CN103084737B - 一种采用超快激光在靶材表面制备纳米栅格的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种采用超快激光在靶材表面制备纳米栅格的方法，该方法包括将靶材固定在样品台上；半透半反镜a将入射超快激光分为光路a与光路b；光路a经半透半反镜b反射被分为光路a1与a2后，分别聚焦至靶材表面的A部分与B部分；光路b经半透半反镜b被分为光路b1与b2后，分别聚焦至靶材表面的A部分与B部分；两组同轴光路先后垂直聚焦在靶材表面，分别扫描出条纹方向互成一定角度的交叉式纳米栅格。实施上述方法的装置包括半透半反镜a、半波片、半透半反镜b、反射镜a、反射镜b、反射镜c、聚焦镜a与聚焦镜b。本发明利用相对偏振方向不同的两束同轴超快激光脉冲先后垂直聚焦于材料表面，以直接扫描方式快速制备出纳米栅格。
Description
技术领域
本发明涉及超快激光加工技术领域，尤其是一种采用超快激光在靶材表面制备纳米栅格的方法及装置。
背景技术
物体表面的微纳米尺寸结构蕴含着大量的自然奥秘和原理,比如,蝴蝶翅膀表面具有纳米级的条纹状结构，这些结构对于各种波长光的吸收与折射具有选择性，所以在白天能展现出美丽斑斓的色彩；蜻蜓翅膀表面覆盖蜡质层与大量的纳米级乳突结构，致使液滴与翅膀表面形成复合接触,增强了翅膀表面的疏水性，确保了自清洁性,使其能够抵御雨、雾、露以及尘埃等不利因素的侵袭,翅膀不被污染物污染,保证了受力平衡和飞行安全；水黾腿表面定向排列着微米尺度的针状刚毛,每根刚毛上都明显有螺旋状纳米尺度沟槽,形成了独特的阶层结构。空气被有效地吸附在这些取向的微米刚毛和螺旋纳米沟槽的缝隙中,在表面形成一层稳定的气膜,有效阻碍了水滴的浸润,使其可以轻易地站在水面并在水面快速划行、跳跃,但腿不被润湿；等等。大自然生物表面上所蕴含的这些特殊的有规则的微纳米结构，使其具备超常的表面性能和应用价值，吸引着研究者对表面微纳米结构的制备技术的高度关注。通过微纳米尺寸的特征结构实现特殊表面功能的微小机械零部件的加工制造，对未来新兴产业中的诸多应用，如：生物医学传感器件、微流控器件、新能源中的能量转换器件、航空以及军事等众多应用领域蕴含着至关重要的战略意义。
研究者用大量的方法，如，涂层法、化学气相沉积、光刻法，等等，以实现材料表面的纳米结构制备，但步骤复杂，且污染严重。近几年，随着激光技术的快速发展，尤其是超快激光技术的发展，为许多科研领域增加了新的技术手段。超短脉冲对材料表面的超快作用导致了许多新奇的极端非线性现象，呈现出许多超常的性能。研究者通过激光辐照的方法在金属[Opt.Express17,20757(2009)]、半导体[Appl.Phys.Lett.89,033506(2006)]聚合物[APL100,041106(2012)]等不同材料上研制成各种纳米结构。然而在实际应用中，人们更注重于纳米结构的制备效率与效果上，即用简单快速的方法即可获得大面积的表面纳米结构并能够实现其超常表面性能。随着各类微电子、微机械、微光学仪器装备的不断小型化，微小器件表面微纳米尺度特征结构的设计是实现器件各种新异功能的首选方案，是常规加工制造手段难以实现的，具备了广泛而无可替代的应用潜能。
发明内容
针对上述技术的不足之处，本发明提供一种利用相对偏振方向不同的两束同轴超快激光脉冲先后垂直聚焦于材料表面,以直接扫描方式快速制备出纳米尺寸栅格的采用超快激光在靶材表面制备纳米栅格的方法及装置。
为实现上述目的，本发明提供一种采用超快激光在靶材表面制备纳米栅格的方法，包括以下步骤：
100、将靶材固定在样品台上；
101、超快激光入射至半透半反镜a中，半透半反镜a将出射光路分为光路a与光路b；
102、光路a依次经半波片与半透半反镜b被再次分为光路a1与a2，光路a1经聚焦镜a聚焦至靶材表面的A部分，光路a2依次经反射镜c与聚焦镜b聚焦至靶材表面的B部分；
103、光路b依次经过反射镜a、反射镜b与半透半反镜b后被再次分为光路b1与光路b2，光路b1经聚焦镜a聚焦至靶材表面A部分，光路b2依次经反射镜c与聚焦镜b聚焦至靶材B部分；
104、光路a1与光路b1、光路a2与光路b2为两组同轴光路，并且先后垂直聚焦于靶材表面，分别扫描出条纹方向互成一定角度的交叉式纳米栅格。
在步骤100中，靶材为任意金属材料、半导体材料、高分子聚合物材料。
所述样品台为二维运动台,所述样品台的运动速度和移动距离通过编制的计算机程序进行控制。
在步骤102中，半波片改变了光路a与光路b的相对偏振方向，使两组同轴光路的相对偏振方向不同。
光路a1与光路b1、光路a2与光路b2之间相对偏振方向的角度能够调节为0°到90°，以制备出纳米栅格的形状为不同角度及边长的棱形。
在步骤104中，光路a相对于光路b的时间进行延迟控制，以调节两组同轴光路相继到达靶材的时间差，两组同轴光路在靶材上聚焦的光斑位置相隔的有效长度为激光聚焦光斑尺寸的整数倍。
所述靶材的A部分为所述靶材的上半部分或左半部分，所述靶材的B部分为所述靶材的下半部分或右半部分。
所述超快激光为飞秒激光或皮秒激光。
本发明同时还提供一种采用超快激光在靶材表面制备纳米栅格的装置，在入射光路上依次水平排列有半透半反镜a、半波片、半透半反镜b与聚焦镜a，在反射光路上依次排列有反射镜a、反射镜b、所述半透半反镜b、反射镜c与聚焦镜b，所述聚焦镜a与所述聚焦镜b呈平行方式排列，并且分别对应靶材的A部分与B部分，所述靶材设置在样品台上。
超快激光束入射至半透半反镜a中，经半透半反镜a将入射光束分为光路a与光路b，光路a依次入射至半波片与半透半反镜b中，经半透半反镜b将光路a分为光路a1与光路a2，光路a1入射至聚焦镜a中，聚焦镜a的出射光束聚集至靶材的A部分；光路a2经反射镜c反射后入射至聚焦镜b中，聚焦镜b的出射光束聚集至靶材的B部分；光路b依次经过反射镜a与反射镜b反射入射至半透半反镜b中，经半透半反镜b将入射光束分为光路b1与光路b2，光路b1入射至聚焦镜a中，聚焦镜a的出射光束聚集至靶材的A部分；光路b2经反射镜c反射后入射至聚焦镜b中，聚焦镜b的出射光束聚集至靶材的B部分；光路a1与光路b1、光路a2与光路b2为同轴光路。
所述半波片改变了光路a与光路b的相对偏振方向，使得光路a1与光路b1、光路a2与光路b2的相对偏振方向不同；光路a1与光路b1、光路a2与光路b2之间相对偏振方向的角度能够调节为0°到90°，以制备出纳米栅格的形状为不同角度及边长的棱形。
所述靶材为任意金属材料、半导体材料、高分子聚合物材料；所述样品台为二维运动台,所述样品台的运动速度和移动距离通过编制的计算机程序进行控制。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明利用相对偏振方向不同的两束同轴超快激光脉冲先后垂直聚焦于材料表面,以直接扫描方式快速制备出纳米尺寸的栅格；
2本发明所制备纳米栅格的方法具有工艺简单、速度快、无污染等优点,获得的纳米栅格具有规则性、周期性，特征尺寸远小于激光波长；
3、本发明将两路聚焦光同时在固体靶材表面扫描，并根据需要的尺寸面积调整扫描速度及扫描距离，使得靶材表面不同位置的两部分扫描获得的纳米栅格均匀衔接，用一半的时间即可快速制备出大面积的纳米栅格；
4、采用不同波长的超快激光可制备周期小于激光波长的纳米光栅，获得尺寸特征小于激光波长的纳米栅格。
附图说明
图1为本发明中方法部分的流程图；
图2为图1的实施例的流程图；
图3为本发明中装置部分的光路结构图。
主要符号说明如下：
1-半透半反镜a 2-半波片
3-半透半反镜b 4-反射镜a
5-反射镜b 6-反射镜c
7-聚焦镜a 8-聚焦镜b
9-靶材 10-样品台
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1与图2所示。本发明提供一种采用超快激光在靶材表面制备纳米栅格的方法，包括以下步骤：
100、将靶材固定在样品台上；
具体的，靶材的表面经处理后固定在样品台上，靶材为任意金属材料、半导体材料、高分子聚合物材料。样品台为二维运动台,样品台的运动速度和移动距离通过编制的计算机程序进行控制。
101、半透半反镜a将入射超快激光分为光路a与光路b；
具体的，超快激光入射至半透半反镜a中，半透半反镜a将出射光路分为光路a与光路b。其中，超快激光为飞秒激光或皮秒激光。
102、光路a经半透半反镜b反射被分为光路a1与a2，分别聚焦至靶材表面的A部分与B部分；
具体的，光路a依次经半波片与半透半反镜b被再次分为光路a1与a2，光路a1经聚焦镜a聚焦至靶材表面的A部分，光路a2依次经反射镜c与聚焦镜b聚焦至靶材表面的B部分。
在步骤102中，半波片改变了光路a与光路b的相对偏振方向，使得光路a1与光路b1、光路a2与光路b2的相对偏振方向不同。光路a1与光路b1、光路a2与光路b2之间相对偏振方向的角度能够调节为0°到90°，以制备出纳米栅格的形状为不同角度及边长的棱形。
103、光路b经半透半反镜b被分为光路b1与b2后，分别聚焦至靶材表面的A部分与B部分；
具体的，光路b依次经过反射镜a、反射镜b与半透半反镜b后被再次分为光路b1与光路b2，光路b1经聚焦镜a聚焦至靶材表面A部分，光路b2依次经反射镜c与聚焦镜b聚焦至靶材B部分。
104、两组同轴光路先后垂直聚焦在靶材表面，分别扫描出条纹方向互成一定角度的交叉式纳米栅格。
具体的，光路a1与光路b1、光路a2与光路b2为两组同轴光路，并且先后垂直聚焦在靶材表面，分别扫描出条纹方向互成一定角度的交叉式纳米栅格。
在步骤104中，光路a相对于光路b的时间进行延迟控制，以调节两组同轴光路相继到达靶材的时间差，两组同轴光路在靶材上聚焦的光斑位置相隔的有效长度为激光聚焦光斑尺寸的整数倍。
在步骤100至步骤104中，靶材的A部分为靶材的上半部分或左半部分，靶材的B部分为靶材的下半部分或右半部分。上述制备纳米栅格的方法具有工艺简单、速度快、无污染等优点,获得的纳米栅格具有规则性、周期性，特征尺寸远小于激光波长；将两路聚焦光同时在固体靶材表面扫描，并根据需要的尺寸面积调整扫描速度及扫描距离，使得不同的两部分扫描获得的纳米栅格均匀衔接，用一半的时间即可快速制备出大面积的纳米栅格；采用不同波长的超快激光制备周期小于激光波长的纳米光栅，获得尺寸特征小于激光波长的纳米栅格。
如图3所示，本发明同时还提供一种采用超快激光在靶材表面制备纳米栅格的装置，由半透半反镜a1、半波片2、半透半反镜b3、反射镜a4、反射镜b5、反射镜c6、聚焦镜a7与聚焦镜b8构成，其中，半透半反镜a1、半波片2、半透半反镜b3与聚焦镜a7依次水平排列在入射光路上，反射镜a4、反射镜b5、半透半反镜b3、反射镜c6与聚焦镜b8依次排列在反射光路上。其中，聚焦镜a7与聚焦镜b8呈平行方式排列，并且分别对应靶材9的A部分与B部分，靶材9设置在样品台10上。
其中，超快激光束入射至半透半反镜a1中，经半透半反镜a1将入射光束分为光路a与光路b两部分，其中，光路a依次入射至半波片2与半透半反镜b3中，经半透半反镜b3将光路a分为光路a1与光路a2两部分。其中，光路a1入射至聚焦镜a7中，聚焦镜a7的出射光束聚集至靶材9的A部分。光路a2经反射镜c6反射后入射至聚焦镜b8中，聚焦镜b8的出射光束聚集至靶材9表面的B部分。光路b依次经过反射镜a4与反射镜b5反射入射至半透半反镜b3中，经半透半反镜b3将入射光束分为光路b1与光路b2两部分，光路b1入射至聚焦镜a7中，聚焦镜a7的出射光束聚集至靶材9表面的A部分。光路b2经反射镜c6反射后入射至聚焦镜b8中，聚焦镜b8的出射光束聚集至靶材9的B部分。光路a1与光路b1、光路a2与光路b2为同轴光路，并且先后垂直聚焦在靶材表面，分别扫描出条纹方向互成一定角度的交叉式纳米栅格。
超快激光为飞秒激光或亚皮秒激光的任意一种。靶材的A部分为靶材的上半部分或左半部分，靶材的B部分为靶材的下半部分或右半部分。在本实施例中，靶材的A部分为靶材的上半部分，靶材的B部分为靶材的下半部分。同轴光路a1与光路b1聚焦于靶材的上半部分，同轴光路a2与光路b2聚焦于靶材的下半部分。通过半波片2改变了光路a与光路b的相对偏振方向，使得光路a1与光路b1、光路a2与光路b2的相对偏振方向不同；光路a1与光路b1、光路a2与光路b2之间相对偏振方向的角度能够调节为0°到90°，以制备出纳米栅格的形状为不同角度及边长的棱形。
靶材9的表面经处理后固定在样品台10上，靶材9为任意金属材料、半导体材料、高分子聚合物材料。样品台10为二维运动台，样品台的运动速度和移动距离通过编制的计算机程序进行控制。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种采用超快激光在靶材表面制备纳米栅格的方法，其特征在于，包括以下步骤：
100、将靶材(9)固定在样品台(10)上；
101、半透半反镜a(1)将入射超快激光分为光路a与光路b；
102、光路a依次经半波片(2)与半透半反镜b(3)被分为光路a1与a2，光路a1经聚焦镜a(7)聚焦至靶材(9)表面的A部分，半波片(2)改变了光路a与光路b的相对偏振方向，使两组同轴光路的相对偏振方向不同；光路a2依次经反射镜c(6)与聚焦镜b(8)聚焦至靶材(9)表面的B部分；
103、光路b依次经过反射镜a(4)、反射镜b(5)与半透半反镜b(3)后被分为光路b1与光路b2，光路b1经聚焦镜a(7)聚焦至靶材(9)表面A部分；光路b2依次经反射镜c(6)与聚焦镜b(8)聚焦至靶材(9)B部分；
104、光路a1与光路b1、光路a2与光路b2形成两组同轴光路，并且先后垂直聚焦于靶材(9)表面，分别扫描出条纹方向互成一定角度的交叉式纳米栅格。
2.根据权利要求1所述的采用超快激光在靶材表面制备纳米栅格的方法，其特征在于，在步骤100中，所述靶材(9)为金属材料、半导体材料或高分子聚合物材料。
3.根据权利要求2所述的采用超快激光在靶材表面制备纳米栅格的方法，其特征在于，所述样品台(10)为二维运动台,所述样品台的运动速度和移动距离通过编制的计算机程序进行控制。
4.根据权利要求1所述的采用超快激光在靶材表面制备纳米栅格的方法，其特征在于，光路a1与光路b1、光路a2与光路b2之间相对偏振方向的角度能够调节为大于0°小于90°，制备出纳米栅格的形状为不同角度及边长的 菱形。
5.根据权利要求4所述的采用超快激光在靶材表面制备纳米栅格的方法，其特征在于，在步骤104中，光路a相对于光路b的时间进行延迟控制，以调节两组同轴光路相继到达靶材(9)的时间差，两组同轴光路在靶材上聚焦的光斑位置相隔的有效长度为激光聚焦光斑尺寸的整数倍。
6.一种实施权利要求1所述方法的装置，其特征在于，在入射光路上依次水平排列有半透半反镜a(1)、半波片(2)、半透半反镜b(3)与聚焦镜a(7)，在反射光路上依次排列有反射镜a(4)、反射镜b(5)、所述半透半反镜b(3)、反射镜c(6)与聚焦镜b(8)，所述聚焦镜a(7)与所述聚焦镜b(8)呈平行方式排列，并且分别对应靶材的A部分与B部分，所述靶材设置在样品台上。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，超快激光束入射至半透半反镜a(1)中，经半透半反镜a(1)将入射光束分为光路a与光路b，光路a依次入射至半波片(2)与半透半反镜b(3)中，经半透半反镜b(3)将光路a分为光路a1与光路a2，光路a1入射至聚焦镜a(7)中，聚焦镜a(7)的出射光束聚集至靶材(9)的A部分；光路a2经反射镜c(6)反射后入射至聚焦镜b(8)中，聚焦镜b(8)的出射光束聚集至靶材(9)的B部分；光路b依次经过反射镜a(4)与反射镜b(5)反射入射至半透半反镜b(3)中，经半透半反镜b(3)将入射光束分为光路b1与光路b2，光路b1入射至聚焦镜a(7)中，聚焦镜a(7)的出射光束聚集至靶材(9)的A部分；光路b2经反射镜c(6)反射后入射至聚焦镜b(8)中，聚焦镜b(8)的出射光束聚集至靶材(9)的B部分；光路a1与光路b1、光路a2与光路b2为同轴光路。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述半波片(2)改变了光路a与光路b的相对偏振方向，使得光路a1与光路b1、光路a2与光路b2的相对偏振方向不同；光路a1与光路b1、光路a2与光路b2之间相对偏振方向的角度能够调节为大于0°小于90°，制备出纳米栅格的形状为不同角度及边长的菱形。
9.根据权利要求6至8中任一所述的装置，其特征在于，所述靶材(9)为金属材料、半导体材料或高分子聚合物材料；所述样品台为二维运动台,所述样品台的运动速度和移动距离通过编制的计算机程序进行控制。
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20150513 Termination date: 20220124 |