CN110303244A - 一种快速制备表面周期结构方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种快速制备表面周期结构方法，包括中心线重合、且依次布设的飞秒激光器和扩束***，设置在飞秒激光器与扩束***之间、且沿光线传输方向依次布设的半波片和格兰泰勒棱镜，以及设置在扩束***后、用于形成尺寸可调的空心聚焦光束的空心聚焦元器件。制备表面周期结构方法包括以下步骤：利用飞秒激光器产生激光束，并经半波片调整入射的激光束的激光强度和经格兰泰勒棱镜调整激光束的偏振方向；利用扩束***扩展激光束；调整空心聚焦元器件的物距，以连续改变空心聚焦光束半径并进行极坐标径向扫描。通过上述方案，本发明具有结构简单、制备效率高等优点，在微纳结构制备技术领域具有很高的实用价值和推广价值。

Description

一种快速制备表面周期结构方法
技术领域
本发明涉及微纳结构制备技术领域，尤其是一种快速制备表面周期结构方法。
背景技术
飞秒激光，是一种以脉冲形式运转的激光，其持续时间非常短，一飞秒就是10的负15次方秒，也就是1/1000万亿秒，它比利用电子学方法所获得的最短脉冲要短几千倍；另外，飞秒激光具有非常高的瞬时功率，可达到百万亿瓦，；不仅如此，其能聚焦到比头发的直径还要小的空间区域，使电磁场的强度比原子核对其周围电子的作用力还要高数倍。
在飞秒激光辐射材料表面时，通过可类比非线性反馈达到极高精度锁模激光器的非线性反馈机制，可以无缝地在金属薄膜表面、块状材料或弯曲表面上自组装形成精确光栅周期的金属氧化物纳米结构(Laser Induced Periodic Surface Structure,LIPSS)。这种非线性反馈机制针对缺陷和扰动的鲁棒性程度很高，且需要将入射飞秒激光聚焦到数十个波长以内，还需要控制扫描速度。目前，LIPSS均采用小焦斑实心高斯光束，以一种二维运动扫描的方式进行精确周期纳米结构的组装，制作速度缓慢，严重影响了大面积周期结构的制作效率。
因此，急需要提出一种快速制备表面周期结构方法，其通过连续改变空心聚焦光束半径进行径向扫描的方式在保留激光诱导表面周期结构非线性反馈机制的同时，还能大幅提高表面周期结构的制备效率，对大面积光学器件制作、材料改性等领域的应用具有重要作用。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种快速制备表面周期结构方法，本发明采用的技术方案如下：
一种快速制备表面周期结构方法，包括中心线重合、且依次布设的飞秒激光器和扩束***，设置在飞秒激光器与扩束***之间、且沿光线传输方向依次布设的半波片和格兰泰勒棱镜，以及设置在扩束***后、用于形成尺寸可调的空心聚焦光束的空心聚焦元器件。
制备表面周期结构方法，包括以下步骤：
步骤S1，利用飞秒激光器产生激光束，并经半波片调整入射的激光束的激光强度和经格兰泰勒棱镜调整激光束的偏振方向；
步骤S2，利用扩束***扩展步骤S1中的激光束；
步骤S3，调整空心聚焦元器件的物距，以连续改变空心聚焦光束半径并进行极坐标径向扫描。
进一步地，所述快速制备表面周期结构方法，还包括设置在飞秒激光器与半波片之间的电子快门。
优选地，所述空心聚焦元器件发射的尺寸可调的空心聚焦光束为圆形、多边形或椭圆形其中之一。
更进一步地，所述空心聚焦元器件发射的尺寸可调的空心聚焦光束为圆形，所述空心聚焦元器件为环聚焦波带片，且所述环聚焦波带片上设置有以中心为圆心的数个同心的透光环带；
数个所述透光环带的半径关系满足：
其中，d表示理论涉及的环半径，f表示环聚焦波带片的焦距，λ表示入射光的波长，n表示光环带数；
所述光环带数n＝0即为最内层的透光环带。
优选地，所述飞秒激光器为微波、太赫兹、红外光、可见光、紫外光、X射线其中之一的电磁波段。
优选地，所述空心聚焦元器件为产生空心光束的环聚焦波带片、相位片、环缝透镜、光纤、轴棱锥其中之一。
优选地，所述环聚焦波带片为可见光透明基底或对可见光不透明基底。
更进一步地，所述步骤S1中，将格兰泰勒棱镜沿激光束的轴向连续均匀旋转，以调整入射的激光束的偏振方向。
优选地，所述激光源为点光源、所述环聚焦波带片的物距为oz、且oz＞f时，环聚焦波带片的像距为待辐射材料的表面产生的空心光束半径为
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明巧妙地设置半波片和格兰泰勒棱镜组合，以便精确控制入射激光强度和偏振方向；其中，半波片可以任意改变入射飞秒激光的线偏振方向，再配合格兰泰勒棱镜检偏，可以连续调整入射激光的光强。
(2)本发明巧妙地利用光学元器件产生尺寸可调的空心聚焦光束，通过连续改变空心聚焦光束半径进行极坐标径向扫描；其基于激光诱导表面周期结构(LIPSS)非线性反馈机制，入射脉冲被已存在的纳米结构或表面缺陷散射，散射光和入射光干涉导致邻近散射点的光强强度发生变化，在光强超过材料消融阈值的区域，材料与空气中的氧气反应形成新的氧化物纳米结构。通过控制空心聚焦光斑尺寸以及径向扫描速度，保证所生成纳米结构的图形质量。
(3)本发明受LIPSS非线性反馈机制的影响，环形聚焦光斑区域的纳米结构是由环内已有的纳米结构诱导生成，即通过这种扫描机制制作的纳米光栅结构均直接或间接的由圆心处诱导生成，保证了大面积周期结构的一致性。
(4)本发明与小焦斑二维运动扫描的方式相比，本发明通过连续改变空心聚焦光束半径进行径向扫描的方法在保留激光诱导表面周期结构非线性反馈机制的同时，还能够大幅提高表面周期结构的制备速度，提升幅度与样品尺寸成正比，具有无可比拟的优势。
(5)本发明巧妙地设置空心聚焦元器件，其可选用环聚焦波带片，其能够对复色光源进行单色化，并形成单一波长的空心聚焦圆环，可根据需求设计产生任意半径的环聚焦空心光束；其设计原理与空间光调制器相结合，无需实际制作元器件，即可产生任意需要半径的环聚焦空心光束。
综上所述，本发明具有结构简单、制备效率高等优点，在微纳结构制备技术领域具有很高的实用价值和推广价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需使用的附图作简单介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定，对于本领域技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明的工作光路示意图。
图2为本发明的实心焦斑二维运动扫描和空心光束径向扫描比较图。
图3为本发明的环聚焦波带片的设计原理。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更为清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
实施例
如图1至图3所示，本实施例提供了一种快速制备表面周期结构方法，包括中心线重合、且依次布设的飞秒激光器、电子快门、半波片、格兰泰勒棱镜、扩束***和空心聚焦元器件。其中，空心聚焦元器件发射的尺寸可调的空心聚焦光束可以是圆形、多边形或椭圆形。另外，飞秒激光器为微波、太赫兹、红外光、可见光、紫外光、X射线其中之一的电磁波段。
在本实施例中，空心聚焦元器件发射的尺寸可调的空心聚焦光束优选地为圆形，所述空心聚焦元器件为环聚焦波带片，且所述环聚焦波带片上设置有以中心为圆心的数个同心的透光环带，其中，环聚焦波带片为可见光透明基底或对可见光不透明基底。
数个所述透光环带的半径关系满足：
其中，d表示理论涉及的环半径，f表示环聚焦波带片的焦距，λ表示入射光的波长，n表示光环带数；
当飞秒激光器为点光源、所述环聚焦波带片的物距为oz、且oz＞f时，环聚焦波带片的像距为待辐射材料的表面产生的空心光束半径为
下面简要说明环聚焦波带片的设计原理：
图3(a)由一组同心环带构成菲涅耳波带片，其是一种变间距光栅绕波带片中轴线旋转而成图3(b)，其焦点位于中轴线上，且相邻环带到焦点的光程差为λ/2(λ为波带片入射光波长)。图3(c)为图3(b)所示的一维菲涅耳波带片焦平面上的光强分布模拟图，可以很清楚的看到一个单焦点。本实施例将图3(b)中的一维波带片先平移d，再取其一边以其原中轴线(图中虚线)做对称，并得到图3(e)中的新的一维波带片。此一维波带片将与图3(b)所示的原波带片具备同样的焦距，其焦平面上应有两个距离为2d的焦点。本实施例利用基尔霍夫衍射公式对一维结构焦平面上的光强分布进行了数值模拟，模拟结果如图3(f)所示。从图3(f)中可以很明显看到两个焦点，其间距为2d，与理论预期一致。因此，若将图3(f)一维结构其绕轴线旋转，即可得到图3(d)所示的环聚焦的波带片，其可产生内径为2d的空心光束；以此类推，便可获得数个同心的透光环带的环聚焦波带片。
下面简要说明制备表面周期结构方法，包括以下步骤：
第一步，利用飞秒激光器产生激光束，并经半波片调整入射的激光束的激光强度和经格兰泰勒棱镜调整激光束的偏振方向；在此，将格兰泰勒棱镜沿激光束的轴向连续均匀旋转，以调整入射的激光束的偏振方向。
第二步，利用扩束***扩展第一步中的激光束；
第三步，调整空心聚焦元器件的物距，以连续改变空心聚焦光束半径并进行极坐标径向扫描。
在本实施例中，飞秒激光光源发出的激光束经电子快门后进入加工光路。光束首先经过半波片和格兰泰勒棱镜组合，以便精确控制入射激光强度和偏振方向。半波片可以任意改变入射飞秒激光的线偏振方向，再配合格兰泰勒棱镜检偏，可以连续调整入射激光的光强。入射的飞秒激光经过扩束***扩束后最后经空心聚焦元器件聚焦成空心光束入射到样品上。本实施例通过调节入射激光的光强以及空心聚焦元器件的物像距，实现空心光束的径向扫描。
本实施例给出了实心焦斑二维运动扫描和空心光束径向扫描的工作方式的比较。实心焦斑二维运动扫描需要将样品置于二维工作台上并随之进行二维运动，随着激光焦斑在样品上的移动，样品表面纳米结构不断的生成。空心光束径向扫描则是通过连续改变环聚焦半径进行径向扫描，从而制作表面的周期结构。若制作尺寸为L×L的表面周期结构，聚焦光斑尺寸均为w，扫描速度为v，则基于实心高斯光束的二维运动扫描所需时间为L2/wv，基于空心光束的径向扫描所需时间为相对于二维运动扫描，径向扫描的效率提升了倍，表面周期结构尺寸越大，其效率提升幅度越大。LIPSS的扫描速度一般～10μm/s，若光栅尺寸L～1000mm，则其效率将提升～105量级。综上所述，本发明具有突出的实质性特点和显著的进步，在微纳结构制备技术领域具有很高的实用价值和推广价值。
上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而作出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种快速制备表面周期结构方法，包括中心线重合、且依次布设的飞秒激光器和扩束***，其特征在于，还包括设置在飞秒激光器与扩束***之间、且沿光线传输方向依次布设的半波片和格兰泰勒棱镜，以及设置在扩束***后、用于形成尺寸可调的空心聚焦光束的空心聚焦元器件；
制备表面周期结构方法，包括以下步骤：
步骤S1，利用飞秒激光器产生激光束，并经半波片调整入射的激光束的激光强度和经格兰泰勒棱镜调整激光束的偏振方向；
步骤S2，利用扩束***扩展步骤S1中的激光束；
步骤S3，调整空心聚焦元器件的物距，以连续改变空心聚焦光束半径并进行极坐标径向扫描。
2.根据权利要求1所述的一种快速制备表面周期结构方法，其特征在于，还包括设置在飞秒激光器与半波片之间的电子快门。
3.根据权利要求1所述的一种快速制备表面周期结构方法，其特征在于，所述空心聚焦元器件发射的尺寸可调的空心聚焦光束为圆形、多边形或椭圆形其中之一。
4.根据权利要求3所述的一种快速制备表面周期结构方法，其特征在于，所述空心聚焦元器件为产生空心光束的环聚焦波带片、相位片、环缝透镜、光纤、轴棱锥其中之一。
5.根据权利要求4所述的一种快速制备表面周期结构方法，其特征在于，所述空心聚焦元器件发射的尺寸可调的空心聚焦光束为圆形，所述空心聚焦元器件为环聚焦波带片，且所述环聚焦波带片上设置有以中心为圆心的数个同心的透光环带；
数个所述透光环带的半径关系满足：
其中，d表示理论涉及的环半径，f表示环聚焦波带片的焦距，λ表示入射光的波长，n表示光环带数；
所述光环带数n＝0即为最内层的透光环带。
6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的一种快速制备表面周期结构方法，其特征在于，所述飞秒激光器为微波、太赫兹、红外光、可见光、紫外光、X射线其中之一的电磁波段。
7.根据权利要求5所述的一种快速制备表面周期结构方法，其特征在于，所述环聚焦波带片为可见光透明基底或对可见光不透明基底。
8.根据权利要求6所述的一种快速制备表面周期结构方法，其特征在于，所述步骤S1中，将格兰泰勒棱镜沿激光束的轴向连续均匀旋转，以调整入射的激光束的偏振方向。
9.根据权利要求5所述的一种快速制备表面周期结构方法，其特征在于，所述飞秒激光器为点光源、所述环聚焦波带片的物距为oz、且oz＞f时，环聚焦波带片的像距为待辐射材料的表面产生的空心光束半径为
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