CN105259666A - 一种基于动态调控的焦场轨迹制作微结构的装置 - Google Patents

Abstract

一种基于动态调控的焦场轨迹制作微结构的装置。包括飞秒激光器、动态飞秒矢量光场阵列产生及调控***和紧聚焦微加工***。工作原理是：在空间光调制器上加载全息光栅来生成矢量光场阵列，经显微物镜聚焦，获得具有特定光强分布的紧聚焦焦场。通过设计动态变化的全息光栅来获得动态变化的矢量光场阵列，其经紧聚焦后可产生随时间变化的、呈现特定形状(如四边形、八边形、风扇叶形等)的焦场轨迹。基于生成的焦场轨迹即可获得与焦场轨迹对应的微结构。本发明相比于其他制作微纳结构的方法具有无需样品或光源移动的独特优点，制作的微结构接近波长量级，可加工任意设计的二维/三维微结构，在制作微结构时具有高效、可重复性高、稳定性好等优点。

Description

一种基于动态调控的焦场轨迹制作微结构的装置

技术领域

本发明属于光场偏振调控及飞秒激光微纳加工领域，具体涉及利用动态调控的飞秒矢量光场阵列调控焦场轨迹并基于此进行微纳加工的装置和方法。

背景技术：

过去十几年内，随着飞秒激光技术的不断发展，飞秒激光微纳加工的应用越来越广泛。飞秒激光凭借其固有的超短和超强特性，较传统长脉冲激光在微细加工方面具有许多不可比拟的独特优势：加工过程的非热熔性、加工程度的准确性、加工尺寸的亚微米特性、加工材料的广泛性等，因而被广泛用来加工金属、半导体以及介质材料等。同时，飞秒激光微加工技术也是一种在透明材料中制作二维或三维结构的方法。但是，飞秒激光微纳加工也有加工效率低的特点，这是由于一般的激光加工都是基于单光斑扫描的方式进行加工。为了提高加工的效率，可以采用多光束或多光束干涉的干涉光斑进行并行加工，但是这些方法的缺点是在加工复杂的二维/三维微结构时缺乏灵活性。

偏振作为光场的一个重要属性，在光的调控中起到非常重要的作用。最近几年，对光场的空域调控，尤其对偏振态的空域调控，已取得了一些重要进展，并已成为广受关注的研究领域。矢量光场或非均匀偏振光场，即在光场波阵面上不同位置具有不同偏振态的光场，作为一类极为重要的空间结构光场，其非均匀偏振分布导致新颖的时空演化行为和许多不同于标量光场的新奇特性。径向偏振光场可以被紧聚焦成0.16λ²超衍射极限的远场焦斑，而在相同条件下线偏振光场只能实现0.26λ²的聚焦斑。利用光场偏振态和位相的联合调控，可建立携带涡旋位相的旋向(角向)偏振矢量光场，紧聚焦后可获得更小的超衍射极限远场焦斑。特别地，紧聚焦径向偏振光场可生成强的纵向电场分量(简称为纵向场，即其偏振方向沿着轴向)。最近，飞秒矢量光场已被用于在固体材料表面制备亚波长的微纳结构。对于单个的矢量光场，在紧聚焦条件下一般只产生一个聚焦斑，而单个焦斑的微纳加工其加工效率是目前面临的一个重要挑战。但是，对于由多个单个矢量光场组成的矢量光场阵列，由于可以单独设计每个矢量光场的偏振态分布及其空间排布，因此可以实现对焦场的三维调控进而获得多焦斑，因而在提高微纳加工的效率方面有着非常大的应用潜力[K.Lou,S.X.Qian,Z.C.Ren,C.H.Tu,Y.N.Li,andH.T.Wang,“FemtosecondLaserProcessingbyUsingPatternedVectorOpticalFields,”Sci.Rep.3,2281(2013)；M.Q.Cai,C.H.Tu,H.H.Zhang,S.X.Qian,K.Lou,Y.N.Li,andH.T.Wang,“Subwavelengthmultiplefocalspotsproducedbytightfocusedthepatternedvectoropticalfields,”Opt.Express21,31469–31482(2013).]。

基于矢量光场阵列中单个矢量光场的偏振态分布及矢量光场阵列的空间排布的设计，可以获得不同的紧聚焦焦场分布。比如，设计一种矢量光场阵列，其紧聚焦时可以产生按正六边形排布的六个聚焦斑，若要用此聚焦场进行微纳加工，则一次可以加工六个点，如果要加工一个圆形的结构，设想让这六个点绕中心点随时间慢慢旋转60°，这样会产生一个圆形的随时间变化的焦斑轨迹，基于它则可以加工出一个圆形。若需要加工一个正六边形，则需要在旋转这六个焦斑的过程中，使焦斑轨迹呈现六边形即可，而这可以通过动态设计加载在空间光调制器上的全息光栅来实现。依据和此类似的方法，可以实现其他复杂微结构的加工和制备。因此基于动态调控的飞秒矢量光场阵列一方面可以方便的实现对复杂微纳结构的加工，另一方面还可以大幅提高微纳加工的效率。更重要的是，在微纳加工的过程中，不需要样品和光束的移动，而这一切仅需要动态改变加载在空间光调制器上的全息光栅就可实现，基于这种动态调控的焦场轨迹加工微结构的方法目前尚未查到相关专利申请。

发明内容

发明目的是为了解决目前飞秒激光微纳加工时需要对样品进行复杂的移动控制以及加工效率低下的问题，提供一种基于动态调控飞秒矢量光场阵列的复杂微纳结构高效加工的装置和方法。

技术方案：

一种基于动态调控的焦场轨迹制作复杂微纳结构的装置，该装置包括：飞秒激光器、动态飞秒矢量光场阵列的生成及调控***和紧聚焦微加工***。

动态飞秒矢量光场阵列的生成及调控***包括：沿光轴方向依次布置的空间光调制器(4)、4f***前置透镜(5)、空间滤波器(6)、1/4波片(7)、4f***后置透镜(8)、朗奇光栅(9)以及用于产生和动态控制全息光栅的计算机***(14)。

紧聚焦微加工***包括：显微物镜(11)、样品(12)和样品三维移动平台(13)；

飞秒激光器(1)输出的飞秒激光经由1/2波片(2)和偏振分束器(3)组成的可变衰减器对激光能量进行控制，然后垂直入射至空间光调制器(4)，空间光调制器上加载由计算机***(14)生成并动态控制的全息光栅，通过空间光调制器后衍射的线偏振光经4f***前置透镜(5)进行汇聚，利用处在4f***前置透镜的频谱面上的空间滤波器(6)分别选取正、负一级的衍射光，然后各自经过一个1/4波片(7)转化成携带涡旋相位的左、右旋圆偏振光，再经4f***后置透镜(8)汇聚后入射至朗奇光栅(9)，经朗奇光栅合束后获得动态调控的飞秒矢量光场阵列。所获得的动态调控飞秒矢量光场阵列经反射镜(10)反射后入射至显微物镜(11)进行聚焦，聚焦光束辐照在样品(12)表面或内部(透明材料)进行微纳结构的加工，样品可根据需要由三维移动平台(13)进行三维精确控制移动，对移动平台的控制由与之相连的计算机***(14)来实施。

所述的飞秒激光器(1)的中心波长为775～810nm、脉冲宽度为50～150fs、重复频率为1～5kHz。

所述的经计算机***(14)加载到空间光调制器(4)的全息光栅在微加工过程随时间动态变化以生成动态调控的飞秒矢量光场阵列，进而产生所需的随时间变化的焦场轨迹；制备的微纳结构的形状可以由焦场轨迹的设计进行控制。

所述的样品(12)可以是金属、半导体或介质材料(在表面进行微纳加工)，也可以是透明固体材料(如玻璃、融石英、铌酸锂或周期极化铌酸锂等，在内部或表面进行微纳加工)。

本发明的优点和有益效果

(1)本发明加工的微纳结构的形状可以由焦场轨迹的设计和动态控制来实现，因此可以实现复杂微纳结构的制备和加工；

(2)本发明基于矢量光场阵列的偏振调控从而产生多焦斑的紧聚焦焦场，并基于多焦斑进行微加工，提高了微纳加工的效率；

(3)本发明在加工单个微纳结构时，无需样品或光束的移动，只需动态调控加载到空间光调制器上的全息光栅即可。本发明技术成熟，步骤简单，稳定性强，可重复性高。

附图说明

图1是利用动态调控的飞秒矢量光场阵列制作微结构的装置示意图。

图2是基于矢量光场阵列的焦场轨迹调控示意图，(a)矢量光场阵列排布示意图及其描述参数，(b)图(a)中所示的矢量光场阵列的旋转，(c)由矢量光场阵列旋转导致的焦斑旋转示意图。

图3是基于动态调控矢量光场阵列的正六边形焦场轨迹形成过程示意图。第一行：旋转一定角度后的矢量光场阵列示意图，第二行：与第一行的矢量光场阵列对应的焦场分布，第三行：基于矢量光场阵列逐步旋转产生的正六边形焦场轨迹形成示意图。模拟条件：(a)r＝r₀，α＝0，(b)r＝1.10r₀，α＝π/15，(c)r＝1.15r₀，α＝2π/15，(d)r＝1.15r₀，α＝π/5，(e)r＝1.10r₀，α＝4π/15。

图4是正四边形焦场轨迹形成示意图，(a)矢量光场阵列排布示意图，(b)图(a)矢量光场阵列对应的焦斑分布，(c)矢量光场阵列逐步旋转π/2形成的正四边形焦斑轨迹。

图5是基于产生的正六边形(a)和正四边形(b)焦场轨迹在铌酸锂内部加工制备的相应微结构。第一行：模拟结果，第二行：实验结果。

图6是基于按四方晶系(a)、(b)和三方晶系排列(c)、(d)的矢量光场阵列产生的焦场轨迹及在铌酸锂内部加工制备的相应微结构。第一行：模拟结果，第二行：实验结果。

图7是基于正六边形焦斑轨迹在铌酸锂晶体内部制备的周期性正六边形微结构。

图8是基于正六边形焦斑轨迹在铌酸锂晶体内部制备的周期性二层内嵌正六边形微结构。

具体实施方式

现结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，应当指出，但本发明并不局限于这些实施例。

实施例1、基于动态调控的焦场轨迹制作微结构的装置

如图1所示，本发明提出的利用动态调控的飞秒矢量光场阵列制作微结构的装置包括：飞秒激光器、动态飞秒矢量光场阵列的生成及调控***、紧聚焦微加工***。

动态飞秒矢量光场阵列的生成及调控***包括：沿光轴方向依次布置的空间光调制器(4)、4f***前置透镜(5)、空间滤波器(6)、1/4波片(7)、4f***后置透镜(8)、朗奇光栅(9)以及用于产生和动态控制全息光栅的计算机***(14)。紧聚焦微加工***包括：显微物镜(11)、样品(12)和三维移动平台(13)。

飞秒激光器(1)输出的飞秒激光经由1/2波片(2)和偏振分束器(3)组成的可变衰减器对激光能量进行控制，然后垂直入射至空间光调制器(4)，空间光调制器上加载由计算机***(14)生成并动态控制的全息光栅，通过空间光调制器后衍射的线偏振光经4f***前置透镜(5)进行汇聚，利用处在4f***前置透镜的频谱面上的空间滤波器(6)分别选取正、负一级的衍射光，然后各自经过一个1/4波片(7)转化成携带涡旋相位的左、右旋圆偏振光，再经4f***后置透镜(8)汇聚后入射至朗奇光栅(9)，经朗奇光栅合束后获得动态调控的飞秒矢量光场阵列。由前述***获得的动态调控飞秒矢量光场阵列经反射镜(10)反射后入射至显微物镜(11)进行聚焦，聚焦光束辐照在样品(12)表面或内部(透明材料)进行微纳加工，样品可根据需要由三维移动平台(13)进行三维精确控制移动，对移动平台的控制由与之相连的计算机***(14)来实施。

实施例2、利用动态调控的飞秒矢量光场阵列制作微结构的原理和方法

飞秒激光经实施例1所述的动态飞秒矢量光场阵列的生成及调控***后，被入射至显微物镜进行聚焦，然后入射至样品表面或内部进行微纳加工，制备的微纳结构的形状或形貌由动态矢量光场紧聚焦焦场的焦斑轨迹所决定。下面将具体介绍基于动态矢量光场阵列进行微纳加工的原理。

如图2(a)所示，矢量光场阵列由一系列按照一定规律排列的单个矢量光场组成，每个矢量光场的偏振分布可以单独调控，而且它们的空间排布也可以按需设计。矢量光场阵列的描述可由笛卡尔坐标系(x,y)和斜坐标系(ξ，η)表示，其中斜坐标系(ξ，η)是类似晶格排列的坐标系，矢量光场阵列的对称性由ξ和η轴的夹角β来表示。

下面以一个特例来介绍焦斑轨迹的形成原理。如果构成矢量光场阵列的每个矢量光场均为旋向偏振的矢量光场，且其入射光场大小相同，当其排列为类似三阶晶系时，即β＝π/3，则紧聚焦后其焦场呈现为六个焦斑，如图2(c)中的实线小圆圈所示。当我们将图2(a)的矢量光场阵列整体旋转α角时，则其焦场的六个焦斑也旋转α角，当将矢量光场阵列逐步旋转π/3时，则可以获得如图2(c)中双点虚线所示的圆形焦斑轨迹。若想获得正六边形的焦斑轨迹，则在矢量光场阵列旋转的过程中，六个焦斑离焦场中心的距离r_s也需实时变化，其焦斑轨迹沿着预期的六边形边长移动就可(如图2(c)中的虚线小圆圈所示)，r_s的实时变化可由改变单个矢量光场的半径大小来实现。

对于正六边形来说，其边长上任一点到中心的距离r_s与其边长r_s0之间有如下关系：

$r_s=r_{s0}\frac{sin\frac{\mathrm{\π}}{3}}{sin(\frac{2\mathrm{\π}}{3}-\mathrm{\α})}\·---\left(1\right)$

由于r_s0的大小和单个矢量光场的光场大小成反比，因此可以得到输入光场的初始光场大小r₀和旋转过程中单个光场半径r的关系：

$r=r_0\frac{sin(\frac{2\mathrm{\π}}{3}-\mathrm{\α})}{\sin \frac{\mathrm{\π}}{3}}---\left(2\right)$

图3给出了正六边形焦场轨迹的形成示意图。图3(a)-(e)中对应的旋转角度α分别为0、π/15、2π/15、π/5和4π/15，第一行是矢量光场阵列的旋转，第二行是对应的焦斑的分布情况，第三行是形成的随时间变化的焦斑轨迹。当每次旋转的步长足够小(例如π/90)，则可获得非常均匀的焦斑轨迹。

改变矢量光场阵列的对称性参数β则会导致焦场分布的变化。如果构成矢量光场阵列的每个矢量光场均为旋向偏振的矢量光场，且其入射光场大小相同，当β＝π/2时，如图4(a)所示，则紧聚焦后其焦场如图4(b)中所示，呈现为四个焦斑。若要获得图4(c)所示的正四边形的焦斑轨迹，则由正四边形的几何关系，可得其边长上任一点到正方形的中心的距离r_s与其边长r_s0之间满足如下关系：

$r_s=r_{s0}\frac{sin\frac{\mathrm{\π}}{4}}{sin(\frac{3\mathrm{\π}}{4}-\mathrm{\α})}---\left(3\right)$

而输入光场的初始光场大小r₀和旋转过程中光场大小r随旋转角度α的关系则为：

$r=r_0\frac{sin(\frac{3\mathrm{\π}}{4}-\mathrm{\α})}{sin\frac{\mathrm{\π}}{4}}---\left(4\right)$

从图2至图4可知，若要获得其他形状的焦斑轨迹，则控制紧聚焦的焦斑移动路径(或轨迹)是非常重要的，而焦斑的轨迹可以通过设计矢量光场阵列的参数实现。基于这个方法，我们可以实现多种复杂的焦斑轨迹，如八角形、四叶形、扇叶形等焦场轨迹。另外，还可以实现上述结构嵌套的多层结构。

如上所述，基于精确设计的动态变化矢量光场阵列可以获得预期的焦斑轨迹，基于产生的焦斑轨迹可以加工制备相应的微纳结构。如果采用移动平台对样品进行简单的二维直线移动，还可以获得相应的周期性结构(如图8所示)。

加工实例一

以下结合本发明的基于动态调控的焦场轨迹制作复杂微结构的加工装置，在z切铌酸锂晶体内部加工正六边形和正四边形的微结构进行详细说明。

加工装置参照图1，入射的飞秒激光经空间光调制器和4f***后，基于波前重构原理由朗奇光栅合束生成矢量光场，与生成单个矢量光场不同的是，为了获得矢量光场阵列，在空间光调制器上加载的全息光栅也为阵列式的，光栅具有相同的周期和取向，全息光栅的排列模式和需要产生的矢量光场阵列具有相同的排列(见图2(a)所示)。当矢量光场阵列的排列呈现三角晶系(β＝π/3)或四方晶系(β＝π/2)时，在紧聚焦时分别可产生六个点(位于正六边形顶点位置)和四个点(位于正四边形顶点上)。为了产生正六边形或正四边形的焦场轨迹，加载到空间光调制器上的全息光栅阵列逐渐旋转直至旋转角度达π/3或π/2，在旋转的过程中，全息光栅阵列中的每个光栅的尺寸大小(产生的矢量光场阵列的单个光场大小由光栅大小直接决定)随着旋转的角度α按(2)式或(4)式变化。产生的矢量光场经NA＝0.75的显微物镜聚焦后形成正六边形和正四边形的焦场轨迹。在加工正六边形和正四边形的微结构时，铌酸锂样品固定不动，由产生的焦场轨迹对材料进行加工，以获得与此对应的正六边形和正四边形的微结构，如图5所示。图5中，上面一行是模拟的结果，下面一行是相应的实验结果。

加工实例二

上述的实例是根据公式(1)-(4)来控制焦场轨迹，从而获得正六边形和四方形的微纳结构。这里我们再给出其他形状微结构的制作。

由前面的介绍已知，如果要制备某种形状的微结构，则必须首先产生相应的焦场轨迹，根据焦场轨迹可计算在旋转过程中矢量光场阵列的单个光场的直径随旋转角度的变化。图6(a)和图6(b)中的正八边形和四叶草形状的焦场轨迹由按四方晶系排列的矢量光场阵列(β＝π/2)旋转π/2而获得，开始旋转前四个焦点分别位于焦场轨迹的上、下、左和右边的位置上。在图6(c)和图6(d)中六角星和扇叶形的焦场轨迹由按三角晶系排列的矢量光场阵列(β＝π/3)旋转π/3而获得。开始旋转前，图6(c)的六个焦点分别位于六角形的六个顶点上，而图6(d)的六个焦点分别位于六条螺旋线的最外侧。基于获得的焦场轨迹对铌酸锂内部进行微纳加工，获得了与之一致的微结构。

加工实例三

上述实例一和实例二都是针对加工单个微结构的，这里再给出基于我们发明的方法制备二维周期性微纳结构的例子。

在获得图5(a)所示的单个正六边形微结构的基础上，采用三维移动平台对样品进行简单的二维移动即可获得周期性的微结构。在制备周期结构时，移动平台沿相对于水平方向成60°的方向直线移动，两个正六边形微结构之间的移动距离为正六边形边长的二倍，所得实验结果如图7所示。

加工实例四

加工实例三中给出了制备的周期性正六边形微结构，这里再给出制备周期性二层嵌套式正六边形微结构。在制备二层嵌套的周期性微结构时，需要先分别制备单个的内外层正六边形微结构，然后按照和图7所示的单层周期微纳结构相同的方式移动样品平移台即可制作出二层嵌套的周期性微结构，实验结果如图8所示。需要指出的是，由于所制备的结构均为微米量级，因此需要采用精密二维/三维移动平台对样品进行移动以保证多个单元微结构的边能够完美重叠从而保持周期结构的完美。

Claims (4)

1.一种基于动态调控的焦场轨迹制作微结构的装置，其特征在于该装置包括：飞秒激光器、动态飞秒矢量光场阵列的生成及调控***和紧聚焦微加工***；

动态飞秒矢量光场阵列的生成及调控***包括：沿光轴方向依次布置的空间光调制器(4)、4f***前置透镜(5)、空间滤波器(6)、1/4波片(7)、4f***后置透镜(8)、朗奇光栅(9)以及用于产生和动态控制全息光栅的计算机***(14)；

紧聚焦微加工***包括：显微物镜(11)、样品(12)和样品三维移动平台(13)；

飞秒激光器(1)输出的飞秒激光经由1/2波片(2)和偏振分束器(3)组成的可变衰减器对激光能量进行控制，然后垂直入射至空间光调制器(4)，空间光调制器上加载由计算机***(14)生成并动态控制的全息光栅，通过空间光调制器后衍射的线偏振光经4f***前置透镜(5)进行汇聚，利用处在4f***前置透镜的频谱面上的空间滤波器(6)分别选取正、负一级的衍射光，然后各自经过一个1/4波片(7)转化成携带涡旋相位的左、右旋圆偏振光，再经4f***后置透镜(8)汇聚后入射至朗奇光栅(9)，经朗奇光栅合束后获得动态调控的飞秒矢量光场阵列；所获得的动态调控飞秒矢量光场阵列经反射镜(10)反射后入射至显微物镜(11)进行聚焦，聚焦光束辐照在样品(12)表面或内部进行微纳结构的加工，样品根据需要由三维移动平台(13)进行三维精确控制移动，对移动平台的控制由与之相连的计算机***(14)来实施。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述的微纳结构的加工是基于动态调控的飞秒矢量光场阵列随时间变化的焦场轨迹进行的；微纳结构的形状由焦场轨迹的设计进行控制。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述的动态调控的飞秒矢量光场阵列是由加载在空间光调制器上随时间变化的全息光栅来产生的。

4.根据权利要求1或2或3所述的装置，其特征在于所述飞秒激光器的中心波长为775～810nm、脉冲宽度为50～150fs、重复频率为1～5kHz。