CN101329508A - 一种利用飞秒激光制备微纳压印模版的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用飞秒激光制备微纳压印模版的方法，该方法将适合制作微纳压印模具的硬质材料固定在三维精密平移台上，利用显微物镜将一束飞秒激光聚焦在样品表面，根据微纳结构与器件压印模斑的结构设计，通过飞秒激光刻蚀和三维精密移动平台的配合运动对材料进行微纳加工，实现微纳压印模版的制备。该发明将飞秒激光微纳加工技术同成熟的压印成型技术结合，可以批量制备出复杂及三维的微纳结构与器件，大大提高了微纳结构与器件的制备效率，促进了微纳压印技术与飞秒激光微纳加工技术的发展。

Description

一种利用飞秒激光制备微纳压印模版的方法

技术领域

本发明属于微纳结构与器件制备和飞秒激光微纳加工领域，特别是一种利用飞秒激光在硬质材料上制备微纳结构与器件压印模版的方法。

背景技术

微纳压印技术是在微纳米尺度获得复制结构的一种而快速、低成本的方法。该技术可以将印章上的结构按需复制到大的表面上，被广泛用于微纳结构加工。微纳压印技术采用有微纳米图案的刚性模具将基片上的压印材料压出微纳米级花纹，再对压印件进行常规的刻蚀、剥离等加工，最终制成纳米结构和器件。它可以大批量重复性地在大面积上制备纳米图形结构，并且所制出的高分辨率图案具有相当好的均匀性和重复性。该技术还有制作成本极低、简单易行、效率高等优点。因此，与极端紫外线光刻、X射线光刻、电子束刻印等工艺相比，微纳压印技术具有突出的竞争力和广阔的应用前景。

微纳压印技术中微纳压印模版制备是其中的关键环节，由于微纳压印模版常使用硬质材料，而硬质材料的微纳加工一直是国际上微纳加工技术领域的难点，尤其是硬质材料的复杂三维微纳加工。目前，已报道的微纳压印模版制备方法主要有平面工艺离子交换法、光敏石英玻璃法、全息法、菲涅耳波带透镜法、溶胶-凝胶法、光刻胶熔融法、PMMAX光照射及熔融法、电子束刻蚀，以及激光刻蚀法等，然而这些方法均存在明显不足：比如加工精度不足、材料选择性差、难以加工出复杂三维微纳结构等等，难以满足性能优异的微纳压印模版制备要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种利用飞秒激光制备微纳压印模版的方法。在微纳压印模版的制备过程中，该方法将飞秒激光三维微纳加工技术目前成熟的压印技术相结合，不仅简化了制备工艺，降低了成本，提高了压印模版加工精度，而且扩大材料选择范围，突破微纳压印模版尺寸的限制。更为重要的是，该方法为实现高重复性、低成本微纳结构与器件批量生产奠定基础，大大促进飞秒激光微纳加工技术与微纳压印技术的产业化发展。

本发明的技术方案是这样解决的：

将一束飞秒激光经显微物镜聚焦在硬质材料表面，通过飞秒激光对材料的刻蚀以及三维精密移动平台配合，实现微纳压印模版的制备，具体步骤如下：

1)选取制作微纳压印模版的硬质材料；

2)将用于制作微纳压印模版的硬质材料固定在三维精密移动平台上，选用脉冲宽度为30～150fs、波长为325～1200nm的超短脉冲激光，经一个显微物镜聚焦到材料表面；

3)超短脉冲激光单脉冲能量10nJ～5mJ、脉冲重复频率10Hz～100kHz、脉冲宽度30～150fs、三维精密移动平台移动速率0.1μm/s～0.6mm/s，使激光聚焦在硬质材料表面，加工微纳压印模版；

4)在加工出微纳压印模版的基本形貌后，采取第二次形貌重复扫描的方法，超短脉冲激光单脉冲能量10nJ～5μJ、脉冲重复频率10Hz～100kHz、脉冲宽度30～150fs，以及三维精密移动平台移动速率0.1μm/s～100μm/s，以控制微纳压印模版的形貌的精度与表面粗糙度，制得微纳压印模版。

所述的微纳压印模版的硬质材料为石英玻璃、硅、殷钢或不锈钢。

所述的显微物镜数值孔径(N.A)为0.15～0.95。

由激光加载系统和材料夹持系统以及监控系统依次连接而成，其中激光加载系统由飞秒激光器、望远系统、可控光开关、可变衰减器、反射镜、显微物镜组成。由飞秒激光器输出的飞秒激光，经过可控光开关，由反射镜导入显微物镜聚焦。

所述材料夹持系统由三维精密移动平台、样品台、以及计算机组成。用来夹持材料的样品台固定在三维精密移动平台上，控制计算机与三维精密移动平台相连。

所述监控系统由CCD摄象机组成。该系统对加工过程实现实时监控。本发明的优点在于：

(1)本发明利用飞秒激光微纳加工技术制备微纳压印模版，具有制备工艺简单、材料选择性强、加工尺寸范围大、精度较高等特点。

(2)本发明所制备微纳压印模版，可以满足各项性能优异、重复性高的微纳批量化生产需要，大大降低微纳制造成本。

(3)本发明所述装置操作性强、适用范围广。可以广泛适用于各种基材的微纳压印模版制备，促进微纳压印的发展和飞秒激光微纳加工产业化进程。

附图说明

图1为本发明800nm飞秒激光在硬质材料上制备微纳压印模版的方法的示意图。

图2为本发明400nm飞秒激光在硬质材料上制备微纳压印模版的的方法的示意图。

图3微透镜模版的加工轨迹的示意图；

图4是4×4阵列微透镜阵列压印模版的示意图；

下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明。

具体实施方式

参照图1所示，由飞秒激光器1输出的飞秒激光，脉冲宽度为30fs，波长为800nm，脉冲频率为1kHz，激光单脉冲能量3.5μJ，激光平均功率为3.5mw的激光束，可控开关2、反射镜4进入数值孔径(N.A)为0.5的显微物镜5聚焦到尺寸制备压印模版的硬质材料表面。硬质材料6固定在样品台7上，其移动通过由计算机9控制的三维精密移动平台8实现。硬质材料6按照制作模版所需的加工轨迹进行移动并完成模版的加工，整个加工过程通过CCD摄象机3实现实时监控。

参照图2所示，由飞秒激光器1发出的飞秒激光，脉冲宽度为30fs，波长为800nm，脉冲频率为1kHz，激光单脉冲能量5μJ，激光平均功率为5mw的激光束，通过光开关2、倍频晶体10后转换为脉冲宽度为50fs，波长为400nm，脉冲频率为1kHz，脉冲能量为300μJ的400nm的飞秒激光，再通过滤光片11、反射镜4、数值孔径(N.A)为0.5的显微物镜5将400nm飞秒激光光束聚焦在硬质材料6上，硬质材料6固定在样品台7上，其移动通过由计算机9控制的三维精密移动平台8实现。硬质材料6按照制作模版所需的加工轨迹进行移动并完成模版的加工，整个加工过程通过CCD摄象机3实现实时监控。

参照图3所示，图为飞秒激光在硬质材料6上实现微透镜模版的加工轨迹，其移动通过由计算机9控制的三维精密移动平台8实现。先由圆形螺旋线轨迹又顶部向底部方向加工，直至加工到底部完成圆形螺旋线；其次，再经过过顶球面切线加工，并每加工完一个过顶球面切线，移动5度后再进行顶球面切线加工，直至完成360°转动，回到最初的过顶球面切线位置，完成一个微透镜压印模版的加工。

参照图4所示，依次按照图3所示方法，以中心距127μm，单微透镜模版直径60μm，球冠高25μm的要求，加工出16个微透镜阵列压印模版，并最后组成一个4×4微透镜阵列压印模版。

实施例1：

钛宝石飞秒激光器输出飞秒激光，脉冲宽度30fs，波长为800nm，重复频率为1kHz，激光平均功率为3.5mw，用数值孔径(N.A)为0.5、放大倍数50倍的显微物镜聚焦在尺寸为5mm×5mm×1mm石英玻璃材料表面，聚焦光斑直径约1.5μm，样品由计算机控制的三维精密移动平台实现移动，移动速率为200μm/s，并按照图4所示的加工轨迹进行微透镜模版的加工。并依次重复加工出图5所示的4×4阵列微透镜阵列压印模版制备，微透镜直径60μm，高度25μm，微透镜间距中心距127μm。

实施例2：

选取脉冲宽度30fs，波长为400nm，重复频率为1kHz，激光平均功率为5mw，用数值孔径(N.A)为0.5、放大倍数50倍的显微物镜聚焦在尺寸为5mm×5mm×1mm石英石英玻璃材料表面，聚焦光斑直径约1.5μm，样品由计算机控制的三维精密移动平台实现移动，移动速率为200μm/s，并按照图4所示的加工轨迹进行微透镜模版的加工。并依次重复加工出图5所示的4×4阵列微透镜阵列压印模版制备，微透镜直径60μm，高度25μm，微透镜间距中心距127μm。

实施例3：

钛宝石飞秒激光器输出飞秒激光，脉冲宽度30fs，波长为800nm，重复频率为1kHz，激光平均功率为3.5mw，用数值孔径(N.A)为0.5、放大倍数50倍的显微物镜聚焦在尺寸为5mm×5mm×1mm硅材料表面，聚焦光斑直径约1.5μm，样品由计算机控制的三维精密移动平台实现移动，移动速率为200μm/s，并按照图4所示的加工轨迹进行微透镜模版的加工。并依次重复加工出图5所示的4×4阵列微透镜阵列压印模版制备，微透镜直径60μm，高度25μm，微透镜间距中心距127μm。

实施例4：

钛宝石飞秒激光器输出飞秒激光，脉冲宽度30fs，波长为800nm，重复频率为1kHz，激光平均功率为3.5mw，用数值孔径(N.A)为0.5、放大倍数50倍的显微物镜聚焦在尺寸为5mm×5mm×1mm殷钢材料表面，聚焦光斑直径约1.5μm，样品由计算机控制的三维精密移动平台实现移动，移动速率为200μm/s，并按照图4所示的加工轨迹进行微透镜模版的加工。并依次重复加工出图5所示的4×4阵列微透镜阵列压印模版制备，微透镜直径60μm，高度25μm，微透镜间距中心距127μm。

实施例5：

钛宝石飞秒激光器输出飞秒激光，脉冲宽度30fs，波长为800nm，重复频率为1kHz，激光平均功率为3.5mw，用数值孔径(N.A)为0.5、放大倍数50倍的显微物镜聚焦在尺寸为5mm×5mm×1mm不锈钢材料表面，聚焦光斑直径约1.5μm，样品由计算机控制的三维精密移动平台实现移动，移动速率为200μm/s，并按照图4所示的加工轨迹进行微透镜模版的加工。并依次重复加工出图5所示的4×4阵列微透镜阵列压印模版制备，微透镜直径60μm，高度25μm，微透镜间距中心距127μm。

Claims (3)

1、一种利用飞秒激光制备微纳压印模版的方法，其特征在于，将一束飞秒激光经显微物镜聚焦在硬质材料表面，通过飞秒激光对材料的刻蚀以及三维精密移动平台配合，实现微纳压印模版的制备，具体步骤如下：

1)选取制作微纳压印模版的硬质材料；

2)将用于制作微纳压印模版的硬质材料固定在三维精密移动平台上，选用脉冲宽度为30～150fs、波长为325～1200nm的超短脉冲激光，经一个显微物镜聚焦到材料表面；

3)超短脉冲激光单脉冲能量10nJ～5mJ、脉冲重复频率10Hz～100kHz、脉冲宽度30～150fs、三维精密移动平台移动速率0.1μm/s～0.6mm/s，使激光聚焦在硬质材料表面，加工微纳压印模版；

4)在加工出微纳压印模版的基本形貌后，采取第二次形貌重复扫描的方法，超短脉冲激光单脉冲能量10nJ～5μJ、脉冲重复频率10Hz～100kHz、脉冲宽度30～150fs，以及三维精密移动平台移动速率0.1μm/s～100μm/s，以控制微纳压印模版的形貌的精度与表面粗糙度，制得微纳压印模版。

2、根据权利要求1所述的利用飞秒激光制备微纳压印模版的方法，其特征在于，所述的微纳压印模版的硬质材料为石英玻璃、硅、殷钢或不锈钢。

3、根据权利要求1所述的利用飞秒激光制备微纳压印模版的方法，其特征在于，所述的显微物镜数值孔径(N.A)为0.15～0.95。

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