CN109926712A - 一种飞秒激光双光束干涉制备周期纳米结构的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种飞秒激光双光束干涉制备周期纳米结构的装置和方法，其中，装置包括光源、电子快门、半波片、格兰棱镜、分束片、反射镜、延时光路系统、四分之一波片、会聚透镜和样品；分束片将光源产生的飞秒激光脉冲分成透射光束和反射光束，样品设置在透射光束和反射光束的末端，透射光束和反射光束在样品上共焦。本发明通过调节延时光路系统,使得透射光束和反射光束同时到达样品，并在样品上制备周期纳米结构。
Description
技术领域
本发明涉及飞秒激光微纳加工领域，是一种方便快捷地制备周期性纳米结构的装置和方法，主要适用于激光纳米加工、材料改性等方面。
背景技术
材料表面周期纳米结构的制备在材料改性、光子晶体、光存储等方面都具有重要的作用。激光干涉技术由于工艺简单并且成本低廉而得到了广泛的应用。激光双光束干涉产生明暗相间的条纹，通过曝光、显影等一系列工艺，将干涉产生的光强花样刻印在光敏材料上，从而制备规则的周期结构。利用双光束干涉可以制备一维光栅结构，或通过多次曝光制备二维、三维周期结构。
飞秒激光脉冲具有超短、超强的特点，在与物质相互作用的过程中产生许多奇异的现象。飞秒激光照射金属、半导体和电介质等材料后，能够诱导周期纳米结构，纳米结构尺寸远小于激光波长。这突破了激光加工的衍射极限，在激光纳米加工、可见光波段光子晶体制备及超高密度光存储等方面具有应用潜力。同时，激光偏振状态决定了纳米结构形状，线偏振光诱导垂直于偏振方向的纳米条纹，圆偏振光诱导纳米颗粒。
现有激光双光束干涉技术制备的周期结构花样仅决定于激光干涉的光强分布，同偏振双光束干涉场的光强呈明暗相间的光栅状周期性分布，常用于制备一维光栅结构，理论周期最小为λ/2，较难应用于纳米结构的制备。由干涉理论可知，正交偏振的双光束不相干，在干涉场中光强均匀分布，从而不能应用于周期性结构的制备。
发明内容
本发明为了弥补传统激光双光束干涉技术中花样单调，缺乏灵活性的不足，提供一种飞秒激光双光束干涉制备周期纳米结构的方法。使干涉场中的光强分布和偏振分布共同决定周期纳米结构的形成，方便快捷地制备出不同类型的周期纳米结构。这一方法提高了原有双光束干涉技术的多样性，为激光纳米加工、材料改性等提供了新的手段。
本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：
一种飞秒激光双光束干涉制备周期纳米结构的装置，包括
光源，其用于产生飞秒激光脉冲；
电子快门、第一半波片和格兰棱镜，其依次设置在光源的光路上，第一半波片用于调节飞秒激光脉冲的能量，格兰棱镜用于调节飞秒激光脉冲的偏振方向；
分束片，其设置在格兰棱镜的末端，用于将飞秒激光脉冲分成透射光束和反射光束；
在透射光束的光路上设有第一反射镜，第一反射镜用于将透射光束反射至延时光路系统，在延时光路系统的末端设有第二反射镜，在第二反射镜的反射光路上依次设置有第二半波片、第一四分之一波片和第一汇聚透镜；
在反射光束的光路上设有第三反射镜，在第三反射镜的反射光路上设有第四反射镜，在第四反射镜的反射光路上设有第五反射镜，在第五反射镜的反射光路上依次设有第三半波片、第二四分之一波片和第一汇聚透镜；
样品设置在透射光束和反射光束的末端，透射光束和反射光束在样品上共焦。
进一步的，所述透射光束和反射光束的能量之比为1:1。
进一步的，所述延时光路系统包括若干反射镜，透射光束由经由所有反射镜后达到第二反射镜。
一种飞秒激光双光束干涉制备周期纳米结构的工艺，包括如下步骤：
调节格兰棱镜，确定飞秒激光脉冲的偏振方向；旋转第一半波片，使得飞秒激光脉冲的能量衰减至样品的破坏阈值以下；
测量透射光束和反射光束到达样品的时间差，调节延时光路系统,使得透射光束和反射光束同时到达样品，并在样品上制备周期纳米结构。
进一步的，通过调节第二半波片和第一四分之一波片改变透射光束的偏振方向、通过调节第三半波片和第二四分之一波片改变反射光束的偏振方向，以获取若干种透射光束和反射光束的偏振组合，每种偏振组合具有对应的干涉光强分布和偏振分布。
进一步的，所述透射光束和反射光束的偏振组合包括同向线偏振光、同向圆偏振光、正交线偏振光正交圆偏振光组合。
进一步的，所述样品为金属、半导体或电介质。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
飞秒激光双光束干涉与飞秒激光诱导短周期纳米结构相结合，双光束干涉场中光强呈明暗相间的光栅状周期性分布，决定了微米光栅结构的形成；由于飞秒激光照射，在光栅结构上还嵌入了激光诱导短周期纳米结构。
同时，正交偏振的激光双光束不相干，干涉场中光强均匀分布，而偏振产生了周期性的变化。由于飞秒激光诱导的纳米结构与激光偏振有关，可以方便快捷地制备出干涉光强分布与偏振分布共同决定的周期纳米结构。
利用本发明的方案可在不同材料表面制备微米-纳米复合周期结构，增加了干涉技术的多样性。
附图说明
图1为本发明飞秒激光双光束干涉制备周期纳米结构的装置的示意图。
图2为本发明为本发明实施例的示意图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
参见图1，本发明所述的一种飞秒激光双光束干涉制备周期纳米结构的装置，包括
光源(1)，其用于产生飞秒激光脉冲；
电子快门(2)、第一半波片(3)和格兰棱镜(4)，其依次设置在光源(1)的光路上，第一半波片(3)用于调节飞秒激光脉冲的能量，格兰棱镜(4)用于调节飞秒激光脉冲的偏振方向；
分束片(5)，其设置在格兰棱镜(4)的末端，用于将飞秒激光脉冲分成透射光束(A)和反射光束(B)；
在透射光束(A)的光路上设有第一反射镜(6)，第一反射镜(6)用于将透射光束(A)反射至延时光路系统(7)，在延时光路系统(7)的末端设有第二反射镜(8)，在第二反射镜(8)的反射光路上依次设置有第二半波片(9)、第一四分之一波片(10)和第一汇聚透镜(11)；
在反射光束(B)的光路上设有第三反射镜(12)，在第三反射镜(12)的反射光路上设有第四反射镜(13)，在第四反射镜(13)的反射光路上设有第五反射镜(14)，在第五反射镜(14)的反射光路上依次设有第三半波片(15)、第二四分之一波片(16)和第一汇聚透镜(17)；
样品(18)设置在透射光束(A)和反射光束(B)的末端，透射光束(A)和反射光束(B)在样品(18)上共焦。
所述透射光束(A)和反射光束(B)的能量之比为1:1。
所述延时光路系统(7)包括若干反射镜，透射光束(A)由经由所有反射镜后达到第二反射镜(8)。
一种飞秒激光双光束干涉制备周期纳米结构的工艺，包括如下步骤：
1)调节格兰棱镜(4)，确定飞秒激光脉冲的偏振方向；旋转第一半波片(3)，使得飞秒激光脉冲的能量衰减至样品的破坏阈值以下；
2)测量透射光束(A)和反射光束(B)到达样品(18)的时间差，调节延时光路系统(7),使得透射光束(A)和反射光束(B)同时到达样品(18)，并在样品(18)上制备周期纳米结构。
本发明可通过调节第二半波片(9)和第一四分之一波片(10)改变透射光束(A)的偏振方向、通过调节第三半波片(15)和第二四分之一波片(16)改变反射光束(B)的偏振方向，以获取若干种透射光束(A)和反射光束(B)的偏振组合，每种偏振组合具有对应的干涉光强分布和偏振分布。
所述透射光束(A)和反射光束(B)的偏振组合包括同向线偏振光、同向圆偏振光、正交线偏振光正交圆偏振光组合。
所述样品(18)为金属、半导体或电介质。
以下的四个实施例中，采用波长800nm、脉宽40fs，重复频率1kHz的掺钛蓝宝石飞秒激光脉冲照射样品，样品为ZnO晶体。
实施例1
旋转第二半波片(9)和第一四分之一波片(10)调节透射光束(A)的偏振方向，旋转第三半波片(15)和第二四分之一波片(16)调节反射光束(B)的偏振方向，使透射光束(A)和反射光束(B)成同向线偏振光(如图2(a)中插图所示)，图2(a)显示了同向线偏振组合下飞秒激光双光束干涉烧蚀斑的扫描电子显微镜图。样品表面呈现出周期排布的光栅烧蚀结构，这是由双光束干涉的光强周期性分布决定的。在光栅结构中嵌入有短周期的纳米条纹，条纹周期约为210nm，条纹排列方向与激光偏振方向垂直。
实施例2
调节透射光束(A)和反射光束(B)成同向圆偏振光(如图2(b)中插图所示)，图2(b)显示了同向圆偏振组合下飞秒激光双光束干涉烧蚀斑的扫描电子显微镜图。样品表面呈现出周期排布的光栅烧蚀结构，这是由双光束干涉的光强周期分布决定的。在光栅结构中嵌入有短周期的纳米颗粒，颗粒粒径为200～400nm，纳米颗粒是由圆偏振飞秒激光诱导产生。
实施例3
透射光束(A)和反射光束(B)成正交线偏振光(如图2(c)中插图所示)，图2(c)显示了正交线偏振组合下飞秒激光双光束干涉烧蚀斑的扫描电子显微镜图。正交线偏振的双光束干涉场光强均匀分布，样品表面出现均匀的烧蚀斑。在烧蚀斑上出现光栅状周期性排列的纳米条纹结构，条纹周期约为210nm，相邻两列条纹方向相互垂直，这是由正交线偏振双光束干涉场的偏振周期性分布引起的。
实施例4
透射光束(A)和反射光束(B)成正交圆偏振光(如图2(d)中插图所示)，图2(d)显示了正交圆偏振组合下飞秒激光双光束干涉烧蚀斑的扫描电子显微镜图。正交圆偏振的双光束干涉场光强均匀分布，样品表面出现均匀的烧蚀斑。在烧蚀斑上出现周期排列的纳米条纹结构，条纹呈弧形结构，条纹周期约为210nm，这是由正交圆偏振双光束干涉场的偏振周期性分布引起的。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (7)
1.一种飞秒激光双光束干涉制备周期纳米结构的装置，其特征在于，包括
光源(1)，其用于产生飞秒激光脉冲；
电子快门(2)、第一半波片(3)和格兰棱镜(4)，其依次设置在光源(1)的光路上，第一半波片(3)用于调节飞秒激光脉冲的能量，格兰棱镜(4)用于调节飞秒激光脉冲的偏振方向；
分束片(5)，其设置在格兰棱镜(4)的末端，用于将飞秒激光脉冲分成透射光束(A)和反射光束(B)；
在透射光束(A)的光路上设有第一反射镜(6)，第一反射镜(6)用于将透射光束(A)反射至延时光路系统(7)，在延时光路系统(7)的末端设有第二反射镜(8)，在第二反射镜(8)的反射光路上依次设置有第二半波片(9)、第一四分之一波片(10)和第一汇聚透镜(11)；
在反射光束(B)的光路上设有第三反射镜(12)，在第三反射镜(12)的反射光路上设有第四反射镜(13)，在第四反射镜(13)的反射光路上设有第五反射镜(14)，在第五反射镜(14)的反射光路上依次设有第三半波片(15)、第二四分之一波片(16)和第一汇聚透镜(17)；
样品(18)设置在透射光束(A)和反射光束(B)的末端，透射光束(A)和反射光束(B)在样品(18)上共焦。
2.根据权利要求1所述的飞秒激光双光束干涉制备周期纳米结构的装置，其特征在于：所述透射光束(A)和反射光束(B)的能量之比为1:1。
3.根据权利要求1所述的飞秒激光双光束干涉制备周期纳米结构的装置，其特征在于：所述延时光路系统(7)包括若干反射镜，透射光束(A)由经由所有反射镜后达到第二反射镜(8)。
4.一种飞秒激光双光束干涉制备周期纳米结构的工艺，其特征在于，包括如下步骤：
1)调节格兰棱镜(4)，确定飞秒激光脉冲的偏振方向；旋转第一半波片(3)，使得飞秒激光脉冲的能量衰减至样品的破坏阈值以下；
2)测量透射光束(A)和反射光束(B)到达样品(18)的时间差，调节延时光路系统(7),使得透射光束(A)和反射光束(B)同时到达样品(18)，并在样品(18)上制备周期纳米结构。
5.根据权利要求1所述的飞秒激光双光束干涉制备周期纳米结构的工艺，其特征在于，通过调节第二半波片(9)和第一四分之一波片(10)改变透射光束(A)的偏振方向、通过调节第三半波片(15)和第二四分之一波片(16)改变反射光束(B)的偏振方向，以获取若干种透射光束(A)和反射光束(B)的偏振组合，每种偏振组合具有对应的干涉光强分布和偏振分布。
6.根据权利要求5所述的飞秒激光双光束干涉制备周期纳米结构的工艺，其特征在于，所述透射光束(A)和反射光束(B)的偏振组合包括同向线偏振光、同向圆偏振光、正交线偏振光、正交圆偏振光组合。
7.根据权利要求1所述的飞秒激光双光束干涉制备周期纳米结构的工艺，其特征在于，所述样品(18)为金属、半导体或电介质。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190625 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |