CN103639600A - 一种利用电子动态调控改变光栅结构周期的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用电子动态调控改变光栅结构周期的方法，属于飞秒激光应用技术领域。本发明通过时域脉冲整形技术设计飞秒激光脉冲序列，将飞秒激光脉冲序列，入射到加工物镜中聚焦，并保持激光焦点聚焦到样品表面，以相同的脉冲延迟增加脉冲序列中子脉冲的个数，使得在材料表面电离的自由电子密度维持在满足表面等离子体激发条件上并稳步增加，从而得到多种周期下的光栅结构。本发明在空气中即可进行，无需真空环境或液体、气体辅助，节约了加工成本，提高了加工效率。克服了飞秒激光器输出脉冲能量不稳定、周期调节精度低、周期范围有限等问题。

Description

一种利用电子动态调控改变光栅结构周期的方法
技术领域
本发明涉及一种利用电子动态调控改变光栅结构周期的方法，属于飞秒激光应用技术领域。
背景技术
飞秒激光出现后，周期明显小于入射光波长的亚波长表面周期性结构开始被人们发现。飞秒激光诱导表面周期性结构（光栅结构/波纹结构）在金属、半导体、绝缘体等材料上已被认为是普遍现象。它是一种在激光辐照下产生的永久性结构，具有制备简单、高效率、大面积等特点，因此在光学器件制造等领域具有很大的应用潜力。
周期是表面光栅结构最重要的几何参数之一，因此对光栅结构周期的调控十分重要。改变入射光的能量，脉冲数目，扫描速度，脉宽等参数，都会对周期产生一定的影响。在文章“S.A.Rosenfeld,J.KrügerandJ.Bonse,JAppl.Phys.112,014901(2012)”中，作者在熔融石英材料上改变飞秒激光的能量或脉冲个数，得到了平均大小分别为～600-700nm和～260-350nm的两种周期；在文章“Q.Sun,F.Liang,R.Vallée,andS.Chin,Opt.Lett.33,2713(2008)”中，作者通过改变飞秒激光的扫描速度在石英玻璃上实现了大小在170-340nm之间的周期调控。然而，目前的方法仅限于小范围的周期调控，调控精度较低，且得到的周期种类十分有限。
发明内容
本发明的目的是为了克服飞秒激光制备亚微米光栅结构过程中周期调控精度较低、周期种类有限等问题，提供一种利用电子动态调控改变光栅结构周期的方法，通过时域脉冲整形技术改进调控表面光栅结构周期大小，实现在亚微米范围更加有效、全面的周期调控。
本发明的目的是通过以下技术来实现的：
步骤一、设计飞秒激光脉冲序列。
具体设计方法为：通过脉冲整形器进行飞秒激光脉冲整形，将一个脉宽为nfs的激光脉冲在时域上分成若干个脉宽均为nfs的子脉冲，其中30fs＜n＜200fs，子脉冲间的脉冲延迟均在飞秒量级，得到一组飞秒激光脉冲序列；子脉冲的个数可调，其个数使飞秒激光脉冲序列与加工材料相互作用过程中能调整材料的局部瞬时电子动态，改变最终沉积在材料表面的激光能量分布。
所述局部瞬时电子动态包括电子激发、电离、复合过程以及自由电子密度、温度。
相邻两组飞秒激光脉冲序列间的时间间隔为ms-s量级。
所述加工材料为绝缘体。
步骤二、将步骤一得到的飞秒激光脉冲序列，入射到加工物镜中聚焦，并保持激光焦点聚焦到样品表面。
步骤三、通过置于脉冲整形器入口前的光学器件调整脉冲序列的总能量，使之高于材料的烧蚀阈值。
步骤四、以相同的脉冲延迟增加脉冲序列中子脉冲的个数，使得在材料表面电离的自由电子密度维持在满足表面等离子体激发条件上并稳步增加，从而得到多种周期下的光栅结构。
由于子脉冲个数增加，使得可调节间隔增大，得到的光栅结构的周期不断变大。所述可调节间隔为光栅相邻两个凸起间的凹槽宽度。
步骤五、控制辐照到样品表面的脉冲序列个数，使得总个数小于50，以得到连续的光栅结构。
有益效果
1、与传统的飞秒激光加工相比增加了周期段，克服了传统加工中周期调节精度低、周期范围有限等问题。
2、本发明通过改变脉冲序列中子脉冲的个数对周期进行调节，在确定的子脉冲个数下合理的能量波动不会对结构的周期产生影响，克服了飞秒激光器输出脉冲能量不稳定的固有缺陷，而传统的飞秒激光单脉冲加工中在阈值附近的能量波动会对结构的周期产生很大影响。
3、本发明在空气中即可进行，无需真空环境或液体、气体辅助，节约了加工成本，提高了加工效率。
附图说明
图1为具体实施例中按照本发明方法得到的激光加工光栅结构图：其中，1—光栅周期、2—可调节间隔。
具体实施方式：
下面结合实施例和附图说明对本发明做进一步说明：
飞秒激光系统为美国光谱物理（SpectrumPhysics）公司生产的激光器，放大级输出脉冲的中心波长为800nm，脉冲宽度为35fs，重复频率为1KHz，光强分布为高斯型，单脉冲最大能量3mJ，线偏振光。
脉冲整形器为美国Biophotonic公司生产的MIIPSbox，它可以把一个传统的飞秒激光脉冲，整形成一个由数个子脉冲组成的脉冲序列，其中每个脉冲序列中子脉冲的脉宽为50fs，子脉冲个数、子脉冲间的脉冲延迟、能量分配比例等参数均可调。
试验样品为1cm×1cm×0.5mm的熔融石英薄片，双面进行光学级抛光，表面粗糙度小于5埃。
步骤一、打开飞秒激光器，调整加工平台为水平，调整光路并确保激光垂直入射到加工平台，将样品用双面胶固定在载玻片上并置于加工平台上；
步骤二、利用半波片和偏振片的组合调节激光脉冲能量到200mw以下，以满足脉冲整形器的入口功率，打开置于光路中的脉冲整形器，把飞秒激光单脉冲在时域调制为脉冲序列，设定脉冲序列中子脉冲能量相等，子脉冲间的脉冲延迟均为100fs，子脉冲的个数为变量；
步骤三、借助照明器、CCD成像系统和加工平台，把步骤二所得的脉冲序列通过5倍的显微物镜聚焦到样品的上表面；
步骤四、在每个不同的子脉冲个数条件下，调节脉冲序列的总能量到烧蚀阈值附近，降低激光的重复频率，通过一个电脑控制的机械开关精确地控制辐照材料表面的脉冲序列总个数为15个；
在近阈值的能量范围，
（1）子脉冲个数为1时（相当于普通的飞秒激光单脉冲），通过调节脉冲能量可以获得大小为190-240nm和550-800nm的周期（尺寸1），其中550-800nm范围内的周期调节可以通过调节脉冲个数实现；
（2）子脉冲个数为2时，可调节间隔2增加，获得大小为255-300nm的周期；
（3）子脉冲个数为3时，可调节间隔2进一步增加，获得大小为350-400nm的周期；
（4）子脉冲个数为4时，可调节间隔2进一步增加，获得大小为420-490nm的周期。

Claims (6)

1.一种利用电子动态调控改变光栅结构周期的方法，其特征在于：具体步骤如下： 
步骤一、设计飞秒激光脉冲序列； 
具体设计方法为：通过脉冲整形器进行飞秒激光脉冲整形，将一个脉宽为nfs的激光脉冲在时域上分成若干个脉宽均为nfs的子脉冲，得到一组飞秒激光脉冲序列；其中30fs＜n＜200fs，子脉冲间的脉冲延迟均在飞秒量级；子脉冲的个数可调； 
步骤二、将步骤一得到的飞秒激光脉冲序列，入射到加工物镜中聚焦，并保持激光焦点聚焦到样品表面； 
步骤三、通过置于脉冲整形器入口前的光学器件调整脉冲序列的总能量，使之高于材料的烧蚀阈值； 
步骤四、以相同的脉冲延迟增加脉冲序列中子脉冲的个数，使得在材料表面电离的自由电子密度维持在满足表面等离子体激发条件上并稳步增加，从而得到多种周期下的光栅结构； 
步骤五、控制辐照到样品表面的脉冲序列个数，使得总个数小于50，以得到连续的光栅结构。 
2.根据权利要求1所述的一种利用电子动态调控改变光栅结构周期的方法，其特征在于：子脉冲个数使飞秒激光脉冲序列与加工材料相互作用过程中能调整材料的局部瞬时电子动态，改变最终沉积在材料表面的激光能量分布。 
3.根据权利要求1所述的一种利用电子动态调控改变光栅结构周期的方法，其特征在于：相邻两组飞秒激光脉冲序列间的时间间隔为ms-s量级。 
4.根据权利要求1所述的一种利用电子动态调控改变光栅结构周期的方法，其特征在于：所述加工材料为绝缘体。 
5.根据权利要求1所述的一种利用电子动态调控改变光栅结构周期的方法，其特征在于：由于子脉冲个数增加，使得可调节间隔增大，得到的光栅结构的周期不断变大；所述可调节间隔为光栅相邻两个凸起间的凹槽宽度。 
6.根据权利要求2所述的一种利用电子动态调控改变光栅结构周期的方法，其特征在于：所述局部瞬时电子动态包括电子激发、电离、复合过程以及自由电子密度、温度。 
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