[發(fā)明專利]利用錐透鏡實(shí)現(xiàn)硬脆材料納米級小孔的加工系統(tǒng)及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011286364.2
• 申請日: 2020-11-17
• 公開（公告）號: CN112570911B
• 公開（公告）日: 2022-05-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳烽;陸宇;杜廣慶;楊青
• 申請（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號: B23K26/382
• 分類號: B23K26/382;B23K26/064;B23K26/03;B23K26/04;B82Y40/00
• 代理公司: 西安智邦專利商標(biāo)代理有限公司 61211
• 代理人: 鄭麗紅

本發(fā)明提供一種利用錐透鏡實(shí)現(xiàn)硬脆材料納米級小孔的加工系統(tǒng)及方法，解決現(xiàn)有利用錐透鏡在硬脆性材料表面制備小孔時(shí)難以加工亞30nm以下小孔以及小孔結(jié)構(gòu)均勻性較差的問題。本發(fā)明加工系統(tǒng)包括飛秒激光器、偏振控制模塊、能量控制模塊、錐透鏡、準(zhǔn)直鏡、顯微加工模塊、控制系統(tǒng)、球透鏡和光譜探測模塊；偏振控制模塊、能量控制模塊、錐透鏡、準(zhǔn)直鏡、顯微加工模塊沿飛秒激光器的出射光路依次設(shè)置，控制系統(tǒng)分別控制光譜探測模塊、飛秒激光器和顯微加工模塊；光譜探測模塊通過球透鏡對納米小孔的光散射信息進(jìn)行采集，并將該信息反饋至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)該信息對貝塞爾光針在硬脆材料中的位置進(jìn)行精確補(bǔ)償控制和修正。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于激光加工領(lǐng)域，具體涉及一種利用錐透鏡實(shí)現(xiàn)硬脆材料納米級小孔的加工系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)和方法采用飛秒激光在硬脆性材料(石英玻璃、藍(lán)寶石、金剛石等)上制備亞30nm小孔。

背景技術(shù)

飛秒激光三維微納米加工技術(shù)是一種新型極端光場微納米制造技術(shù)，該技術(shù)在航空、生物醫(yī)學(xué)、新能源、國防、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域納米級高精密元器件的制備方面有著廣泛的應(yīng)用前景。飛秒激光與物質(zhì)作用的非線性多光子電離機(jī)制，使得其加工的特征線寬可以小于光學(xué)衍射極限，即w1.22λ/D，其中λ為激光波長，D為出光口直徑。

基于飛秒激光與有機(jī)材料作用的雙光子聚合原理，飛秒脈沖可以在有機(jī)材料中實(shí)現(xiàn)空間超高分辨納米加工，但是雙光子聚合的材料局限于有機(jī)聚合物，使得材料的應(yīng)用范圍受到限制。然而，對于更具應(yīng)用前景的工程硬脆性材料，如藍(lán)寶石、碳化硅、金剛石等，則需飛秒激光刻蝕(Ablation)進(jìn)行加工。由于硬質(zhì)材料的硬度大、燒蝕閾值高，因此往往需要采用較大能量、高重復(fù)頻率的飛秒激光脈沖實(shí)施加工，隨著飛秒激光脈沖數(shù)增加，材料中的熱累積和熱擴(kuò)散效應(yīng)會(huì)愈來愈明顯，嚴(yán)重影響飛秒激光刻蝕加工的分辨率、精度和表面形貌質(zhì)量，使得當(dāng)前飛秒激光在硬脆性材料上難以加工出特征尺寸小于100nm的復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)光刻技術(shù)是通過減小波長實(shí)現(xiàn)空間超高分辨的納米加工(特征尺寸100nm)，由于紫外和深紫外光通常要在真空環(huán)境中傳輸，尋找適合該波段傳輸?shù)墓鈱W(xué)材料非常困難，而且價(jià)格昂貴，導(dǎo)致光刻技術(shù)難度增加和成本大幅度提升。面對巨大的技術(shù)難度和成本壓力，人們開始尋找一些“簡單”新型的納米加工方法。

近年來，人們提出了利用錐透鏡空間整形原理產(chǎn)生非衍射貝塞爾飛秒激光束，從而在硬脆性材料表面制備了特征尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于入射光波長的小孔陣列結(jié)構(gòu)。由于錐透鏡產(chǎn)生的貝塞爾光束本身具有非衍射特性，即貝塞爾光束可以在傳播縱深方向形成非常細(xì)的光針，從而在材料內(nèi)部進(jìn)行大深寬比結(jié)構(gòu)的加工制備。但是，利用錐透鏡在硬脆性材料表面制備小孔時(shí)，存在以下問題：1)由于熱效應(yīng)存在，實(shí)現(xiàn)亞30nm小孔飛秒激光直寫加工非常困難，難以實(shí)現(xiàn)亞30nm以下小孔的加工；2)在硬脆性材料表面制備小孔時(shí)，能量注入不穩(wěn)定，導(dǎo)致加工小孔的結(jié)構(gòu)均勻性較差。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有利用錐透鏡在硬脆性材料表面制備小孔時(shí)難以加工亞30nm以下小孔以及小孔結(jié)構(gòu)均勻性較差的問題，提供一種利用錐透鏡實(shí)現(xiàn)硬脆材料納米級小孔的加工系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)和方法通過錐透鏡將飛秒激光在空間上進(jìn)行壓縮整形，獲得具有貝塞爾結(jié)構(gòu)的空間光束，通過該光束與硬脆性材料作用的非線性效應(yīng)可以獲得大深寬比(20:1)的納米通道結(jié)構(gòu)。

為實(shí)現(xiàn)以上發(fā)明目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案為：