基于类等离子体透镜效应调控晶硅表面波纹结构的方法技术

基于类等离子体透镜效应调控晶硅表面波纹结构的方法属于飞秒激光应用技术领域。该方法采用单个倍频后基频飞秒激光脉冲预先在镀有贵金属薄膜的基底硅上加工出金属纳米环结构，之后采用第二束单个传统基频高斯飞秒激光脉冲作用于纳米环结构上，在贵金属纳米结构的类等离子体效应作用下，实现基底晶硅表面圆环形同心波纹结构的加工。当采用线偏振飞秒激光脉冲时，所加工波纹结构呈半圆环分布，波纹对称轴垂直于激光偏振方向；当采用圆偏振飞秒激光脉冲时，所加工波纹结构呈中心对称的圆环分布形态。本发明专利技术提出了实现高效精确的表面周期性微纳结构形态的控制，在表面浸润性及图像存储等方面具有至关重要的应用价值。

【技术实现步骤摘要】
基于类等离子体透镜效应调控晶硅表面波纹结构的方法
本专利技术涉及飞秒激光应用领域，尤其涉及一种基于类等离子体透镜效应调控飞秒激光诱导晶硅表面波纹结构的方法。
技术介绍
材料表面性能可通过对表面微纳结构的具体形态及排列方式控制达到最优。飞秒激光表面微纳加工从一出现就引起了人们极大的兴趣，对它的研究也日益深入。然而，飞秒激光与材料的相互作用是一个极其复杂的过程，繁杂的加工参数与众多的作用对象使得表面微纳结构呈现出各种不同的形态结构及排列方式，同时激光整形技术的发展也为飞秒激光诱导表面微纳结构的调控提供了更多的自由度。如何针对材料特性优化激光加工参数得到理想的表面微纳结构形态及排列方式是推进飞秒激光表面微纳结构实际应用的关键，也是当前的研究热点。激光诱导表面微纳米技术作为一种有效的方法可以改变材料的光学性质，机械性能，化学性能，润湿性以及其它很多性能。1965年Birnbaum首次用红宝石激光在半导体表面诱导了规则的波纹结构，此后，研究者利用各种连续、脉冲激光在各种材料的表面和内部诱导了周期性结构。激光诱导表面波纹结构是激光与物质相互作用最常见的一种表面微纳结构，可有效的改变材料表面的光学性质，机械性能，化学性能，润湿性等性能，在图像的彩色存储，抗反射表面，太阳能电池等诸多领域具有广泛的应用前景。如在文献“Controllednanostructruresformationbyultrafastlaserpulsesforcolormarking”中，Dusser等人通过激光激光偏振方向的调节用于控制波纹结构的方向性排列，用于彩色图片成像。然而，对这种结构的精确控制仍然是制约其在实际工程应用中的一大难题。特定形态的表面周期结构对应着特定的性能，如何对激光加工过程进行控制以获得所需形态的波纹结构是当前研究的重点。
技术实现思路
本专利技术的目的是基于表面波纹结构的形成机理的控制提供一种调控飞秒激光诱导晶硅表面波纹结构形态的方法。本专利技术的基本思想是通过脉冲整形技术预先在样本表面淀积的贵金属薄膜上加工出金属纳米结构，基于贵金属纳米结构在激光辐照下的表面等离子体激发及传播控制特性，在后续飞秒激光作用下，在基底样本上加工出不同于常规形态的环形表面波纹结构。本方法从激光诱导表面波纹结构的机理出发，首先构建表面波纹结构的产生条件，即预先产生的金属纳米结构作为表面等离子体激发源，在此基础上基于表面等离子体的横磁波特性通过调节入射激光偏振态，进而控制表面等离子体激元的传播，最终实现晶硅基底表面波纹结构形态的调控。在贵金属纳米结构的类等离子体透镜效应的作用下，此方法不同于常规飞秒激光诱导晶硅表面波纹结构的产生条件，即多脉冲作用或表面具有缺陷和足够的粗糙度，仅通过单个飞秒激光脉冲的辐照，在较低的脉冲能量即可加工产生形态复杂的表面波纹结构，且其形态可调。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：基于类等离子体透镜效应调控晶硅表面波纹结构的方法，该方法包括以下步骤：步骤一，样本准备：在硅基底表面淀积贵金属薄膜，金或银；步骤二，基于倍频晶体产生二次谐波效率原理对基频飞秒激光脉冲进行空间整形：采用偏硼酸钡晶体(BBO晶体)对基频波长为800nm的飞秒激光脉冲进行倍频，经过倍频后原始基频激光脉冲发生空间重整呈环形能量分布，由于所采用脉冲能量产生的倍频光对样本无加工效果，故将波长为400nm的倍频光和基频800nm的飞秒激光脉冲作为类等离子透镜的加工脉冲；步骤三，将被加工样本固定在六维平移台上，通过成像CCD观测，调整光路，确保激光入射方向与加工样本表面垂直；步骤四，激光能量调节：利用半波片-偏振片组合及中性密度滤波片对入射激光能量进行调节使其大于淀积薄膜样本的单脉冲烧蚀阈值，且激光能量能够连续调节，作为优选，脉冲能量为单脉冲烧蚀阈值的1～2倍；步骤五，类等离子体透镜金属纳米结构加工：综合控制激光频率和机械开关，使得入射到样本表面脉冲个数为1，单个环形双波长飞秒激光脉冲作用下在样本表面预先加工出环形表面金属纳米凸起结构，其三维结构呈环形凸起类等离子体透镜形态；步骤六，保持步骤五中激光焦点位置不变，在线偏振单个飞秒激光脉冲作用下调节不同的线偏振方向，或对激光偏振态进行调节呈圆偏振态，将单个双波长飞秒激光脉冲作用于预先加工出的环形表面纳米凸起结构上，基于环形金属纳米凸起结构的类等离子体透镜效应，在单个飞秒激光脉冲作用下对表面等离子体激元进行激发并对其传播进行调节，在基底硅表面加工出环形表面波纹结构，且其形态可通过入射激光偏振态调节；在线偏振态单个飞秒激光作用条件下，基于表面等离子体激元的恒磁波特性，随着激光光场在径向环形纳米凸起分量的减小，光场与表面等离子体耦合场逐渐减弱，从而使得表面波纹结构呈现对称轴平行于激光偏振方向的半圆环形态，且其对称轴可随入射激光线偏振方向连续可调；在圆偏振态单个飞秒激光脉冲作用下，激光光场在各个方向上激发的表面等离子体强度相同，耦合场相同，产生呈中心对称的圆环形同心波纹结构。进一步的，步骤六中，所述激光偏振态的调控方法包括以下步骤：(1)在光路中加入半波片，调节半波片光轴与初始激光偏振方向夹角得到不同线偏振激光方向的基频飞秒激光脉冲；(2)过调节中性密度滤波片对第二个入射激光脉冲能量进行调节，使得基频光能量低于硅表面烧蚀阈值，约为单脉冲硅烧蚀阈值的0.4～0.8倍；(3)调整入射激光频率为10并控制机械开关开启时间100ms，使得单个双波长飞秒激光入射到类等离子体纳米环形结构表面；(4)所采用能量使得倍频光在实验中无加工效果，在不同线偏振方向基频飞秒激光作用下，基于环形金属纳米凸起结构的等离子体透镜效应，在被加工样本硅基底表面加工出对称轴沿激光偏振方向的半圆环同心波纹结构；或者在光路中加入四分之一波片，对基频光的偏振态进行调节，通过调整四分之一波片光轴方向与初始激光偏振方向呈45°夹角得到圆偏振态基频飞秒激光脉冲。在单个基频飞秒激光脉冲作用下，在基底硅表面加工出呈中心对称的圆环形波纹结构。作为优选，所述加工物镜选择焦距为100mm双胶合平凸透镜。作为优选，所述在被加工硅基底表面进行贵金属薄膜淀积处理采用磁控溅射的方法或热蒸发的方法，厚度范围为20nm～40nm。作为优选，所述镀金属膜所使用的金属为金或银，厚度为20nm。基于上述方法的基于类等离子体透镜效应调控晶硅表面波纹结构的装置，包括飞秒激光器、第一半波片、偏振片、第二半波片或四分之一波片、连续衰减片，机械开关、二向色镜、倍频晶体、聚焦物镜和六维移动平移台；飞秒激光器产生线偏振基频800nm飞秒激光脉冲，基频飞秒激光脉冲经第一半波片、偏振片、第二半波片或四分之一波片、连续衰减片，机械开关之后，被二向色镜反射经过倍频晶体后产生高斯型400nm倍频飞秒光及由于倍频效率不同光场发生整形的环形能量分布800nm基频飞秒激光，两不同波长飞秒激光在时域上不同步，且倍频光无加工效果，两波长飞秒激光经过聚焦物镜聚焦后保证基频飞秒激光脉冲聚焦到待加工样本表面，即贵金属薄膜表面，待加工样本固定在六维移动平台上；作为优选，所选装置还包括分束镜、照明白光源、聚焦透镜和成像CCD，用于监控类等离子体透镜金属纳米环结构和晶硅表面波纹结构的加工；照明白光源经过分束镜、二向色镜、倍频晶体，被分束镜本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于类等离子体透镜效应调控飞秒激光诱导晶硅表面波纹结构的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，样本准备：在硅基底表面镀20～40nm厚的贵金属薄膜，贵金属为金或银；步骤二，基于倍频晶体产生二次谐波效率原理对基频飞秒激光脉冲进行空间整形：采用偏硼酸钡晶体对基频波长为800nm的飞秒激光脉冲进行倍频，经过倍频后原始基频激光脉冲发生空间重整呈环形能量分布，由于所采用脉冲能量产生的倍频光对样本无加工效果，故将波长为400nm的倍频光和基频800nm的飞秒激光脉冲作为类等离子透镜的加工脉冲；步骤三，将被加工样本固定在六维平移台上，通过成像CCD观测，调整光路，确保激光入射方向与加工样本表面垂直；步骤四，激光能量调节：利用半波片‑偏振片组合及中性密度滤波片对入射激光能量进行调节使其大于淀积薄膜样本的单脉冲烧蚀阈值，1～2倍烧蚀阈值，且激光能量能够连续调节；步骤五，类等离子体透镜金属纳米结构加工：综合控制激光频率和机械开关，使得入射到样本表面脉冲个数为1，单个环形双波长飞秒激光脉冲作用下在样本表面预先加工出环形表面金属纳米凸起结构，其三维结构呈环形凸起类等离子体透镜形态；步骤六，保持步骤五中激光焦点位置不变以激发环形纳米结构的等离子体效应，在线偏振单个飞秒激光脉冲作用下调节不同的线偏振方向，或对激光偏振态进行调节呈圆偏振态，将单个双波长飞秒激光脉冲作用于预先加工出的环形表面纳米凸起结构上，基于环形金属纳米凸起结构的类等离子体透镜效应，在单个飞秒激光脉冲作用下对表面等离子体激元进行激发并对其传播进行调节，在基底硅表面加工出环形表面波纹结构，且其形态通过入射激光偏振态调节；在线偏振态单个飞秒激光作用条件下，基于表面等离子体激元的恒磁波特性，随着激光光场在径向环形纳米凸起分量的减小，光场与表面等离子体耦合场逐渐减弱，从而使得表面波纹结构呈现对称轴平行于激光偏振方向的半圆环形态，且其对称轴随入射激光线偏振方向连续可调；在圆偏振态单个飞秒激光脉冲作用下，激光光场在各个方向上激发的表面等离子体强度相同，耦合场相同，产生呈中心对称的圆环形同心波纹结构。...

【技术特征摘要】
1.一种基于类等离子体透镜效应调控飞秒激光诱导晶硅表面波纹结构的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，样本准备：在硅基底表面镀20～40nm厚的贵金属薄膜，贵金属为金或银；步骤二，基于倍频晶体产生二次谐波效率原理对基频飞秒激光脉冲进行空间整形：采用偏硼酸钡晶体对基频波长为800nm的飞秒激光脉冲进行倍频，经过倍频后原始基频激光脉冲发生空间重整呈环形能量分布，由于所采用脉冲能量产生的倍频光对样本无加工效果，故将波长为400nm的倍频光和基频800nm的飞秒激光脉冲作为类等离子透镜的加工脉冲；步骤三，将被加工样本固定在六维平移台上，通过成像CCD观测，调整光路，确保激光入射方向与加工样本表面垂直；步骤四，激光能量调节：利用半波片-偏振片组合及中性密度滤波片对入射激光能量进行调节使其大于淀积薄膜样本的单脉冲烧蚀阈值，1～2倍烧蚀阈值，且激光能量能够连续调节；步骤五，类等离子体透镜金属纳米结构加工：综合控制激光频率和机械开关，使得入射到样本表面脉冲个数为1，单个环形双波长飞秒激光脉冲作用下在样本表面预先加工出环形表面金属纳米凸起结构，其三维结构呈环形凸起类等离子体透镜形态；步骤六，保持步骤五中激光焦点位置不变以激发环形纳米结构的等离子体效应，在线偏振单个飞秒激光脉冲作用下调节不同的线偏振方向，或对激光偏振态进行调节呈圆偏振态，将单个双波长飞秒激光脉冲作用于预先加工出的环形表面纳米凸起结构上，基于环形金属纳米凸起结构的类等离子体透镜效应，在单个飞秒激光脉冲作用下对表面等离子体激元进行激发并对其传播进行调节，在基底硅表面加工出环形表面波纹结构，且其形态通过入射激光偏振态调节；在线偏振态单个飞秒激光作用条件下，基于表面等离子体激元的恒磁波特性，随着激光光场在径向环形纳米凸起分量的减小，光场与表面等离子体耦合场逐渐减弱，从而使得表面波纹结构呈现对称轴平行于激光偏振方向的半圆环形态，且其对称轴随入射激光线偏振方向连续可调；在圆偏振态单个飞秒激光脉冲作用下，激光光场在各个方向上激发的表面等离子体强度相同，耦合场相同，产生呈中心对称...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩伟娜，刘富荣，袁艳萍，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11