CN102259826A

CN102259826A - 飞秒激光束制备微纳复合周期结构的方法及装置

Info

Publication number: CN102259826A
Application number: CN2011101691395A
Authority: CN
Inventors: 贾鑫; 贾天卿; 熊平新
Original assignee: Shanghai Dianji University
Current assignee: Shanghai Dianji University
Priority date: 2011-06-22
Filing date: 2011-06-22
Publication date: 2011-11-30

Abstract

本发明公开了一种飞秒激光束制备微纳复合周期结构的方法及装置，结合多光束干涉技术与飞秒激光诱导纳米结构，并发展偏振调节的方法，利用同一干涉装置，将飞秒激光束分成三光束，通过简单地旋转半波片角度调节三光束的偏振状态，能够制备种类繁多的微纳复合周期结构，极大地丰富了表面纳米周期结构的花样，提高了激光干涉技术的多样性，为激光纳米加工、材料改性等研究提供了新的技术手段。

Description

飞秒激光束制备微纳复合周期结构的方法及装置

技术领域

本发明涉及激光纳米加工和全息光刻的技术，具体的涉及一种飞秒激光束制备微纳复合周期结构的方法及装置。

背景技术

近年来，人们采用胶体有序自组装、激光直写以及激光干涉等技术制备二维、三维周期结构。其中，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。激光干涉技术是将多束激光相干后产生的强度分布图样刻印在光敏材料上，从而制备规则的周期结构，通过改变光束数量以及光束间的排列方式能够制备规则的二维、三维周期结构。自2002年开始，某些半导体和电介质在使用飞秒激光照射后，能够在材料表面和内部诱导周期远小于激光波长的短周期纳米结构。纳米结构依赖于激光偏振状态，线偏振光诱导纳米条纹，条纹方向与激光偏振方向垂直，圆偏振光诱导纳米颗粒。这在激光纳米加工、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。

由现有激光干涉技术得到的结构周期往往大于激光波长，处于微米量级。周期结构的花样仅决定于激光干涉的强度分布，光束数量和空间位置确定后，周期结构随之确定。因此，现有技术中的激光干涉技术得到的周期结构花样单调，缺乏灵活性。

发明内容

本发明的第一目的在于解决现有技术中的问题，提供一种飞秒激光三光束干涉制备周期纳米结构的方法，在该方法中，引入偏振使之成为影响纳米结构分布的一项重要因素，方便快捷地制备出不同类型的微纳复合周期结构。可丰富激光干涉技术制备的纳米周期花样，提高原有干涉技术的多样性，为激光纳米加工、材料改性等提供新的手段。

本发明的第二目的是，根据上述方法设计的一种相应的装置。

为了实现上述第一目的，本发明采取的技术方案是：

一种飞秒激光束制备微纳复合周期结构的方法，其特征是，步骤如下：

步骤一、由飞秒激光光源发出激光束；

步骤二、通过电子快门调节所述激光束的照射时间；

步骤三、通过第一半波片及格兰棱镜的组合调节所述激光束的能量和偏振方向；

步骤四、将所述激光束分成能量相等的多束光；

步骤五、通过延时光路系统使所述多束光同步；

步骤六、所述多束光通过多个半波片调节各自偏振方向；

步骤七、所述多束光通过多个会聚透镜共焦到样品上；

步骤八、所述多束光干涉烧蚀所述样品得到微纳复合周期结构。

进一步，经过所述步骤三以后，所述激光束再经过第一全反光镜反射至第一分束片后分成A、D两束光，两光束能量之比为1：2，反射光束A经第二全反光镜反射至第一延时光路系统，出射光经第三全反光镜反射后并经第二半波片和第一会聚透镜照射在所述样品上，透射光束D被第四全反光镜反射，经第二分束片再次分为能量相同的两束光B、C，光束C经第五全反光镜、第六全反光镜和第七全反光镜反射后，经第三半波片和第二会聚透镜照射在所述样品上，光束B经第八全反光镜反射至第二延时光路系统，出射光经第九全反光镜反射后，经第四半波片和第三会聚透镜照射在样品，所述三束光A、B、C在所述样品上共焦。

进一步，所述的三束光A、B、C的空间分布呈正三角形。

进一步，通过调节所述第二半波片、所述第三半波片和所述第四半波片使所述三束光A、B、C的偏振方向相同。

进一步，通过调节所述第二半波片、所述第三半波片和所述第四半波片使所述三束光A、B、C的偏振方向相互成120°夹角。

进一步，通过调节所述第二半波片、所述第三半波片和所述第四半波片使所述三束光A、B、C的偏振方向相互成60°夹角。

进一步，所述飞秒激光光源的波长为800nm、脉冲宽度为40fs、重复频率为1kHz的掺钛蓝宝石激光，所述样品为ZnO晶体。

为了实现上述第二目的，本发明采取的技术方案是：

一种飞秒激光束制备微纳复合周期结构的装置，包括飞秒激光光源、飞秒激光光源发出激光束，在激光束的光路上，依次设置电子快门、第一半波片、格兰棱镜、第一全反光镜、第一分束片，所述第一分束片将激光束分成A、D两束光，两束光能量之比为1：2，在反射光束A的光路上依次设置第二全反光镜、第一延时光路系统、第三全反光镜、第二半波片和第一会聚透镜，使光束A照射在样品上；在透射光束D的光路上依次设置第四全反光镜、第二分束片，将光束D分为能量相同的两束光B、C；在光束C的光路上依次设置第五全反光镜、第六全反光镜、第七全反光镜、第三半波片和第二会聚透镜，使光束C照射在样品上；在光束B的光路上依次设置第八全反光镜、第二延时光路系统、第九全反光镜、第四半波片和第三会聚透镜，使光束B照射在样品，所述三束光A、B、C在样品上共焦。

进一步，所述三束光的空间分布为正三角形。

进一步，所述飞秒激光光源是波长为800nm、脉冲宽度为40fs，重复频率为1kHz的掺钛蓝宝石激光，所述样品为ZnO晶体。

本发明飞秒激光束制备微纳复合周期结构的方法及装置的积极效果是：

结合多光束干涉技术与飞秒激光诱导纳米结构，并发展偏振调节的方法，利用同一干涉装置，将飞秒激光束分成能量相等的三束光，通过简单地旋转半波片角度调节三光束的偏振状态，能够制备种类繁多的微纳复合周期结构。极大地丰富了表面纳米周期结构的花样，提高了激光干涉技术的多样性，为激光纳米加工、材料改性等研究提供了新的技术手段。

附图说明

附图1是本发明飞秒激光束制备微纳复合周期结构的装置的结构示意图；

附图2是附图1所示的三光束的空间分布示意图；

附图3是三光束照射ZnO得到的微纳复合周期结构的扫描电子显微镜效果图。

附图中的标号分别为：

1．飞秒激光光源； 2．电子快门； 3．第一半波片；

4．格兰棱镜； 5．第一全反光镜； 6．第一分束片；

7．第二全反光镜 8．第一延时光路系统；9．第三全反光镜；

10．第二半波片； 11．第一会聚透镜； 12．第四全反光镜；

13．第二分束片； 14．第五全反光镜； 15．第六全反光镜；

16．第七全反光镜； 17．第三半波片； 18．第二会聚透镜；

19．第八全反光镜； 20．第二延时光路系统；21．第九全反光镜；

22．第四半波片； 23．第三会聚透镜； 24．样品；

A．光束； B．光束； C．光束；

D．光束； O．重合点。

具体实施方式

以下结合附图对本发明飞秒激光束制备微纳复合周期结构的方法及装置的具体实施方式作详细说明。

参见附图1，飞秒激光束由飞秒激光光源1产生，通过电子快门2经过第一半波片3和第一格兰棱镜4调节能量和偏振方向后，再经过第一全反光镜5反射至第一分束片6后分成A、D两束光，两光束能量之比为1：2。反射光束A经第二全反光镜7反射至第一延时光路系统8，出射光经第三全反光镜9反射后并经第二半波片10和第一会聚透镜11照射在样品24上。透射光束D被第四全反光镜12反射，经第二分束片13再次分为能量相同的两束光B、C。光束C经第五全反光镜14、第六全反光镜15和第七全反光镜16反射后，经第三半波片17和第二会聚透镜18照射在样品24上。光束B经第八全反光镜19反射至第二延时光路系统20，出射光经第九全反光镜21反射后，经第四半波片22和第三会聚透镜23照射在样品24。所述三束光A、B、C在样品24上共焦。

参见附图2，附图2显示三光束A、B、C的空间分布以及三束光在样品24上重合点O的空间位置，三光束的空间分布呈正三角形。将激光干涉技术与飞秒激光诱导短周期纳米结构相结合，在三光束干涉的强度花样制备周期结构基础上又引入了飞秒激光诱导的短周期纳米结构。由于飞秒激光诱导的纳米结构与激光偏振密切相关，使用时只需要旋转三束光的半波片调节光束偏振组合，即可得到不同的干涉强度花样和偏振花样，制备出多种不同的周期纳米结构。从而利用同一装置方便地制备不同类型的微纳复合周期结构，弥补了现有激光干涉技术花样单调、缺乏灵活性的不足。控制电子快门2的开合时间调节光的照射时间，调节格兰棱镜4确定主光路的光束偏振方向，旋转半波片3调节主光路的光束能量。调节半波片10、17和22分别改变三束光A、B、C的偏振方向，在不同的偏振组合下可以得到不同的干涉强度和偏振分布。三光束干涉烧蚀样品后能够得到不同类型的微纳复合周期结构。

本发明飞秒激光束制备微纳复合周期结构的装置的使用过程说明如下：以三光束干涉装置为例，参见附图1，调节第二半波片10、第三半波片17和第四半波片22，改变三束光的偏振方向。样品24采用β相偏硼酸钡（BBO）晶体，调节第一半波片3使激光能量减小至BBO晶体的破坏阈值以下，观察BBO晶体后的和频信号测量三光束脉冲间的时间差。通过调节第一延时光路系统8和第二延时光路系统20使三光束A、B、C的飞秒脉冲同时到达样品。更换样品24为半导体或电介质，在不同的偏振组合下，调节电子快门2的开合时间以确定激光的照射时间，调节第一半波片3和第一格兰棱镜4的组合以确定光束的能量大小，照射样品进行微纳复合周期结构的制备。

参见附图3，以波长为800nm、脉冲宽度为40fs，重复频率为1kHz的掺钛蓝宝石激光照射ZnO晶体为例，附图3是三种不同的偏振组合下，飞秒激光三光束干涉照射ZnO晶体后得到的微纳复合周期结构。附图3中(a)、(b)单束光的激光能量密度为0.37J/cm²，经40个脉冲照射；(c)、(d)单束光的激光能量密度为0.38J/cm²，经100个脉冲照射；(e)、(f)单束光的激光能量密度为0.2J/cm²，经500个脉冲照射。(a)、(c)、(e)中左下角的插图为三种偏振组合。附图3（a）、（b）中的三束光的偏振方向相同（如（a）中左下角插图所示）。样品表面呈现出二维周期排布的烧蚀斑点，这是由三光束干涉的强度周期分布引起的。每个烧蚀斑上嵌入有短周期的纳米条纹，条纹周期为180nm，条纹排列方向与激光偏振方向垂直。附图3（c）、（d）中的三束光的偏振方向相互成120°夹角（如（c）中左下角插图所示）。样品表面除了呈现出二维周期排布的凸起的烧蚀斑外，每个烧蚀斑点上还嵌有圆环状的短周期纳米条纹结构。纳米条纹方向的改变以及纳米颗粒的形成是由偏振组合的变化所引起。附图3（e）、（f）中三束光的偏振方向相互成60°夹角（如（e）中左下角插图所示）。样品表面呈现出二维周期排布的凸起的烧蚀斑，其上的纳米条纹呈辐射状排布，纳米条纹方向的改变是由偏振组合变化引起的。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种飞秒激光束制备微纳复合周期结构的方法，其特征在于，步骤如下：

步骤一、由飞秒激光光源（1）发出激光束；

步骤二、通过电子快门（2）调节所述激光束的照射时间；

步骤三、通过第一半波片（3）及格兰棱镜（4）的组合调节所述激光束的能量和偏振方向；

步骤四、将所述激光束分成能量相等的多束光；

步骤五、通过延时光路系统使所述多束光同步；

步骤六、所述多束光通过多个半波片调节各自偏振方向；

步骤七、所述多束光通过多个会聚透镜共焦到样品（24）上；

步骤八、所述多束光干涉烧蚀所述样品（24）得到微纳复合周期结构。

2.根据权利要求1所述的飞秒激光束制备微纳复合周期结构的方法，其特征在于：经过所述步骤三以后，所述激光束再经过第一全反光镜（5）反射至第一分束片（6）后分成A、D两束光，两光束能量之比为1：2，反射光束A经第二全反光镜（7）反射至第一延时光路系统（8），出射光经第三全反光镜（9）反射后并经第二半波片（10）和第一会聚透镜（11）照射在所述样品（24）上，透射光束D被第四全反光镜（12）反射，经第二分束片（13）再次分为能量相同的两束光B、C，光束C经第五全反光镜（14）、第六全反光镜（15）和第七全反光镜（16）反射后，经第三半波片（17）和第二会聚透镜（18）照射在所述样品（24）上，光束B经第八全反光镜（19）反射至第二延时光路系统（20），出射光经第九全反光镜（21）反射后，经第四半波片（22）和第三会聚透镜（23）照射在样品（24），所述三束光A、B、C在所述样品（24）上共焦。

3.根据权利要求2所述的飞秒激光束制备微纳复合周期结构的方法，其特征在于：所述的三束光A、B、C的空间分布呈正三角形。

4.根据权利要求3所述的飞秒激光束制备微纳复合周期结构的方法，其特征在于：通过调节所述第二半波片（10）、所述第三半波片（17）和所述第四半波片（22）使所述三束光A、B、C的偏振方向相同。

5.根据权利要求3所述的飞秒激光束制备微纳复合周期结构的方法，其特征在于：通过调节所述第二半波片（10）、所述第三半波片（17）和所述第四半波片（22）使所述三束光A、B、C的偏振方向相互成120°夹角。

6.根据权利要求3所述的飞秒激光束制备微纳复合周期结构的方法，其特征在于：通过调节所述第二半波片（10）、所述第三半波片（17）和所述第四半波片（22）使所述三束光A、B、C的偏振方向相互成60°夹角。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的飞秒激光束制备微纳复合周期结构的方法，其特征在于：所述飞秒激光光源（1）的波长为800nm、脉冲宽度为40fs、重复频率为1kHz的掺钛蓝宝石激光，所述样品（24）为ZnO晶体。

8.一种飞秒激光束制备微纳复合周期结构的装置，包括飞秒激光光源（1）、飞秒激光光源（1）发出激光束，在激光束的光路上，依次设置电子快门（2）、第一半波片（3）、格兰棱镜（4）、第一全反光镜（5）、第一分束片（6），所述第一分束片（6）将激光束分成A、D两束光，两束光能量之比为1：2，在反射光束A的光路上依次设置第二全反光镜（7）、第一延时光路系统（8）、第三全反光镜（9）、第二半波片（10）和第一会聚透镜（11），使光束A照射在样品（24）上；在透射光束D的光路上依次设置第四全反光镜（12）、第二分束片（13），将光束D分为能量相同的两束光B、C；在光束C的光路上依次设置第五全反光镜（14）、第六全反光镜（15）、第七全反光镜（16）、第三半波片（17）和第二会聚透镜（18），使光束C照射在样品（24）上；在光束B的光路上依次设置第八全反光镜（19）、第二延时光路系统（20）、第九全反光镜（21）、第四半波片（22）和第三会聚透镜（23），使光束B照射在样品（24），所述三束光A、B、C在样品（24）上共焦。

9.根据权利要求8所述的飞秒激光束制备微纳复合周期结构的装置，其特征在于：所述三束光的空间分布为正三角形。

10.根据权利要求8所述的飞秒激光束制备微纳复合周期结构的装置，其特征在于：所述飞秒激光光源（1）是波长为800nm、脉冲宽度为40fs，重复频率为1kHz的掺钛蓝宝石激光，所述样品（24）为ZnO晶体。