基于飞秒激光远场光裁剪制备可控周期纳米光栅的方法技术

本发明专利技术公开了基于飞秒激光远场光裁剪制备可控周期纳米光栅的方法，属于激光加工技术领域，解决了飞秒激光诱导周期纳米光栅时难以精确控制结构周期的问题，与传统激光诱导周期纳米光栅技术相比，实现了结构周期从47

【技术实现步骤摘要】
基于飞秒激光远场光裁剪制备可控周期纳米光栅的方法


[0001]本专利技术属于激光加工
，具体涉及利用反射型物镜或纸质掩膜配合传统光学物镜整形原始光束，实现非对称整形聚焦光斑，利用该非对称光斑沿不同方向扫描的各向异性，实现纳米光栅周期的精确调控。

技术介绍

[0002]亚波长特征尺寸的表面周期型纳米光栅被广泛应用于光学调制，例如分光、色散等。相比于平面光刻、聚焦离子束FIB、电子束光刻EBL等工艺手段，飞秒激光诱导周期型纳米光栅具有高精度、高自由度、广泛的材料适用性等特点，几乎可以在任意材料表面实现周期型纳米光栅加工。传统观点认为飞秒激光诱导的周期型表面结构(Fs
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LIPSS)源于入射光与散射波的干涉。这种干涉叠加会产生周期性能量沉积，从而在材料表面烧蚀出周期纳米光栅。这种方式制造的纳米光栅周期近似于λ/2n，其中λ为激光波长，n为材料折射率。在该理论指导下，各国课题组利用凸透镜、柱透镜或狭缝整形光束等技术方法，在多种材料上实现了大面积亚波长特征尺寸的表面周期型纳米光栅的制备。但上述方法一旦确定了激光波长和材料便存在难以精确调控纳米光栅周期的问题，使得飞秒激光加工纳米光栅在具体应用上受限。

技术实现思路

[0003]针对现有技术的难以精细调控纳米光栅周期等问题，，本专利技术提供了一种飞秒激光远场光裁剪制备可控周期纳米光栅的方法，在保证大面积纳米光栅制备的同时还能精确调控其周期；本专利技术利用反射型物镜或纸掩膜配合传统光学物镜实现远场光裁剪，将原本高斯分布的圆形聚焦光斑整形为高斯分布的非对称聚焦光斑，利用非对称聚焦光斑正反向扫描的各向异性实现对纳米光栅周期的精确调控。
[0004]本专利技术的基于飞秒激光远场光裁剪制备可控周期纳米光栅的方法的原理如下：
[0005]纳米槽的形成机理：聚焦光斑作用在样品表面时，先诱导出初始结构(纳米孔)，随着脉冲积累纳米孔沿垂直于偏振方向生长为纳米槽；之后光学远场(聚焦光斑)与纳米槽相互作用会形成新的局域化近场，即纳米槽两侧出现新的近场极强区，从而烧蚀出新的纳米槽；以此类推，最终形成周期纳米光栅结构；
[0006]非对称近场整形原理：当使用非对称的光学远场(聚焦光斑)辐照初始纳米槽时，会在其两侧形成两个距初始纳米槽间距不等的新近场极强区；
[0007]纳米槽间距调控原理：由于纳米槽间距决定于上述非对称近场极强区与初始纳米槽间距，所以可以根据非对称近场来调控纳米槽间距；即向上或向下扫描，得到周期增大或减小的纳米光栅。
[0008]本专利技术通过如下技术方案实现：
[0009]基于飞秒激光远场光裁剪制备可控周期纳米光栅的方法，具体包括如下步骤：
[0010](1)、样品台的调平；
[0011]具体步骤为：首先，使激光器出射的飞秒激光先后经过电控第一半波片HWP1和偏振分束器PBS后，中心入射第一凸透镜L1和第二凸透镜L2进行扩束，经反射镜R1后中心入射电控第二半波片HWP2后均匀入射于扫描振镜GS的入瞳，然后经扫描振镜GS出射后分别经过第三凸透镜L3和第四凸透镜L4，再依次经由反射镜R2反射和物镜OL聚焦后入射至中空样品台上的ITO薄膜样品表面；照明光源LED固定在中空样品台底部，使照明光源LED发出的白光经过ITO薄膜样品后入射物镜OL；照明光透过反射镜R2后被反射镜R3反射至第五凸透镜L5并聚焦成像到CCD中，并将CCD与电脑PC相连，实时监控样品台的调平过程，并对样品台进行调平；
[0012](2)、远场光裁剪；
[0013]具体步骤为：选用反射型物镜作为物镜OL或采用传统光学物镜OL结合纸掩膜AM的方式进行远场光裁剪，从而将圆形的聚焦光斑调制成非对称形状的聚焦光斑；
[0014]根据目标整形光束形状，设计并制作纸掩膜AM，其中通光区域被去除；定制的纸质掩膜AM覆盖在物镜OL入瞳处；根据激光束通过物镜OL后的形状调整掩膜AM和物镜OL的安装角度，改变不对称光斑的旋转角度；
[0015](3)、利用非对称聚焦光斑扫描制作不同周期的纳米光栅；
[0016]具体步骤为：首先，旋转第二电控半波片HWP2的光轴，使激光偏振方向与激光扫描方向平行；随后，移动样品台，将飞秒激光聚焦于待加工ITO薄膜表面预设的位置进行加工；在激光脉冲辐照下，先生成初始纳米槽，然后非对称光斑与初始纳米槽作用，从而随激光扫描烧蚀出一系列纳米光栅；利用非对称光斑正向扫描或反向扫描调控纳米光栅周期。
[0017]进一步地，步骤(2)所述纸质掩膜AM是由一片尺寸与物镜OL入瞳直径匹配的圆形纸张去除任意形状制成；其中，去除区域在激光束覆盖范围内。
[0018]进一步地，所述的反射型物镜为Schwarzschild型，由一个圆形凸面反镜和一个环形凹面反镜组成，其中，圆形凸面反镜由三个等间距分布的辐射型叶片固定；反射型物镜OL的安装角度需保证聚焦光斑沿扫描方向呈非对称分布。
[0019]进一步地，所述纸掩膜AM安装在物镜OL入瞳前，并与激光束和物镜OL中心对准；纸掩膜AM的旋转中心为激光束中心，旋转纸掩膜AM使聚焦光斑沿扫描方向呈非对称分布。
[0020]进一步地，步骤(3)所述的扫描方向为平行于激光偏振的完全相反的两个方向。
[0021]进一步地，所述非对称聚焦光斑辐照在初始纳米槽，会沿扫描方向形成距其间距不等的两个新近场极强处。
[0022]进一步地，所述正向扫描是向距初始纳米槽间距大的新近场极强区方向扫描；所述反向扫描是向距初始纳米槽间距小的新近场极强区方向扫描；从而正向扫描得到间距较大的纳米槽，反向扫描得到间距较小的纳米槽。
[0023]进一步地，所述的激光扫描方式为逐点扫描，每个曝光点间距其中，是聚焦光斑直径，λ是激光波长，NA是物镜OL数值孔径。
[0024]进一步地，所述非对称聚焦光斑扫描制作的纳米光栅周期可从10％λ到40％λ，调控精度为5nm，正向扫描和反向扫描的光栅周期差值约为1.5％λ到6％λ，其中，λ是激光波长。
[0025]与现有技术相比，本专利技术的优点如下：
[0026](1)、相比传统的飞秒激光诱导表面纳米光栅，该方法可以实现对纳米光栅周期纳米尺度的连续调控。
[0027](2)、通过Schwarzschild反射型物镜OL或传统光学物镜OL和纸质掩膜AM即可实现非对称的聚焦光斑，方法简单、成本低、易操作；
[0028](3)、通过简单地调控非对称聚焦光斑的旋转角度即可改变纳米光栅周期对扫描方向的依赖性。
附图说明
[0029]为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
[0030]图1为本专利技术的一种飞秒激光远场光裁剪制备可控周期纳米光栅的方法的光路示意图；
[0031]图中，HWP1‑
第一电控半本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于飞秒激光远场光裁剪制备可控周期纳米光栅的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：(1)、样品台的调平；具体步骤为：首先，使激光器出射的飞秒激光先后经过电控第一半波片HWP1和偏振分束器PBS后，中心入射第一凸透镜L1和第二凸透镜L2进行扩束，经反射镜R1后中心入射电控第二半波片HWP2后均匀入射于扫描振镜GS的入瞳，然后经扫描振镜GS出射后分别经过第三凸透镜L3和第四凸透镜L4，再依次经由反射镜R2反射和物镜OL聚焦后入射至中空样品台上的ITO薄膜样品表面；照明光源LED固定在中空样品台底部，使照明光源LED发出的白光经过ITO薄膜样品后入射物镜OL；照明光透过反射镜R2后被反射镜R3反射至第五凸透镜L5并聚焦成像到CCD中，并将CCD与电脑PC相连，实时监控样品台的调平过程，并对样品台进行调平；(2)、远场光裁剪；具体步骤为：选用反射型物镜作为物镜OL或采用传统光学物镜OL结合纸掩膜AM的方式进行远场光裁剪，从而将圆形的聚焦光斑调制成非对称形状的聚焦光斑；根据目标整形光束形状，设计并制作纸掩膜AM，其中通光区域被去除；定制的纸质掩膜AM覆盖在物镜OL入瞳处；根据激光束通过物镜OL后的形状调整掩膜AM和物镜OL的安装角度，改变不对称光斑的旋转角度；(3)、利用非对称聚焦光斑扫描制作不同周期的纳米光栅；具体步骤为：首先，旋转第二电控半波片HWP2的光轴，使激光偏振方向与激光扫描方向平行；随后，移动样品台，将飞秒激光聚焦于待加工ITO薄膜表面预设的位置进行加工；在激光脉冲辐照下，先生成初始纳米槽，然后非对称光斑与初始纳米槽作用，从而随激光扫描烧蚀出一系列纳米光栅；利用非对称光斑正向扫描或反向扫描调控纳米光栅周期。2.如权利要求1所述的基于飞秒激光远场光裁剪制备可控周期纳米光栅的方法，其特征在于，步骤(2)所述纸质掩膜AM是由一片尺寸与物镜OL入瞳直径匹配的圆形...

【专利技术属性】
技术研发人员：王磊，胥亦实，陈岐岱，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：