CN103934576A - 一种飞秒激光诱导材料表面二维周期性结构的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光应用领域,尤其涉及一种飞秒激光诱导材料表面二维周期性结构的方法。本发明的方法,采用飞秒激光器产生近红外飞秒激光单脉冲,利用飞秒激光光学参量放大器将近红外飞秒激光单脉冲的波长调节在290-2600nm的范围内,然后利用迈克尔逊干涉仪结构的光路把激光单脉冲调制为偏振方向垂直的激光双脉冲,再利用连续衰减片调整激光双脉冲总能量不低于被加工样品的烧蚀阈值;之后调整光路使变波长垂直偏振双脉冲通过平凸透镜后沿垂直方向聚焦,移动待加工样品使激光焦点位于样品的上表面;最后控制待加工样品以设定的速度水平运动,即可在样品表面扫描出二维周期性结构。本发明能够在材料表面诱导出各种亚波长尺寸的均匀的二维周期性结构。
Description
技术领域
本发明涉及激光应用领域,尤其涉及一种飞秒激光诱导材料表面二维周期性结构的方法。
背景技术
激光诱导材料表面周期性结构具有防光反射和高疏水性等特点,在有机发光二极管、太阳能电池、自清洁表面等领域都有着广泛的应用。飞秒激光可以诱导出亚波长的周期性条纹结构,其周期方向与激光偏振方向互相垂直,然而通常情况下这种结构是一维的。在文献M.Huang,F.L.Zhao,T.Q.Jia,Y.Cheng,N.S.Xu,and Z.Z Xu:Nanotechnology.18,505301(2007)中,作者使用圆偏振光在ZnO表面制成了二维纳米颗粒结构;在文献T.H.Her,R.J.Finlay,C.Wu,S.Deliwala,and E.Mazur:Appl.Phys.Lett.73,1673(1998)中,作者将样品Si放置于气体环境Cl2和SF6条件下加工,得到了二维的圆柱以及圆锥结构,然而这些结构都是排布不规则的或者以一种自组织的方式形成于材料表面。虽然在文献T.Kondo,S.Matsuo,S.Juodkazis,V.Mizeikis,and H.Misawa:Appl.Phys.Lett.82,2758(2003)中,作者使用多光束干涉的方法得到了均匀排布的二维周期结构,但是这种方法需要调节光学延迟来保证两束光在时间和空间上严格相干。当要实现多束飞秒激光干涉时,上述装置的光路将更加复杂,更难于调节。
发明内容
本发明的目的是为了克服无法使用简单有效的方式获得均匀而且具有规则几何形貌的二维纳米结构的不足,提供一种通过偏振方向垂直的飞秒激光双脉冲的技术来制备表面二维周期性结构的方法,该方法同时改变入射激光波长,继而在材料上获得各种亚波长尺寸的表面二维周期性结构。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:
本发明的一种飞秒激光诱导材料表面二维周期性结构的方法,所述方法包括以下步骤:
步骤1)采用飞秒激光器产生近红外飞秒激光单脉冲,利用飞秒激光光学参量放大器将近红外飞秒激光单脉冲的波长调节在290-2600nm的范围内,然后利用迈克尔逊干涉仪结构的光路把激光单脉冲调制为偏振方向垂直的激光双脉冲,再利用连续衰减片调整激光双脉冲总能量不低于被加工样品的烧蚀阈值;
步骤2)调整光路使步骤1)中所得到的变波长垂直偏振双脉冲通过平凸透镜后沿垂直方向聚焦,移动待加工样品使激光焦点位于样品的上表面;
步骤3)控制待加工样品以设定的速度水平运动,即可在样品表面扫描出二维周期性结构。
进一步的,步骤1)中,双脉冲序列两个子脉冲之间的延时时间大于20ps。
进一步的,步骤2)中,借助CCD和白光光源实现样品的上表面成像并用以检测激光聚焦。
进一步的,步骤3)中,待加工样品的移动速度为200-1000μm/s。
进一步的,步骤3)中,可以使用氮气吹走材料表面喷溅出来的碎屑。
有益效果:
本发明通过改变入射激光波长,并利用偏振方向垂直的双脉冲序列,与传统的飞秒激光只能加工出一维周期性结构相比,能够在材料表面诱导出各种亚波长尺寸的均匀的二维周期性结构。
附图说明
图1是本发明飞秒激光变波长垂直偏振双脉冲加工方法的光路图。
其中,1-飞秒激光器;2-光学参量放大器;3-连续衰减片;4-第一光阑、7-第二光阑;13-第三光阑;5-偏振分光棱镜;6-偏振合光棱镜;8-第一反射镜、9-第二反射镜;10-第三反射镜;11-第四反射镜;12-机械平移台;14-光纤光谱仪;15-自相关仪;16-光学快门;17-光学快门控制***;18-二向色镜;19-平凸透镜;20-样品;21-移动平台;22-移动平台控制***;23-白光光源;24-CCD;25-氮气。
图2是本发明实施例所述的在Ge材料表面诱导的一维周期结构。
图3是本发明实施例所述的在Ge材料表面诱导的二维周期的圆锥结构。
图4是本发明实施例所述的在ZnO材料表面诱导的一维周期结构。
图5是本发明实施例所述的在ZnO材料表面诱导的二维周期的方块结构。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的内容作进一步说明。
实施例1:
以采用本发明的飞秒激光变波长垂直偏振双脉冲加工方法,在Ge材料表面诱导二维周期的圆锥结构为例,具体应用设备如下:
飞秒激光***1是美国光谱物理(Spectrum Physics)公司生产的激光器,激光波长800nm,脉冲宽度50fs,重复频率1KHz,单脉冲最大能量3mJ,光强分布为高斯型,线偏振。
光学参量放大器2为美国Light Conversion公司生产的TOPAS-C,可以将800nm的飞秒激光脉冲在290-2600nm波长范围内连续调节,调节精度为0.1nm。
迈克尔逊干涉仪结构组成部分包括:偏振分光棱镜5,偏振合光棱镜6,第一反射镜8,第二反射镜9,第三反射镜10,第四反射镜11,机械平移台12。通过调节机械平移台12的移动距离可以改变两个子脉冲间的延时。其中,机械平移台12调节范围为±25mm,调整精度为2um,则双脉冲延时调整范围为0—83ps(首尾子脉冲最大间隔时间),延时调节精度为6.6fs。
连续衰减片3为大恒光电GCC-3030圆形中性密度渐变滤光片,在可见光到红外光区内可通过调整镜片的旋转角度,改变吸收/反射光与透射光的比例来改变光衰减的大小,激光能量调节范围为1%—90%。
移动平台21为PI公司生产的HEXAPOD六自由度并联微运动机器人,在XY方向的移动精度为1-3μm,Z方向的移动精度为0.5-1μm,重复定位精度小于1μm。
具体加工步骤如下:
(1)利用飞秒激光器1产生800nm飞秒激光脉冲;关闭光学参量放大器2,不对激光波长作任何改变;激光脉冲穿过光阑4进入偏振分光棱镜5后分为两束偏振方向垂直的子脉冲光,其中反射光为S偏振光,透射光为P偏振光;S偏振光穿过光阑7经由第一反射镜8、第二反射镜9反射,P偏振光经由安装在机械平移台12上的第三反射镜10、第四反射镜11反射,之后两束子脉冲光通过偏振合光棱镜6合束,再通过光阑13对双脉冲光进行准直和限高;其中手动控制机械平移台12的移动距离,使两束子脉冲在合光棱镜处的光程差为12mm,即两个子脉冲间的延时时间为40ps,延时零点由自相关仪15确认;再利用连续衰减片3调整双脉冲光到达加工处的脉冲总能量为1.4μJ;
(2)将飞秒激光垂直偏振双脉冲穿过光学快门16、并通过二向色镜18沿垂直方向反射到物镜19中聚焦;待加工样品20水平固定在移动平台21上;借助CCD24和白光光源23成像,通过平台控制***22移动移动平台21使激光焦点位于水平放置的样品20的上表面,聚焦后的光斑半径为15.1μm,能量密度约为0.39J/cm2;
(3)利用光学快门控制***17打开光学快门16;之后通过平台控制***22控制移动平台21以200μm/s的速度水平运动,即可在样品20表面扫描出呈六边形分布的(如图3所示),其底部直径为350-450nm,高度为60-70nm,周期间隔为0.9-1μm,加工过程中使用氮气25吹走材料表面喷溅出来的碎屑,确保加工过后的结构表面干净整洁。
实施例2:
其他步骤与实施例1相同,不同之处在于:步骤(1)中通过光学参量放大器2调节激光波长为620nm,其中波长调节精度由光纤光谱仪14校正;二维周期的圆锥结构的周期间隔变为:700-780nm。
实施例3:
其他步骤与实施例1相同,不同之处在于:步骤(1)中通过光学参量放大器2调节激光波长为1000nm,其中波长调节精度由光纤光谱仪14校正;二维周期的圆锥结构的周期间隔变为:1.1-1.25μm。
实施例4:
以采用本发明的飞秒激光变波长垂直偏振双脉冲加工方法,在ZnO材料表面诱导二维周期的方块结构为例,具体应用设备如下:
飞秒激光***1是美国光谱物理(Spectrum Physics)公司生产的激光器,激光波长800nm,脉冲宽度50fs,重复频率1KHz,单脉冲最大能量3mJ,光强分布为高斯型,线偏振。
光学参量放大器2为美国Light Conversion公司生产的TOPAS-C,可以将800nm的飞秒激光脉冲在290-2600nm波长范围内连续调节,调节精度为0.1nm。
迈克尔逊干涉仪结构组成部分包括:偏振分光棱镜5,偏振合光棱镜6,第一反射镜8,第二反射镜9,第三反射镜10,第四反射镜11,机械平移台12。通过调节机械平移台12的移动距离可以改变两个子脉冲间的延时。其中,机械平移台12调节范围为±25mm,调整精度为2um,则双脉冲延时调整范围为0—83ps(首尾子脉冲最大间隔时间),延时调节精度为6.6fs。
连续衰减片3为大恒光电GCC-3030圆形中性密度渐变滤光片,在可见光到红外光区内可通过调整镜片的旋转角度,改变吸收/反射光与透射光的比例来改变光衰减的大小,激光能量调节范围为1%—90%。
移动平台21为PI公司生产的HEXAPOD六自由度并联微运动机器人,在XY方向的移动精度为1-3μm,Z方向的移动精度为0.5-1μm,重复定位精度小于1μm。
具体加工步骤如下:
(1)利用飞秒激光器1产生800nm飞秒激光脉冲;关闭光学参量放大器2,不对激光波长作任何改变;激光脉冲穿过光阑4进入偏振分光棱镜5后分为两束偏振方向垂直的子脉冲光,其中反射光为S偏振光,透射光为P偏振光;S偏振光穿过光阑7经由第一反射镜8、第二反射镜9反射,P偏振光经由安装在机械平移台12上的第三反射镜10、第四反射镜11反射,之后两束子脉冲光通过偏振合光棱镜6合束,再通过光阑13对双脉冲光进行准直和限高;其中手动控制机械平移台12的移动距离,使两束子脉冲在合光棱镜处的光程差为12mm,即两个子脉冲间的延时时间为40ps,延时零点由自相关仪15确认;再利用连续衰减片3调整双脉冲光到达加工处的脉冲总能量为10μJ;
(2)将飞秒激光垂直偏振双脉冲穿过光学快门16、并通过二向色镜18沿垂直方向反射到物镜19中聚焦;待加工样品20水平固定在移动平台21上;借助CCD24和白光光源23成像,通过平台控制***22移动移动平台21使激光焦点位于水平放置的样品20的上表面,聚焦后的光斑半径为15.1μm,能量密度约为2.8J/cm2;
(3)利用光学快门控制***17打开光学快门16;之后通过平台控制***22控制移动平台21以500μm/s的速度水平运动,即可在样品20表面扫描出尺寸均匀的二维周期的方块结构(如图5所示),其周期间隔为250-350nm。加工过程中使用氮气25吹走材料表面喷溅出来的碎屑,确保加工过后的结构表面干净整洁;
实施例5:
其他步骤与实施例4相同,不同之处在于:步骤(1)中通过光学参量放大器2调节激光波长为620nm,其中波长调节精度由光纤光谱仪14校正;二维周期的方块结构的周期间隔变为:190-270nm。
实施例6:
其他步骤与实施例4相同,不同之处在于:步骤(1)中通过光学参量放大器2调节激光波长为1000nm,其中波长调节精度由光纤光谱仪14校正;二维周期的方块结构的周期间隔变为:310-430nm。
实施例7:
以采用本发明的飞秒激光变波长垂直偏振双脉冲加工方法,在Si材料表面诱导二维周期的方块结构为例,具体应用设备如下:
飞秒激光***1是美国光谱物理(Spectrum Physics)公司生产的激光器,激光波长800nm,脉冲宽度50fs,重复频率1KHz,单脉冲最大能量3mJ,光强分布为高斯型,线偏振。
光学参量放大器2为美国Light Conversion公司生产的TOPAS-C,可以将800nm的飞秒激光脉冲在290-2600nm波长范围内连续调节,调节精度为0.1nm。
迈克尔逊干涉仪结构组成部分包括:偏振分光棱镜5,偏振合光棱镜6,第一反射镜8,第二反射镜9,第三反射镜10,第四反射镜11,机械平移台12。通过调节机械平移台12的移动距离可以改变两个子脉冲间的延时。其中,机械平移台12调节范围为±25mm,调整精度为2um,则双脉冲延时调整范围为0—83ps(首尾子脉冲最大间隔时间),延时调节精度为6.6fs。
连续衰减片3为大恒光电GCC-3030圆形中性密度渐变滤光片,在可见光到红外光区内可通过调整镜片的旋转角度,改变吸收/反射光与透射光的比例来改变光衰减的大小,激光能量调节范围为1%—90%。
移动平台21为PI公司生产的HEXAPOD六自由度并联微运动机器人,在XY方向的移动精度为1-3μm,Z方向的移动精度为0.5-1μm,重复定位精度小于1μm。
具体加工步骤如下:
(1)利用飞秒激光器1产生800nm飞秒激光脉冲;关闭光学参量放大器2,不对激光波长作任何改变;激光脉冲穿过光阑4进入偏振分光棱镜5后分为两束偏振方向垂直的子脉冲光,其中反射光为S偏振光,透射光为P偏振光;S偏振光穿过光阑7经由第一反射镜8、第二反射镜9反射,P偏振光经由安装在机械平移台12上的第三反射镜10、第四反射镜11反射,之后两束子脉冲光通过偏振合光棱镜6合束,再通过光阑13对双脉冲光进行准直和限高;其中手动控制机械平移台12的移动距离,使两束子脉冲在合光棱镜处的光程差为12mm,即两个子脉冲间的延时时间为40ps,延时零点由自相关仪15确认;再利用连续衰减片3调整双脉冲光到达加工处的脉冲总能量为0.8μJ;
(2)将飞秒激光垂直偏振双脉冲穿过光学快门16、并通过二向色镜18沿垂直方向反射到物镜19中聚焦;待加工样品20水平固定在移动平台21上;借助CCD24和白光光源23成像,通过平台控制***22移动移动平台21使激光焦点位于水平放置的样品20的上表面,聚焦后的光斑半径为15.1μm,能量密度约为0.23J/cm2;
(3)利用光学快门控制***17打开光学快门16;之后通过平台控制***22控制移动平台21以500μm/s的速度水平运动,即可在样品20表面扫描出尺寸均匀的二维周期的方块结构,其周期间隔为560-770nm。加工过程中使用氮气25吹走材料表面喷溅出来的碎屑,确保加工过后的结构表面干净整洁;
实施例8:
其他步骤与实施例7相同,不同之处在于:步骤(1)中通过光学参量放大器2调节激光波长为620nm,其中波长调节精度由光纤光谱仪14校正;二维周期的方块结构的周期间隔变为:430-590nm。
实施例9:
其他步骤与实施例7相同,不同之处在于:步骤(1)中通过光学参量放大器2调节激光波长为1000nm,其中波长调节精度由光纤光谱仪14校正;二维周期的方块结构的周期间隔变为:690-960nm。
实施例10:
以采用本发明的飞秒激光变波长垂直偏振双脉冲加工方法,在GaP材料表面诱导二维周期的方块结构为例,具体应用设备如下:
飞秒激光***1是美国光谱物理(Spectrum Physics)公司生产的激光器,激光波长800nm,脉冲宽度50fs,重复频率1KHz,单脉冲最大能量3mJ,光强分布为高斯型,线偏振。
光学参量放大器2为美国Light Conversion公司生产的TOPAS-C,可以将800nm的飞秒激光脉冲在290-2600nm波长范围内连续调节,调节精度为0.1nm。
迈克尔逊干涉仪结构组成部分包括:偏振分光棱镜5,偏振合光棱镜6,第一反射镜8,第二反射镜9,第三反射镜10,第四反射镜11,机械平移台12。通过调节机械平移台12的移动距离可以改变两个子脉冲间的延时。其中,机械平移台12调节范围为±25mm,调整精度为2um,则双脉冲延时调整范围为0—83ps(首尾子脉冲最大间隔时间),延时调节精度为6.6fs。
连续衰减片3为大恒光电GCC-3030圆形中性密度渐变滤光片,在可见光到红外光区内可通过调整镜片的旋转角度,改变吸收/反射光与透射光的比例来改变光衰减的大小,激光能量调节范围为1%—90%。
移动平台21为PI公司生产的HEXAPOD六自由度并联微运动机器人,在XY方向的移动精度为1-3μm,Z方向的移动精度为0.5-1μm,重复定位精度小于1μm。
具体加工步骤如下:
(1)利用飞秒激光器1产生800nm飞秒激光脉冲;关闭光学参量放大器2,不对激光波长作任何改变;激光脉冲穿过光阑4进入偏振分光棱镜5后分为两束偏振方向垂直的子脉冲光,其中反射光为S偏振光,透射光为P偏振光;S偏振光穿过光阑7经由第一反射镜8、第二反射镜9反射,P偏振光经由安装在机械平移台12上的第三反射镜10、第四反射镜11反射,之后两束子脉冲光通过偏振合光棱镜6合束,再通过光阑13对双脉冲光进行准直和限高;其中手动控制机械平移台12的移动距离,使两束子脉冲在合光棱镜处的光程差为12mm,即两个子脉冲间的延时时间为40ps,延时零点由自相关仪15确认;再利用连续衰减片3调整双脉冲光到达加工处的脉冲总能量为0.45μJ;
(2)将飞秒激光垂直偏振双脉冲穿过光学快门16、并通过二向色镜18沿垂直方向反射到物镜19中聚焦;待加工样品20水平固定在移动平台21上;借助CCD24和白光光源23成像,通过平台控制***22移动移动平台21使激光焦点位于水平放置的样品20的上表面,聚焦后的光斑半径为15.1μm,能量密度约为0.13J/cm2;
(3)利用光学快门控制***17打开光学快门16;之后通过平台控制***22控制移动平台21以500μm/s的速度水平运动,即可在样品20表面扫描出尺寸均匀的二维周期的方块结构,其周期间隔为520-680nm。加工过程中使用氮气25吹走材料表面喷溅出来的碎屑,确保加工过后的结构表面干净整洁;
实施例11:
其他步骤与实施例10相同,不同之处在于:步骤(1)中通过光学参量放大器2调节激光波长为620nm,其中波长调节精度由光纤光谱仪14校正;二维周期的方块结构的周期间隔变为:400-520nm。
实施例12:
其他步骤与实施例10相同,不同之处在于:步骤(1)中通过光学参量放大器2调节激光波长为1000nm,其中波长调节精度由光纤光谱仪14校正;二维周期的方块结构的周期间隔变为:640-840nm。
实施例13:
以采用本发明的飞秒激光变波长垂直偏振双脉冲加工方法,在GaAs材料表面诱导二维周期的方块结构为例,具体应用设备如下:
飞秒激光***1是美国光谱物理(Spectrum Physics)公司生产的激光器,激光波长800nm,脉冲宽度50fs,重复频率1KHz,单脉冲最大能量3mJ,光强分布为高斯型,线偏振。
光学参量放大器2为美国Light Conversion公司生产的TOPAS-C,可以将800nm的飞秒激光脉冲在290-2600nm波长范围内连续调节,调节精度为0.1nm。
迈克尔逊干涉仪结构组成部分包括:偏振分光棱镜5,偏振合光棱镜6,第一反射镜8,第二反射镜9,第三反射镜10,第四反射镜11,机械平移台12。通过调节机械平移台12的移动距离可以改变两个子脉冲间的延时。其中,机械平移台12调节范围为±25mm,调整精度为2um,则双脉冲延时调整范围为0—83ps(首尾子脉冲最大间隔时间),延时调节精度为6.6fs。
连续衰减片3为大恒光电GCC-3030圆形中性密度渐变滤光片,在可见光到红外光区内可通过调整镜片的旋转角度,改变吸收/反射光与透射光的比例来改变光衰减的大小,激光能量调节范围为1%—90%。
移动平台21为PI公司生产的HEXAPOD六自由度并联微运动机器人,在XY方向的移动精度为1-3μm,Z方向的移动精度为0.5-1μm,重复定位精度小于1μm。
具体加工步骤如下:
(1)利用飞秒激光器1产生800nm飞秒激光脉冲;关闭光学参量放大器2,不对激光波长作任何改变;激光脉冲穿过光阑4进入偏振分光棱镜5后分为两束偏振方向垂直的子脉冲光,其中反射光为S偏振光,透射光为P偏振光;S偏振光穿过光阑7经由第一反射镜8、第二反射镜9反射,P偏振光经由安装在机械平移台12上的第三反射镜10、第四反射镜11反射,之后两束子脉冲光通过偏振合光棱镜6合束,再通过光阑13对双脉冲光进行准直和限高;其中手动控制机械平移台12的移动距离,使两束子脉冲在合光棱镜处的光程差为12mm,即两个子脉冲间的延时时间为40ps,延时零点由自相关仪15确认;再利用连续衰减片3调整双脉冲光到达加工处的脉冲总能量为0.6μJ;
(2)将飞秒激光垂直偏振双脉冲穿过光学快门16、并通过二向色镜18沿垂直方向反射到物镜19中聚焦;待加工样品20水平固定在移动平台21上;借助CCD24和白光光源23成像,通过平台控制***22移动移动平台21使激光焦点位于水平放置的样品20的上表面,聚焦后的光斑半径为15.1μm,能量密度约为0.16J/cm2;
(3)利用光学快门控制***17打开光学快门16;之后通过平台控制***22控制移动平台21以500μm/s的速度水平运动,即可在样品20表面扫描出尺寸均匀的二维周期的方块结构,其周期间隔为550-750nm。加工过程中使用氮气25吹走材料表面喷溅出来的碎屑,确保加工过后的结构表面干净整洁;
实施例14:
其他步骤与实施例13相同,不同之处在于:步骤(1)中通过光学参量放大器2调节激光波长为620nm,其中波长调节精度由光纤光谱仪14校正;二维周期的方块结构的周期间隔变为:420-580nm。
实施例15:
其他步骤与实施例13相同,不同之处在于:步骤(1)中通过光学参量放大器2调节激光波长为1000nm,其中波长调节精度由光纤光谱仪14校正;二维周期的方块结构的周期间隔变为:680-940nm。
实施例16:
以采用本发明的飞秒激光变波长垂直偏振双脉冲加工方法,在InP材料表面诱导二维周期的方块结构为例,具体应用设备如下:
飞秒激光***1是美国光谱物理(Spectrum Physics)公司生产的激光器,激光波长800nm,脉冲宽度50fs,重复频率1KHz,单脉冲最大能量3mJ,光强分布为高斯型,线偏振。
光学参量放大器2为美国Light Conversion公司生产的TOPAS-C,可以将800nm的飞秒激光脉冲在290-2600nm波长范围内连续调节,调节精度为0.1nm。
迈克尔逊干涉仪结构组成部分包括:偏振分光棱镜5,偏振合光棱镜6,第一反射镜8,第二反射镜9,第三反射镜10,第四反射镜11,机械平移台12。通过调节机械平移台12的移动距离可以改变两个子脉冲间的延时。其中,机械平移台12调节范围为±25mm,调整精度为2um,则双脉冲延时调整范围为0—83ps(首尾子脉冲最大间隔时间),延时调节精度为6.6fs。
连续衰减片3为大恒光电GCC-3030圆形中性密度渐变滤光片,在可见光到红外光区内可通过调整镜片的旋转角度,改变吸收/反射光与透射光的比例来改变光衰减的大小,激光能量调节范围为1%—90%。
移动平台21为PI公司生产的HEXAPOD六自由度并联微运动机器人,在XY方向的移动精度为1-3μm,Z方向的移动精度为0.5-1μm,重复定位精度小于1μm。
具体加工步骤如下:
(1)利用飞秒激光器1产生800nm飞秒激光脉冲;关闭光学参量放大器2,不对激光波长作任何改变;激光脉冲穿过光阑4进入偏振分光棱镜5后分为两束偏振方向垂直的子脉冲光,其中反射光为S偏振光,透射光为P偏振光;S偏振光穿过光阑7经由第一反射镜8、第二反射镜9反射,P偏振光经由安装在机械平移台12上的第三反射镜10、第四反射镜11反射,之后两束子脉冲光通过偏振合光棱镜6合束,再通过光阑13对双脉冲光进行准直和限高;其中手动控制机械平移台12的移动距离,使两束子脉冲在合光棱镜处的光程差为12mm,即两个子脉冲间的延时时间为40ps,延时零点由自相关仪15确认;再利用连续衰减片3调整双脉冲光到达加工处的脉冲总能量为0.4μJ;
(2)将飞秒激光垂直偏振双脉冲穿过光学快门16、并通过二向色镜18沿垂直方向反射到物镜19中聚焦;待加工样品20水平固定在移动平台21上;借助CCD24和白光光源23成像,通过平台控制***22移动移动平台21使激光焦点位于水平放置的样品20的上表面,聚焦后的光斑半径为15.1μm,能量密度约为0.12J/cm2;
(3)利用光学快门控制***17打开光学快门16;之后通过平台控制***22控制移动平台21以500μm/s的速度水平运动,即可在样品20表面扫描出尺寸均匀的二维周期的方块结构,其周期间隔为590-750nm。加工过程中使用氮气25吹走材料表面喷溅出来的碎屑,确保加工过后的结构表面干净整洁;
实施例17:
其他步骤与实施例16相同,不同之处在于:步骤(1)中通过光学参量放大器2调节激光波长为620nm,其中波长调节精度由光纤光谱仪14校正;二维周期的方块结构的周期间隔变为:450-590nm。
实施例18:
其他步骤与实施例16相同,不同之处在于:步骤(1)中通过光学参量放大器2调节激光波长为1000nm,其中波长调节精度由光纤光谱仪14校正;二维周期的方块结构的周期间隔变为:730-930nm。
实施例19:
以采用传统的红外波段飞秒激光单脉冲加工方法,在Ge材料表面诱导一维周期结构为例,具体应用设备如下:
飞秒激光***1是美国光谱物理(Spectrum Physics)公司生产的激光器,激光波长800nm,脉冲宽度50fs,重复频率1KHz,单脉冲最大能量3mJ,光强分布为高斯型,线偏振。
连续衰减片3为大恒光电GCC-3030圆形中性密度渐变滤光片,在可见光到红外光区内可通过调整镜片的旋转角度,改变吸收/反射光与透射光的比例来改变光衰减的大小,激光能量调节范围为1%—90%。
移动平台21为PI公司生产的HEXAPOD六自由度并联微运动机器人,在XY方向的移动精度为1-3μm,Z方向的移动精度为0.5-1μm,重复定位精度小于1μm。
具体加工步骤如下:
(1)利用飞秒激光器1产生800nm飞秒激光脉冲;关闭光学参量放大器2,不对激光波长作任何改变;使用遮光板挡住S偏振子脉冲光;再利用连续衰减片3调整P偏振子脉冲光到达加工处的脉冲总能量为0.6μJ;
(2)将P偏振子脉冲光通过二向色镜18沿垂直方向反射到物镜19中聚焦;待加工样品20水平固定在移动平台21上;借助CCD24和白光光源23成像,通过平台控制***22移动移动平台21使激光焦点位于样品20的上表面,聚焦后的光斑半径为15.1μm,能量密度约为0.17J/cm2;
(3)利用光学快门控制***17打开光学快门16;之后通过平台控制***22控制移动平台21以200μm/s的速度水平运动,即可在样品20表面扫描出与偏振方向垂直的一维周期结构,周期间隔为:650-780nm(如图2所示),加工过程中使用氮气25吹走材料表面喷溅出来的碎屑,确保加工过后的结构表面干净整洁。
实施例20:
以采用传统的红外波段飞秒激光单脉冲加工方法,在ZnO材料表面诱导一维周期结构为例,具体应用设备如下:
飞秒激光***1是美国光谱物理(Spectrum Physics)公司生产的激光器,激光波长800nm,脉冲宽度50fs,重复频率1KHz,单脉冲最大能量3mJ,光强分布为高斯型,线偏振。
连续衰减片3为大恒光电GCC-3030圆形中性密度渐变滤光片,在可见光到红外光区内可通过调整镜片的旋转角度,改变吸收/反射光与透射光的比例来改变光衰减的大小,激光能量调节范围为1%—90%。
移动平台21为PI公司生产的HEXAPOD六自由度并联微运动机器人,在XY方向的移动精度为1-3μm,Z方向的移动精度为0.5-1μm,重复定位精度小于1μm。
具体加工步骤如下:
(1)利用飞秒激光器1产生800nm飞秒激光脉冲;关闭光学参量放大器2,不对激光波长作任何改变;使用遮光板挡住S偏振子脉冲光;再利用连续衰减片3调整P偏振子脉冲光到达加工处的脉冲总能量为10μJ;
(2)将P偏振子脉冲光通过二向色镜18沿垂直方向反射到物镜19中聚焦;待加工样品20水平固定在移动平台21上;借助CCD24和白光光源23成像,通过平台控制***22移动移动平台21使激光焦点位于样品20的上表面,聚焦后的光斑半径为15.1μm,能量密度约为2.8J/cm2;
(3)利用光学快门控制***17打开光学快门16;之后通过平台控制***22控制移动平台21以500μm/s的速度水平运动,即可在样品20表面扫描出与偏振方向垂直的一维周期结构,周期间隔为:630-730nm(如图4所示),加工过程中使用氮气25吹走材料表面喷溅出来的碎屑,确保加工过后的结构表面干净整洁。
由实施例1—20比较可见:
(1)在0.39J/cm2的能量密度下,使用波长800nm的偏振方向垂直的双脉冲(两个子脉冲之间延迟时间40ps),以200μm/s的扫描速度在Ge材料表面诱导出了呈六边形分布的二维周期的圆锥结构,其底部直径为350-450nm,高度为60-70nm,周期为0.9-1μm。
(2)在稍高于材料烧蚀阈值的能量密度下,使用波长800nm的偏振方向垂直的双脉冲(两个子脉冲之间延迟时间40ps),以200-1000μm/s的扫描速度在ZnO、Si、GaP、GaAs和InP等半导体材料上诱导出了尺寸均匀的二维周期的方块结构,这种二维规则结构的周期分别为250-350nm、560-770nm、520-680nm、550-750nm和590-750nm。
(3)将入射激光波长在290-2600nm的范围内进行调节,所获得的二维结构周期Λ与波长λ呈线性关系,满足公式Λ=λ/n或Λ=λ/2n,其中n为材料的折射率。
Claims (5)
1.一种飞秒激光诱导材料表面二维周期性结构的方法,其特征是所述方法包括以下步骤:
步骤1)采用飞秒激光器产生近红外飞秒激光单脉冲,利用飞秒激光光学参量放大器将近红外飞秒激光单脉冲的波长调节在290-2600nm的范围内,然后利用迈克尔逊干涉仪结构的光路把激光单脉冲调制为偏振方向垂直的激光双脉冲,再利用连续衰减片调整激光双脉冲总能量不低于被加工样品的烧蚀阈值;
步骤2)调整光路使步骤1)中所得到的变波长垂直偏振双脉冲通过平凸透镜后沿垂直方向聚焦,移动待加工样品使激光焦点位于样品的上表面;
步骤3)控制待加工样品以设定的速度水平运动,即可在样品表面扫描出二维周期性结构。
2.如权利要求1所述的一种飞秒激光诱导材料表面二维周期性结构的方法,其特征是:步骤1)中,双脉冲序列两个子脉冲之间的延时时间大于20ps。
3.如权利要求1所述的一种飞秒激光诱导材料表面二维周期性结构的方法,其特征是:步骤2)中,借助CCD和白光光源实现样品的上表面成像并用以检测激光聚焦。
4.如权利要求1所述的一种飞秒激光诱导材料表面二维周期性结构的方法,其特征是:步骤3)中,待加工样品的移动速度为200-1000μm/s。
5.如权利要求1所述的一种飞秒激光诱导材料表面二维周期性结构的方法,其特征是:步骤3)中,使用氮气吹走材料表面喷溅出来的碎屑。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20140723 |