一种抗反射微纳结构的加工系统及加工方法技术方案

本发明专利技术涉及微孔激光加工工艺，具体涉及一种抗反射微纳结构的加工系统及加工方法，用于解决飞秒激光的焦深沿光轴拉长后所产生的高级衍射旁瓣会导致微孔边缘出现环状结构，影响抗反射性能，以及贝塞尔光能量过低、飞秒激光与材料相互作用导致微孔深度小于理论焦深的不足之处。该抗反射微纳结构的加工系统包括激光器、偏振态调制装置、缩束单元、二维快速反射镜和超表面结构；本发明专利技术通过超表面结构使不同偏振分量聚焦于光轴不同位置，可以在待加工工作面形成类长焦深的“光丝”。同时，本发明专利技术公开一种抗反射微纳结构的加工方法。一种抗反射微纳结构的加工方法。一种抗反射微纳结构的加工方法。

【技术实现步骤摘要】
一种抗反射微纳结构的加工系统及加工方法


[0001]本专利技术涉及微孔激光加工工艺，具体涉及一种抗反射微纳结构的加工系统及加工方法。

技术介绍

[0002]材料表面的抗反射性能在光子、光电子、隐身、传感等领域具有广泛的应用潜力。光线入射到两种介质的分界面上时，会发生折射与反射，在很多应用场景反射光会产生杂散光、透射光，导致目标物能量降低，这极大影响了系统性能。例如，在机载光学系统由于太阳光极为强烈，会使屏幕图像对比度下降严重影响机载光学系统的探测响应度，严重时甚至会形成“鬼影”，影响光电系统的探测精度；
[0003]装备在极端服役环境下光能的透过率是影响目标识别精度、探测增程能力的关键，目前传统手段是通过在光学元件表面镀抗反射增透介质薄膜来实现抗反增透特性，存在光谱窄、大角度入射不敏感等问题，更重要的是由于服役环境恶劣，膜层界面结合效应(膜层和衬底间的热胀系数差异、膜层和衬底的折射率匹配)引起膜层易脱落、服役寿命短，严重时会导致红外窗口增透失效，这成为限制我国重大军事装备的作战技能指标的关键因素之一。
[0004]抗反射增透微纳结构是在不改变材料原有的力学、热学、化学等性质的前提下，直接在材料表面加工微纳结构，具备宽光谱、广角、长寿命等特性，因此抗反射增透技术在航空航天用红外窗口具有非常突出的优势。这种抗反射阵列微孔结构形貌具体包括一维光栅、二维光栅(阵列微孔、方孔、多边形方孔等)结构，结构的尺寸根据应用的光谱带宽相关，即亚波长结构，若应用在远红外波段，微孔口径在2～3微米左右，若应用在太赫兹波段，微孔口径在数百微米左右。
[0005]目前化学蚀刻，离子束刻蚀、电子束刻蚀、纳米压印、光刻等抗反射微纳结构加工手段存在工序复杂、成本高、效率低、无法实现曲面加工等问题。飞秒激光具有超快、超强的特点，在加工过程中，与材料作用时间远小于晶格热传导的时间，从而可以有效的抑制加工导致的热效应，并且飞秒激光极高的峰值功率，使其几乎可以加工所有的固体材料。此外，通过调控飞秒激光的形状(时空分布)和性质(波长/强度/偏振)，可实现突破衍射极限的加工精度。因此飞秒激光在难加工材料和三维复杂结构的多尺度、选择性、非接触、高精度、高质量(热效应小)制造方面具有独特优势，使其成为制造微纳结构的理想手段之一。
[0006]然而受制于飞秒激光的有限焦深(高斯光斑高倍显微物镜聚焦后最大焦深不超过1μm)、锥状光束、以及非线性作用机制，会导致加工的微纳结构深度大约在200
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300nm，通过将高斯光束整形为贝塞尔光束将其焦深沿光轴拉长可以一定程度的加大微孔的深径比，但是由于贝塞尔光束存在高级衍射旁瓣，会在微孔边缘加工出环状结构，这会导致微纳结构之间全部毛化，造成抗反射性能失效。通常的解决办法是将贝塞尔光束的能量尽量降低，使得其高级旁瓣的能量低于材料的损伤阈值，但会使得贝塞尔光能量过低，导致实际加工出的微孔深度远小于理论焦深。此外，飞秒激光与材料相互作用时，微纳结构内部会出现碎
屑、各类等离子，阻碍激光与材料的相互作用，同样会导致实际加工出的微孔深度小于理论焦深。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是解决飞秒激光的焦深沿光轴拉长后所产生的高级衍射旁瓣会导致微孔边缘出现环状结构，影响抗反射性能，以及贝塞尔光能量过低、飞秒激光与材料相互作用导致微孔深度小于理论焦深的不足之处，而提供一种抗反射微纳结构的加工系统及加工方法。
[0008]为了解决上述现有技术所存在的不足之处，本专利技术提供了如下技术解决方案：
[0009]一种抗反射微纳结构的加工系统，其特殊之处在于：包括激光器，以及沿激光器出射光路依次设置的偏振态调制装置、缩束单元、二维快速反射镜和超表面结构，待加工工作面位于超表面结构的出射光路上；
[0010]定义待加工工作面所形成的微孔的中心线为Z轴，激光器出射光的方向为X轴，Y轴方向符合右手空间直角坐标系；
[0011]所述激光器出射光为线偏振光；所述偏振态调制装置用于调制激光器出射光的偏振态；所述缩束单元用于缩小偏振态调制装置出射光的光束直径；所述二维快速反射镜绕X轴、Y轴运动，用于使缩束单元出射光绕其光轴旋转且按照预设扫描轨迹、预设扫描速度进行扫描；所述超表面结构用于使二维快速反射镜出射光的不同偏振分量聚焦于光轴的不同位置，且对各偏振分量的焦深进行调节，超表面结构出射光在待加工工作面形成光丝，超表面结构包括衬底和周期性设置在衬底上的多个纳米柱。
[0012]进一步地，所述偏振态调制装置包括四分之一波片和电机，所述四分之一波片的快轴与线偏振光之间的夹角为θ，所述电机用于带动四分之一波片以在[0，π/2]范围内调节θ。
[0013]同时，本专利技术还提供一种抗反射微纳结构的加工方法，其特殊之处在于，采用上述抗反射微纳结构的加工系统，包括如下步骤：
[0014]步骤1、根据待加工微纳结构中微孔的尺寸、形貌以及激光高斯光斑的分布特性，确定光丝的直径、长度；
[0015]步骤2、采用FDTD Solution软件，根据步骤1所确定的光丝的直径、长度，确定超表面结构的结构参数，所述结构参数包括纳米柱的形貌、长度、宽度、高度，以及超表面结构直径；
[0016]步骤2.1、通过调节纳米柱的长度、宽度、高度来控制经过超表面结构的X偏振入射光、Y偏振入射光的之间的相位延迟差，得到纳米柱的长度、宽度与X偏振入射光、Y偏振入射光的之间的相位延迟差的关系，并利用FDTD方法计算经过超表面结构的X偏振入射光、Y偏振入射光的透过率系数；
[0017]步骤2.2、根据步骤2.1所得到的纳米柱的长度、宽度与X偏振入射光、Y偏振入射光的之间的相位延迟差的关系，以及X偏振入射光、Y偏振入射光的透过率系数，结合偏振转换效率，以及X偏振入射光、Y偏振入射光之间的相位延迟差为π，确定超表面结构的结构参数；
[0018]步骤2.3、通过所确定的超表面结构的结构参数，仿真得到光丝的分布特征；
[0019]步骤3、根据所确定的超表面结构的结构参数，确定缩束单元的倍率及参数；
[0020]步骤4、通过偏振态调制装置对激光器出射光进行调制，同时根据微孔的形貌，调节二维快速反射镜绕X轴、Y轴运动的角度、方向和速度，使光丝在待加工工作面绕其光轴旋转的同时，按照预设扫描轨迹、预设扫描速度进行扫描，实现抗反射微纳结构的加工。
[0021]进一步地，步骤4中，所述通过偏振态调制装置对线偏振光进行调制具体为：采用电机带动四分之一波片对θ进行周期性调节，将θ由π/2调节至0，再由0调节为π/2为一个周期，使得光丝可以沿Z轴从下至上，再从上至下反复运动。
[0022]进一步地，步骤2.2中，所述偏振转换效率大于50％。
[0023]进一步地，步骤3中，所述缩束单元(3)的参数包括入射光瞳和出射光瞳。
[0024]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0025](1)本专利技术一种抗反射微纳结构的加工系统，包括激光器、偏振态调制装置、缩束单元、二维本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种抗反射微纳结构的加工系统，其特征在于：包括激光器(1)，以及沿激光器(1)出射光路依次设置的偏振态调制装置(2)、缩束单元(3)、二维快速反射镜(4)和超表面结构(5)，待加工工作面(01)位于超表面结构(5)的出射光路上；定义待加工工作面(01)所形成的微孔的中心线为Z轴，激光器(1)出射光的方向为X轴，Y轴方向符合右手空间直角坐标系；所述激光器(1)出射光为线偏振光；所述偏振态调制装置(2)用于调制激光器(1)出射光的偏振态；所述缩束单元(3)用于缩小偏振态调制装置(2)出射光的光束直径；所述二维快速反射镜(4)分别绕X轴、Y轴运动，用于使缩束单元(3)出射光绕其光轴旋转且按照预设扫描轨迹、预设扫描速度进行扫描；所述超表面结构(5)用于使二维快速反射镜(4)出射光的不同偏振分量聚焦于光轴的不同位置，且对各偏振分量的焦深进行调节，超表面结构(5)出射光在待加工工作面(01)形成光丝，超表面结构(5)包括衬底(51)和周期性设置在衬底(51)上的多个纳米柱(52)。2.根据权利要求1所述的一种抗反射微纳结构的加工系统，其特征在于：所述偏振态调制装置(2)包括四分之一波片和电机，所述四分之一波片的快轴与线偏振光之间的夹角为θ，所述电机用于带动四分之一波片以在[0，π/2]范围内调节θ。3.一种抗反射微纳结构的加工方法，其特征在于，采用权利要求1所述的抗反射微纳结构的加工系统，包括如下步骤：步骤1、根据待加工微纳结构中微孔的尺寸、形貌以及激光高斯光斑的分布特性，确定光丝的直径、长度；步骤2、采用FDTD Solution软件，根据步骤1所确定的光丝的直径、长度，确定超表面结构(5)的结构参数，所述结构参数包括纳米柱(52)的形貌、长度、宽度、高度，以及超表面结构(5)直径...

【专利技术属性】
技术研发人员：李明，李珣，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：