施圖像監控，控制電子快門實現選擇激光脈沖的數目，通過控制延遲線實現兩束激光脈沖同時到達樣品表面。本發明在制備大尺寸、高精度衍射光學元器件方面優勢明顯，具有抗干擾能力強，操作便捷及經濟高效的優點。

實現本發明目的的具體技術方案是：

一種飛秒激光弱燒蝕小夾角干涉制備高密度光柵的方法，特點是該方法包括以下具體步驟：

步驟1：搭建雙光束飛秒激光干涉系統

該系統包括：由飛秒激光光源、電子快門、第一衰減片及半波片依次光路連接的光源控制子系統發出激光束；然后激光束通過一個由分光片、第一高反鏡、延遲線、第二高反鏡、第三高反鏡、第四高反鏡、第五高反鏡、第二衰減片、第一柱透鏡及第二柱透鏡構成的雙飛秒激光束同時干涉子系統，其中，分光片分別與第一高反鏡及第三高反鏡光路連接；第一高反鏡依次與延遲線、第二高反鏡及第一柱透鏡光路連接；第三高反鏡與第四高反鏡、第五高反鏡、第二衰減片及第二柱透鏡光路連接；最后兩束相干光匯聚于樣品同一點；樣品固定在樣品臺上，由樣品臺、五軸平移臺、帶CCD的顯微鏡及顯微鏡座構成的樣品加工與監測子系統；所述樣品臺設于五軸平移臺上；帶CCD的顯微鏡設于顯微鏡座上；樣品加工過程的控制由計算機執行；

所述光源控制子系統、雙飛秒激光束同時干涉子系統、樣品加工與監測子系統及計算機設于實驗臺上；所述半波片與分光片光路連接；第一柱透鏡及第二柱透鏡的光路分別匯聚到樣品臺上；所述計算機分別與電子快門、延遲線、五軸平移臺及帶CCD的顯微鏡電連接；

步驟2：加工條件的設置

兩束激光之間的夾角為0到10°，樣品在激光下采用弱燒蝕，燒蝕坑的深度5-20nm，樣品表面無燒蝕顆粒噴出；