基于等离子体纳米结构辅助的飞秒激光纳米加工方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种基于等离子体纳米结构辅助的飞秒激光纳米加工方法及系统，该方法属于激光微纳米结构加工领域。解决了常规的激光精密加工中难以突破光学衍射极限，难以加工硬脆材料，加工环境要求高，成本昂贵，难以在空气环境中实施的问题。该方法利用飞秒激光激发等离子体纳米结构的局域表面等离子体共振(LSPR)增强，从而在待加工材料表面产生超越光学衍射极限的空间高度局域化的图案化光学近场，对材料进行面阵化、图案化的超高分辨纳米加工。该方法不仅能够突破传统加工方法的光学衍射极限的限制，实现大范围、高精度并行加工，而且具有加工材料范围广、自由空间加工、成本低、简单易行的特点。

Femtosecond laser nanofabrication method and system based on plasma nanostructure

The invention provides a femtosecond laser nano-processing method and system based on plasma nanostructure assistance, which belongs to the field of laser Micro-Nanostructure processing. It solves the problem that it is difficult to break through the optical diffraction limit, to process hard and brittle materials in conventional laser precision processing, and to process hard and brittle materials in high requirements of processing environment, expensive cost and difficult to implement in air environment. This method uses femtosecond laser to stimulate the local surface plasmon resonance (LSPR) enhancement of plasma nanostructures, which generates highly localized patterned optical near-field beyond the optical diffraction limit on the surface of the material to be processed, and carries out surface array and patterned ultra-high resolution nanofabrication of the material. This method can not only break through the limitation of optical diffraction limit of traditional processing methods and realize large-scale and high-precision parallel processing, but also has the characteristics of wide range of processing materials, free-space processing, low cost and simple operation.

【技术实现步骤摘要】
基于等离子体纳米结构辅助的飞秒激光纳米加工方法及系统
本专利技术属于纳米结构制备
，特别涉及一种基于等离子体纳米结构辅助的飞秒激光纳米加工方法，对包括硬脆材料等各类材料表面进行阵列化、图案化结构直接加工。
技术介绍
材料表面的微纳加工技术涉及到国防军事工业、航天工业、生物医学、环境卫生与安全等各类和国家人类发展相关重大课题，尤其是涉及半导体电子领域，随着摩尔定律的延续和突破，半导体材料特别是硅材料表面的微纳加工技术亟待发展。与此同时，随着科技的不断进步，各种微纳加工方法发展迅速，包括传统光刻及超短波光刻技术、聚焦离子束刻蚀技术、激光直写加工技术、双光子聚合技术以及湿法刻蚀技术等。其中传统光刻以及超短波光刻技术难以突破光学衍射极限，在超短波光刻系统中，光学特性仍然会受到像差和衍射的限制，即使对于无像差的光学系统，衍射的“邻近效应”仍不可避免，同时，超短波光刻系统中复杂的光学传播、聚焦、成像系统和极高的成本也严重地限制了实际应用；聚焦离子束刻蚀技术是近年来发展迅速的一种可以实现纳米尺度的精细加工技术，利用聚焦离子束的能量注入和溅射剥离实现对材料的无掩膜、高精度的加工，然而聚焦离子束加工工艺对于真空环境、环境温度、湿度等要求高，并且成本昂贵，无法满足广大的需求；激光直写加工技术是一种利用电脑控制激光光束直接作用在材料上对材料进行剥离、刻蚀、改性加工的方法，其中研究和应用最多的是利用材料对飞秒激光的非线性吸收效应实现的双光子聚合进行直写加工，这种方法可以实现对材料内部的真三维微纳加工，然而该方法的加工材料受限于光聚合高分子材料，无法得到广泛的应用；湿法刻蚀技术是另一种结合飞秒激光技术而发展起来的一种高效率高精度的微纳加工技术，通过飞秒激光对材料的目标靶向改性，结合化学腐蚀的方法实现对材料的微纳加工，这种方法可以实现材料内部的三维精细加工，但是湿法刻蚀微纳加工受限于化学刻蚀液的流体扩散特性，难以实现高分辨纳米(λ/10)制造。这些都是微纳加工技术中亟待解决的问题。
技术实现思路
为了解决上述微纳加工方法存在的如难以突破光学衍射极限、对加工环境要求高、加工材料受限及成本高等问题，本专利技术提出了一种基于等离子体纳米结构辅助的飞秒激光纳米加工方法，利用飞秒激光诱导等离子纳米材料的局域表面等离子体共振增强(LSPR)，实现了一种可以在自由空间中对各类材料表面实施激光直写加工的方法。该方法不仅能够突破传统光学衍射极限，克服加工环境的限制，实现大范围图案化阵列化加工，同时具有加工成本低，工艺简单易行的特点。为了达到上述目的，本专利技术的技术解决方案为：一种基于等离子体纳米结构辅助的飞秒激光纳米加工方法，包括以下步骤：S1、修饰待加工材料；选取待加工材料，根据激光波长参数，在待加工材料上制备等离子体纳米结构；S2、加工；使飞秒激光聚焦在等离子体纳米结构上，通过飞秒激光在等离子体纳米结构中诱导产生的局域表面等离子体共振增强，在待加工材料表面形成超越光学衍射极限的局域场增强，实现对基底材料的衍射极限尺度纳米加工；S3、去除步骤S2获得材料表面的等离子体纳米结构，完成加工。进一步地，步骤S1中，由于局域表面等离子体共振(LSPR)的性质很大程度上取决于等离子体纳米结构本身几何参数与入射光波长参数的匹配性，故根据所要加工的图形(图案)，利用多物理场电磁仿真(COMSOLMulti-physics)设计特定几何参数的等离子体纳米结构，利用电子束光刻工艺(EBL)在待加工材料上制备相应几何参数的等离子体纳米结构，对待加工材料进行修饰。进一步地，上述的等离子体纳米结构为金属光栅、纳米点阵或其它图案化掩膜结构。利用飞秒激光激发其表面产生集体电子共振增强，可在待加工材料表面获得与其衬度相反的图案化近场光斑分布，利用该图案化光斑实现纳米加工。进一步地，步骤S2中调控修饰后的待加工材料的位置，使激光精确聚焦于不同区域的待加工位置进行加工。通过调节激光光斑尺寸和波前能量分布，对待加工材料进行区域辐照，进而在辐照区域实现对于待加工材料的大范围下同步加工。进一步地，上述飞秒激光参数包括飞秒激光能量、输出频率、波长、脉宽及光斑尺寸；通过调节偏振棱镜偏振化方向，使线偏振的飞秒激光通过不同的能量分量，对飞秒激光能量进行精确调控；通过计算机调节输出频率、波长、脉宽及光斑尺寸。进一步地，上述飞秒激光为输出频率为1Hz、波长为800nm、脉宽为30～150fs、能量为3nJ～5mJ的单脉冲飞秒激光；激光聚焦光斑最小尺寸为2μm。进一步地，将待加工材料固定在三维精密加工平台上，通过控制三维精密加工平台的移动速度与步进距离，调控修饰后待加工材料的位置，使飞秒激光在等离子体纳米结构的不同区域进行加工。三维精密加工平台移动速率0.1μm/s～0.6mm/s。进一步地，上述待加工材料为硬脆材、光刻胶材料或其他材料。进一步地，上述硬脆材料为Si、GaN、GaAs、蓝宝石或石英玻璃。进一步地，步骤S3具体包括：S31、将步骤S2获得的材料放入王水中，通过加热和超声辅助进行化学腐蚀，去除待加工材料表面的等离子体纳米结构；S32、腐蚀后依次用丙酮、酒精、去离子水对样品进行清洗，完成加工。本专利技术还提供一种实现基于等离子体纳米结构辅助的飞秒激光纳米加工方法的加工系统，其特殊之处在于：包括加工光路、计算机控制系统及三维精密加工平台；上述加工光路包括沿光路依次设置的飞秒激光产生与放大系统、快门、偏振棱镜、分光棱镜、聚焦透镜；飞秒激光产生与放大系统输出的飞秒激光依次经过快门、偏振棱镜、分光棱镜、聚焦透镜垂直照射在三维精密加工平台上；上述三维精密加工平台用于放置待加工材料；上述计算机控制系统分别与飞秒激光产生与放大系统、快门及三维精密加工平台连接，用于控制飞秒激光的输出频率、波长、脉宽，并控制三维精密加工平台按照设定速率移动。进一步地，上述加工光路还包括设置在分光棱镜与聚焦透镜之间的反射镜、设置在分光棱镜出射光路中的功率计及位于待加工材料上方且与加工激光束同轴的CCD传感器。利用偏振棱镜，实现对飞秒激光能量的精确调节，利用分光棱镜和功率计对激光功率进行实时检测，利用CCD传感器实时监控整个加工过程。本专利技术的优点在于：(1)本专利技术利用飞秒激光诱导等离子体纳米结构的局域表面等离子体共振近场增强的方法对材料表面进行衍射极限尺度的直写加工，利用在待加工材料表面诱导产生局域场增强的近场破坏效应，可加工材料范围广，包括传统的光刻胶材料以及硬脆材料。(2)本专利技术通过调控棱镜偏振化方向上的能量分量精确控制激光能量以及三维精密加工平台的移动可以在覆盖等离子体纳米结构的材料表面实现图案化、阵列化的衍射极限尺度直写加工。(3)本专利技术利用局域表面等离子体共振的近场效应，产生超越光学衍射极限的近场增强，实现衍射极限尺度的加工。(4)本专利技术的加工工艺简单易行，加工流程简洁，通过调整等离子体纳米结构的形貌和结构参数，可以实现各类的图案化、阵列化加工。通过控制三维精密加工平台，具有易控制，操作直观、加工准确的优点。(5)本专利技术提出的方法利用飞秒激光高准直性、高相干性和易操控的特点，在自由空间内直接诱导产生局域表面等离子体共振增强(LSPR)，具有不受环境因素限制，加工成本低的优点。(6)本专利技术采用飞秒激光产生与放大系统本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于等离子体纳米结构辅助的飞秒激光纳米加工方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、修饰待加工材料；选取待加工材料，在待加工材料上制备等离子体纳米结构；S2、加工；使飞秒激光聚焦在等离子体纳米结构上，加工步骤S1修饰后的待加工材料；S3、去除步骤S2加工后材料中的等离子体纳米结构，完成加工。

【技术特征摘要】
1.一种基于等离子体纳米结构辅助的飞秒激光纳米加工方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、修饰待加工材料；选取待加工材料，在待加工材料上制备等离子体纳米结构；S2、加工；使飞秒激光聚焦在等离子体纳米结构上，加工步骤S1修饰后的待加工材料；S3、去除步骤S2加工后材料中的等离子体纳米结构，完成加工。2.根据权利要求1所述的基于等离子体纳米结构辅助的飞秒激光纳米加工方法，其特征在于：步骤S1中，根据所要加工的图案，利用多物理场电磁仿真设计特定几何参数的等离子体纳米结构，利用电子束光刻工艺在待加工材料上制备相应几何参数的等离子体纳米结构，对待加工材料进行修饰。3.根据权利要求2所述的基于等离子体纳米结构辅助的飞秒激光纳米加工方法，其特征在于：所述的等离子体纳米结构为金属光栅、纳米点阵或其它图案化掩膜结构。4.根据权利要求1所述的基于等离子体纳米结构辅助的飞秒激光纳米加工方法，其特征在于：步骤S2中通过调控飞秒激光参数，同时调控修饰后的待加工材料的位置，进行大范围直写加工。5.根据权利要求4所述的基于等离子体纳米结构辅助的飞秒激光纳米加工方法，其特征在于：所述飞秒激光参数包括飞秒激光能量、输出频率、波长、脉宽及光斑尺寸；通过调节偏振棱镜偏振化方向，使线偏振的飞秒激光通过不同的能量分量，对飞秒激光能量进行精确调控；通过计算机调节输出频率、波长、脉宽及光斑尺寸。6.根据权利要求5所述的基于等离子体纳米结构辅助的飞秒激光纳米加工方法，其特征在于：所述飞秒激光为输出频率为1Hz、波长为800nm、脉宽为30～150fs、能量为3nJ～5mJ的单脉冲飞秒激光；激光聚焦光斑最小尺寸为2μm。7.根据权利要求4所述的基于等离子体纳米结构辅助的飞秒激光纳米加工方法，其特征在于：通过三维精密加工平台调...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜广庆，陈烽，董彦宏，杨青，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61