CN100448592C - 一种近场光学虚拟光探针选择性微加工方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明为一种应用近场光学虚拟光探针进行多种材料选择性微加工方法及其系统。本发明提出应用纳米尺度的近场光学虚拟光探针对材料进行选择性微加工，并且据此设计了一套微加工系统。其由激光器发射的激光光束经滤波片、偏光器后入射到三角棱镜的一边，其折射光束在三角棱镜底面的入射角大于三棱镜的全反射角时发生全内反射，反射光束从另一边折射出三角棱镜后经光学延迟器和反射镜后又沿原路入射到三角棱镜的底面，形成虚拟光探针，将加工材料置于三角棱镜底面下的一定距离范围，便可以利用虚拟光探针对材料进行微加工，材料的微移调节通过微动载物台来实现。有效克服了因灰尘污染及探针与材料表面碰撞而造成损伤的不足，可提高微加工速度。

Description

一种近场光学虚拟光探针选择性微加工方法及其系统

技术领域

本发明属于近场光学、激光微加工技术领域，特别提出一种应用近场光学虚拟光探针进行多种材料选择性微加工方法及其系统。

背景技术

传统的激光微加工主要有全息记录法、激光直接扫描法、光纤探针操作法。全息记录法的实验装置复杂，设备昂贵，光束的干涉较难调节，限制了它在微细加工领域应用。激光直接扫描法的分辨率较低，加工过程难于控制。光纤探针操作法由于光纤探针的通光效率很低，而且光纤探针与加工表面之间的距离必须控制在近场区域(约10～50nm)，使得其间距控制比较困难，很容易因探针与材料表面碰撞而造成探针的损伤。

2000年，法国的Grosjean和Courjon首先提出了虚拟光探针的概念。利用两束入射角大于全反射角的平行光从光密介质射入光疏介质时发生全反射，由电磁场的连续性条件可知，光波不是绝对地在界面上被全部反射回光密介质，而是透入光疏介质大约一个波长的深度，并在光疏介质中沿着介质表面传播一定距离后重新返回光密介质，再沿着反射光方向出射，这个沿着光疏介质表面传播的波即是隐失波。两束入射光产生的两列沿着光疏介质表面传播的隐失波在两种介质的界面上相遇时即发生干涉，造成了受限制的光场分布，光场中央出现了一个比较尖锐的峰，其半峰全宽(FWHM)在波长深度范围内不随距离z的变化而变化，形成纳米光柱，此即纳米尺度的近场光学虚拟光探针。

由虚拟光探针概念可知近场光学虚拟光探针是基于近场光学隐失波场干涉原理产生的一种非实体探针，其在一定范围内峰值宽度保持不变的特性使得它可以被广泛应用于近场光学超高密度数据存储、近场光学光谱探测、近场光学纳米光刻、近场扫描显微镜、近场光学成像、纳米样品的近场光学操作等领域。

清华大学在应用虚拟光探针实现光学存储方面开展了系统而深入的研究，他们提出在两种具有不同折射率的介质界面处设置一个小孔光阑，从而可以由隐失波场的干涉叠加形成约束光场，更有利于产生虚拟光探针效应。其开展的研究尚处于理论探讨阶段，尚未应用于激光微加工。

发明内容

本发明的目的在于克服传统微加工中存在的系统复杂、间距控制困难、选择性不强等缺点，应用具有优异特性的近场光学虚拟光探针来实现对材料表面进行选择性微加工。

基于由近场光学隐失波场干涉叠加形成虚拟光探针的原理，本发明提出应用纳米尺度的近场光学虚拟光探针对材料进行选择性微加工，并且据此设计了一套微加工系统。实施选择性微加工的方法为：由激光器发射的激光光束经滤波片、偏光器后入射到三角棱镜的一边，其折射光束在三角棱镜底面的入射角大于三棱镜的全反射角时发生全内反射，反射光束从另一边折射出三角棱镜后经光学延迟器和反射镜后又沿原路入射到三角棱镜的底面，从而在该底面与空气的界面上产生隐失波场，在一定的条件下由于隐失波场干涉叠加而形成虚拟光探针，将加工材料置于三角棱镜底面下的一定距离范围，即由隐失波场干涉形成的虚拟光探针的有效作用距离150～500nm，便可以利用虚拟光探针对材料进行微加工，材料的微移调节通过微动载物台来实现。

为了增强虚拟光探针效应，可以在棱镜的全反射面设置微孔光阑，使得光场分布的中心峰(即虚拟光探针的有效部分)在其约束作用下在波长距离内不向外发散而形成纳米光柱。

实现本发明的系统主要由激光器、调光体系、光束延迟体系和微加工系统依次组成。其中隐失波场是通过由激光器提供的光源产生全内反射激发而形成的。调光体系主要由滤波片和偏光器组成，滤波片可以将激光光源调节至一定的频带宽度，偏光器可以调节激光光束的偏振方向。为了实现隐失波场的干涉，必须调节两入射光束的光程差，这可以通过光学延迟体系中的光学延迟器来完成。微加工系统包括两个部分，两部分之间为空气隙。其中一个部分(即核心部分)是由经过调节后的两束入射激光束在三角棱镜底面发生全内反射从而形成虚拟光探针，在这一部分必须严格控制两入射光束的入射角使其大于三棱镜的全反射角来实现全内反射，此外在三角棱镜的底面镀有一层金属薄膜，并在金属薄膜中间留微孔。金属膜层的作用相当于微孔光阑，它可以屏蔽掉可能透过三角棱镜底面的激光，要求金属膜层的厚度为纳米至亚微米级(控制在5～200nm范围内)，并且具有尽可能大的导电率(σ→∞)，其材料可以选择金、银、铝或者其他易加工微孔的材料。微孔对激光光束具有一定的约束作用，有利于产生虚拟光探针效应，微孔的形状通常可以设计成圆形、方形或者其他特殊形状，其尺度不能太大也不能太小，太大会造成隐失波场干涉叠加产生的光场分布产生许多旁瓣，对虚拟光探针的应用不利，太小则使得虚拟光探针的隐失波场干涉效应不显著，通常控制在亚微米至微米级范围(0.5～3μm)。微加工系统的另一个部分是加工材料控制系统，其作用是一方面控制加工材料的微动调节以实现选择性微加工，另一方面更重要的是要准确地控制微加工表面与光束全反射面之间的距离(近场纳米间距，亦即空气隙的厚度)在虚拟光探针的有效作用距离即150～500nm范围内。

本发明提出的微加工系统因其应用了具有优异特性的近场光学虚拟光探针而带来一系列的技术优势。第一，探针与微加工材料表面之间的近场纳米间距容易控制，一方面有效克服了因灰尘污染及探针与材料表面碰撞而造成损伤的不足，另一方面也为提高微加工速度奠定了基础。而且虚拟光探针的尺寸(即光场分布中心峰的半高宽)在波长深度空间范围内基本保持在100～300nm不变，与传统光纤探针相比，其近场纳米间距的控制要求大大放宽。第二，虚拟光探针的通光效率高，其数量级为10^-2，比普通纳米孔径光纤探针10^-4～10^-6的通光效率提高了约2～4个数量级，克服了传统光纤探针输出信号微弱的缺点。第三，微加工分辨率高于衍射极限，可达到纳米量级，比传统光学分辨率提高了几十倍甚至上百倍。第四，微加工工艺简单易实现，这是由于虚拟光探针的实施条件容易满足，所需要的光学元件较少，系统组建比较容易。

附图说明

图1近场光学虚拟光探针选择性微加工系统示意图

图2金属膜层上圆形微孔的几何形状图

图3近场光学虚拟光探针原理示意图

1激光器，2滤波片，3偏光器，4三角棱镜，5光学延迟器，6反射镜，7金属膜层，8圆形微孔，9微动载物台，10加工材料，11空气隙，12光疏介质，13光密介质，14两束受限入射光，15隐失波场干涉叠加产生的光场分布。

具体实施方式

结合图1示例的近场光学虚拟光探针选择性微加工系统示意图对本发明的具体装置的细节和实施作如下说明：

进行近场光学虚拟光探针选择性微加工的基本装置是由激光器1、外光路系统、微加工系统依次组成的，其中外光路系统包括调光体系和光束延迟体系，主要由滤波片2、偏光器3、光学延迟器5、反射镜6组成；微加工系统包括近场光学虚拟光探针形成及调节系统、加工材料控制系统，主要构成元件有三角棱镜4、金属膜层7、微动载物台9以及加工材料10。

本发明所提出的系统的核心部分为近场光学虚拟光探针形成及调节系统。为了在三角棱镜4和空气隙11的交界面上产生隐失波场，从而可以满足虚拟光探针形成的基本条件，在系统组建时必须通过对三角棱镜4进行微调来准确控制激光光束在三角棱镜4底面上的入射角，使其大于三角棱镜4的全反射角(即临界角)。为了增强隐失波场的干涉，通过在三角棱镜4的全反射面镀一层铝金属膜的方法对光场分布施以约束作用，金属膜层7的厚度大约为100nm，上面开有圆形微孔8，这样就使得金属膜层7起到了微孔光阑的作用。圆形微孔8的几何形状如图2所示，其直径D的大小为1.5μm。为了有效利用虚拟光探针，微加工时还必须通过加工材料控制系统来控制微加工表面与光束全反射面之间的近场纳米间距，根据其作用范围控制在150～500nm为宜。

为了形象地说明虚拟光探针的形成机理，便于系统操作时较好掌握调控要素，图3给出了近场光学虚拟光探针的原理示意图。当入射角θ大于临界角θ_c(θ_c＝arcsin(n₂/n₁))的两束受限入射光14自光密介质13(折射率为n₁)射入光疏介质12(折射率为n₂，通常为空气，n₂＝1)时发生全反射，从而在两种介质的界面上会产生隐失波场，隐失波场干涉叠加产生的光场分布15具有多级次级峰。如果在界面处设置适当尺寸的微孔光阑，则形成约束光场，其中心峰被极大增强且在波长深度范围内不会发散而形成纳米光柱，即光场分布中心峰的半高宽(FWHM)不随距离z的变化而变化，此即为纳米尺度的近场光学虚拟光探针。本发明的系统正是应用光场分布的这一高峰值中心峰来实现选择性微加工的。

Claims (2)

1.一种近场光学虚拟光探针选择性微加工方法，其特征在于：由激光器发射的激光光束经滤波片、偏光器后入射到三角棱镜的一边，且其折射光束在三角棱镜底面的入射角大于三棱镜的全反射角，反射光束从另一边折射出三角棱镜后经光学延迟器和反射镜后又沿原路入射到三角棱镜的底面，从而在该底面与空气的界面上产生隐失波场，经隐失波场干涉叠加而形成虚拟光探针，将加工材料置于三角棱镜底面下，即由隐失波场干涉形成的虚拟光探针在有效作用距离150～500nm下，利用虚拟光探针对材料进行微加工，通过微动载物台实现材料的微移调节。

2.实现权利要求1所述的一种近场光学虚拟光探针选择性微加工方法的系统，其特征在于：由激光器(1)、外光路系统、微加工系统依次组成的，其中外光路系统包括调光体系和光束延迟体系，主要由滤波片(2)、偏光器(3)、光学延迟器(5)、反射镜(6)组成；微加工系统包括近场光学虚拟光探针形成及调节系统、加工材料控制系统，主要构成元件有三角棱镜(4)、金属膜层(7)、微动载物台(9)以及加工材料(10)，其中在三角棱镜的底面镀有一层金属薄膜，并在金属薄膜中间留微孔，金属膜层的厚度为纳米至亚微米级即5～200nm，并且具有尽可能大的导电率σ→∞，其材料为金、银、或铝；微孔的形状为圆形或方形，其尺度为亚微米至微米级范围0.5～3μm。

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