基于纳米泡结构的几何相位元件及其制备方法技术

本发明专利技术涉及飞秒微加工领域，公开一种基于纳米泡结构的几何相位元件及其制备方法，以实现批量化生产并确保性能

【技术实现步骤摘要】
基于纳米泡结构的几何相位元件及其制备方法


[0001]本专利技术涉及飞秒微加工
，尤其涉及一种基于纳米泡结构的几何相位元件及其制备方法
。

技术介绍

[0002]在
1996
年，科学家发现使用飞秒激光照射透明材料会改变材料的折射率，他们进一步使用该性质利用飞秒激光在石英玻璃中加工了波导
。
在这个阶段，飞秒对熔融石英的改性停留在各向同性阶段
。
在
1999
年，又发现飞秒激光作用于熔融石英可以使熔融石英产生各向异性的折射率变化实现双折射
。
这一发现使得更多应用例如相位调控和数据存储成为可能
。
自
2003
年，更发现该双折射改性源于熔融石英中形成的纳米层状结构并称其为纳米光栅
(Nano grating)
之后，许多课题组展开了对该技术的应用和原理研究
。
例如利用纳米光栅结构制作几何相位元件，以及用多层纳米光栅实现高密度的数据存储
。
[0003]对纳米光栅形成原理的探索也使人们进一步了解了纳米光栅的形成机理
。Taylor
的研究揭示出纳米光栅的形成过程主要为：
[0004]首先，激光会由熔融石英中的缺陷
(Nonbridging oxygen hole centers)
吸收形成球形的小泡，球形小泡会在激光偏振电场下沿着垂直偏振方向的平面上生长形成扁球状小泡，随着在垂直偏振平面的生长，小泡逐渐相连并形成片状结构，即纳米光栅
。
这一过程也在电子扫描显微镜下获得了证实
。
[0005]藉此，纳米光栅形成过程中的中间状态产物也引起了科研人员的兴趣，在初期形成的球形小泡改性区域在被拉长形成扁球状结构时，各项异性的结构已经使熔融石英具备了双折射性质
。
而且具备纳米光栅所不具备的高透射特性，尤其在紫外波长范围仍能保持较高的透射率
。
这使其在紫外波长范围有了巨大的应用潜力
。
[0006]纳米泡
(Nanoporous)
结构是一种飞秒激光作用在熔融石英形成纳米光栅结构前的中间状态，意味着改性熔融石英的加工参数窗口远小于纳米光栅
。
激光功率密度过低意味着拥有
9eV(electron volt
，电子伏特
)
的禁带宽带的石英完全透明，必须要有足够高的功率密度
(
聚焦，高脉冲能量
)
触发多电子吸收过程才能使熔融石英中的缺陷吸收激光实现改性，而过高的功率密度一方面可能使熔融石英直接被损坏，另一方面也可能使改性结构很快过渡到纳米光栅结构
。
另外，飞秒激光的重复频率也决定了熔融石英在相邻激光脉冲间能冷却的时间以及相应的热累计效果
。
众多加工参数相互关联，使得纳米泡加工具有相当的挑战性
。
[0007]藉此，如何基于纳米泡结构制备高性能的光学元器件成为技术研究的难点
。

技术实现思路

[0008]本专利技术目的在于公开一种基于纳米泡结构的几何相位元件的制备方法及系统，以便于实现批量化生产并确保所制备产品的性能
。
[0009]为达上述目的，本专利技术公开的基于纳米泡结构的几何相位元件的制备方法包括：
[0010]步骤
S1、
部署光路系统，所述光路系统包括：能调脉冲宽度的飞秒激光光源
、
能通过程序控制单脉冲能量自动切换的功率衰减模块
、
偏振控制模块
、
物镜和固定样品的三轴位移台；所述功率衰减模块部署于所述激光光源与所述偏振控制模块之间，所述偏振控制模块用于调整衰减后光束输出至所述物镜的线性偏振光的偏振方向，所述三轴位移台用于逐一切换经所述物镜聚焦的光斑在所述样品内部的三维坐标；标定所述激光光源在各偏振方向加工纳米泡所统一的光斑大小
、
线距大小
、
重复频率
、
脉冲宽度
、
峰值功率密度
、
半波延迟量所对应的层距和层数及各偏振方向所分分别对应的脉冲密度和单脉冲能量；所述脉冲密度＝飞秒激光重复频率
/
位移台扫描速度；
[0011]步骤
S2、
以从下至上的顺序逐一加工各层的纳米泡结构，在加工完下一层的切换至上一层的过程中，通过所述三轴位移台
Z
轴方向下移一个单位的层距大小；在加工单层纳米泡结构的过程中，通过所述三轴位移台
X
轴和
Y
轴方向的位移逐一进行单个纳米泡结构的加工；在加工单个纳米泡结构的过程中，根据目标偏振方向对应的标定关系控制所述功率衰减模块
、
所述偏振控制模块和所述三轴位移台执行相应的联动操作
。
[0012]优选地，本专利技术所述标定关系的获取包括：
[0013]步骤
S11、
基于所述光路系统设置所述物镜出射线性偏振光的第一偏振方向；
[0014]步骤
S12、
调节光路确定所述物镜所出射线性偏振光待标定的偏振方向并使得所述物镜所出射线性偏振光的消光比满足要求；然后测量所述物镜下方光斑的直径
D
，根据该光斑直径确定所述三轴位移台的在水平方向位移所产生的线距，所述线距包括行距和列距，所述线距的取值范围为
D/5
至
D/4
；
[0015]步骤
S13、
测量所述光斑的平均功率，根据所述光斑的平均功率和飞秒激光重复频率确定激光的单脉冲能量和峰值功率密度；
[0016]步骤
S14、
调节所述激光光源和所述功率衰减模块，使所述物镜聚焦光斑的峰值功率密度处于3‑
18TW/cm2的区间；
[0017]步骤
S15、
调节脉冲密度，范围从
50p/um
‑
300p/um
；
[0018]步骤
S16、
变更步骤
S12
至步骤
S15
所对应参数在相应范围的具体取值，筛选出制备样品中衍射效率＞
95
％且
P
偏振和
S
偏振方向的偏振透射差＜5％的单层纳米泡的各个参数组合，其中，衍射效率＝改性区域的透过率
/
未改性区域的透过率；
P
偏振和
S
偏振方向的偏振透射差＝
P
偏振光出射的透过率
‑
S
偏振光出射的透过率；各所述参数组合包括：光斑大小
、
线距大小
、
重复频率
、
单脉冲能量
、
峰值功率密度
、
脉本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于纳米泡结构的几何相位元件的制备方法，其特征在于，包括：步骤
S1、
部署光路系统，所述光路系统包括：能调脉冲宽度的飞秒激光光源
、
能通过程序控制单脉冲能量自动切换的功率衰减模块
、
偏振控制模块
、
物镜和固定样品的三轴位移台；所述功率衰减模块部署于所述激光光源与所述偏振控制模块之间，所述偏振控制模块用于调整衰减后光束输出至所述物镜的线性偏振光的偏振方向，所述三轴位移台用于逐一切换经所述物镜聚焦的光斑在所述样品内部的三维坐标；标定所述激光光源在各偏振方向加工纳米泡所统一的光斑大小
、
线距大小
、
重复频率
、
脉冲宽度
、
峰值功率密度
、
半波延迟量所对应的层距和层数及各偏振方向分别对应的脉冲密度和单脉冲能量；所述脉冲密度＝飞秒激光重复频率
/
位移台扫描速度；步骤
S2、
以从下至上的顺序逐一加工各层的纳米泡结构，在加工完下一层的切换至上一层的过程中，通过所述三轴位移台
Z
轴方向下移一个单位的层距大小；在加工单层纳米泡结构的过程中，通过所述三轴位移台
X
轴和
Y
轴方向的位移逐一进行单个纳米泡结构的加工；在加工单个纳米泡结构的过程中，根据目标偏振方向对应的标定关系控制所述功率衰减模块
、
所述偏振控制模块和所述三轴位移台执行相应的联动操作
。2.
根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述标定关系的获取包括：步骤
S11、
基于所述光路系统设置所述物镜出射线性偏振光的第一偏振方向；步骤
S12、
调节光路确定所述物镜所出射线性偏振光待标定的偏振方向并使得所述物镜所出射线性偏振光的消光比满足要求；然后测量所述物镜下方光斑的直径
D
，根据该光斑直径确定所述三轴位移台的在水平方向位移所产生的线距，所述线距包括行距和列距，所述线距的取值范围为
D/5
至
D/4
；步骤
S13、
测量所述光斑的平均功率，根据所述光斑的平均功率和飞秒激光重复频率确定激光的单脉冲能量和峰值功率密度；步骤
S14、
调节所述激光光源和所述功率衰减模块，使所述物镜聚焦光斑的峰值功率密度处于3‑
18TW/cm2的区间；步骤
S15、
调节脉冲密度，范围从
50p/um
‑
300p/um
；步骤
S16、
变更步骤
S12
至步骤
S15
所对应参数在相应范围的具体取值，筛选出制备样品中衍射效率＞
95
％且
P
偏振和
S
偏振方向的偏振透射差＜5％的单层纳米泡的各个参数组合，其中，衍射效率＝改性区域的透过率
/
未改性区域的透过率；
P
偏振和
S
偏振方向的偏振透射差＝
P

【专利技术属性】
技术研发人员：程文治，代林茂，张兆兴，李晓春，
申请(专利权)人：长沙麓邦光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：