CN103706947B - 一种周期形貌可调谐的微纳米结构表面大面积制备方法及加工系统 - Google Patents

一种周期形貌可调谐的微纳米结构表面大面积制备方法及加工系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种周期形貌可调谐的微纳米结构表面大面积制备方法及加工系统。激光干涉加工方法是一种被广泛使用的微纳米加工手段，但是激光干涉加工方法的局限性在于仅能产生固定周期和形貌的干涉场强度分布，由此加工出的微纳米结构形貌单一，可调谐性差，难以满足特定设计的多功能表面的加工需求。针对传统激光干涉加工技术遇到的瓶颈，本发明在原有多光束激光干涉加工系统的基础上，引入波前调制器件来精确调控光束波前相位和振幅，从而产生预先设计的目标干涉光场强度分布，最终实现可变周期和形貌的大面积微纳米结构加工。本发明为非周期性多样化结构表面的大面积批量化制备提供了有效的途径。

Description

一种周期形貌可调谐的微纳米结构表面大面积制备方法及加工系统
技术领域
本发明属于微细加工技术领域，特别涉及一种周期形貌可调谐的微纳米结构表面大面积制备方法及加工系统。
背景技术
激光加工技术是一种重要的微纳米加工方式。它通过光与材料的相互作用，可以使材料表面产生可控的微纳米结构。激光加工技术具有高效、简易、绿色无污染的优点。激光加工方法主要可分为直写加工和干涉加工两种。激光直写加工技术可以制备出任意形貌的精细结构，但是加工过程耗时长，效率低，难于用于批量化制造。激光干涉加工方法通过激光光束的时空叠加产生干涉场作用于材料，可以大大提高加工效率，并且具有无需掩膜、系统简易、加工面积大、成本低的特点，目前已经成为一种广泛的微纳米加工手段。
在激光干涉加工过程中通过调整相干光束的数目、空间角以及能量分布、偏振态分布等参数，可以实现相对多样化的周期结构加工。通过多次曝光的方式同样可以在光刻负胶中获得三维纳米粗糙度的光子晶体结构。另外超快激光高达TW/cm2量级的瞬时功率密度使在金属、半导体及聚合物等多样化的材料中干涉加工出表面周期性结构成为可能。
然而，激光干涉加工方法的局限性在于仅能产生固定周期和光强分布的干涉场，产生的微纳米结构形貌单一，可调谐性差，难以满足特定设计的多功能表面的加工需求。在现实应用中，很多情形下需要大面积的非周期（或渐变周期）亚微米级精细结构，这对传统干涉加工技术提出了挑战。
发明内容
针对传统激光干涉加工技术遇到的瓶颈，本发明提出一种新的波前调控激光干涉加工方法，在原有多光束激光干涉加工系统的基础上，通过引入波前调制器件精确调控空间光束的波前相位和振幅，从而产生预先设计的目标干涉光场强度分布，最终实现可调谐周期和形貌的大面积微纳米结构表面加工。本发明为非周期表面的大面积批量化制备提供了有效的途径。
本发明采用的技术方案为：一种周期形貌可调谐的微纳米结构表面大面积制备方法，其特征在于，在普通多光束干涉加工系统中引入波前调制器件，对部分或全部空间光束波前的进行调控，可以实现目标光场强度周期和形貌的控制，将调制后的目标光场作用于光敏材料表面，即可形成对应的周期形貌可调谐的微纳米结构。
其中，所述的波前调制器件可以为振幅型器件，也可以为相位型或振幅-相位复合型器件。
其中，可以将控制各光束的偏振方向分布和振幅-相位调制类型相结合，从而产生多样化的目标干涉光场。
本发明另外提供一种周期形貌可调谐的微纳米结构表面大面积加工系统，该系统包括激光器光源、能量衰减器、扩束器、第一分束器、第二分束器、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第一半波片、第二半波片、第三半波片、第四半波片、第一起偏器、第二起偏器、第三起偏器、第四起偏器、波前调制器件、精密移动平台和CCD相机；其中半波片和起偏器用于控制各光束的能量和偏振态；波前调制器件用于调控空间光束的波前；精密移动平台用于定位和移动样品；CCD相机用于监控加工过程和检测加工结果；激光器光源发出的激光光束经由能量衰减器将其能量调节至适当值，其中能量衰减器包含第一半波片和第一起偏器；然后光束经过扩束器扩束和准直，被第一分束器分为两束；其中一束经过第一反射镜反射后又可被第二分束器分为两束，；每束光的能量和偏振态均由相关半波片和起偏器控制，包括第二半波片和第二起偏器、第三半波片和第三起偏器、第四半波片和第四起偏器；其中第二束光波前由波前调制器件调控，最终各束光交会形成特定的光场分布，作用于样品表面。
其中，所述的波前调制器件可以为数字微镜阵列、硅基液晶空间光调制器或变形镜类型的波前调制器件。
本发明另外提供一种周期形貌可调谐的微纳米结构表面大面积加工系统，该系统包括激光器光源、能量衰减器、扩束器、分束器、半波片、起偏器、波前调制器件、CCD相机，精密移动平台及计算机；其中半波片和起偏器用于控制各光束的能量和偏振态；波前调制器件用于调控空间光束的波前；精密移动平台用于定位和移动样品；CCD相机用于监控加工过程和检测加工结果；激光器光源发出的激光光束经由能量衰减器将其能量调节至适当值，其中能量衰减器包含半波片I和起偏器I；然后光束经过扩束器扩束和准直，被分束器分为两束；其中一束经过波前调制器件调制波前并反射；两束光的能量和偏振态均由相关半波片和起偏器控制，包括半波片II和起偏器II、半波片III和起偏器III；最终各束光交会形成特定的光场分布，作用于样品表面。
其中，所述的波前调制器件可以为数字微镜阵列、硅基液晶空间光调制器或变形镜类型的波前调制器件。
本发明的有益效果在于：
1、本发明通过对相干光束的调制，可以最终实现可调谐周期或者形貌的目标光场强度分布，完成复杂微纳米结构表面的大面积制备。
2、本发明所提出的周期形貌可调谐的微纳米结构表面大面积制备方法中既可以使用振幅型空间光调制器，也可以使用相位型空间光调制器，亦可采用多个不同类型的灵活组合，实现复杂结构的大面积制备。
3、本发明所提出的加工系统，装置简单，控制灵活，有利于该技术的工业化推广。
附图说明
图1是本发明设计的一种波前调控三光束干涉加工系统示意图。
图1中：
1 激光器光源      2 能量衰减器
3 第一半波片      4 第一起偏器
5 扩束镜          6 第一分束器
7 第一反射镜      8 第二分束器
9 第二半波片      10 第二起偏器
11 波前调制器件   12 第二反射镜
13 第三半波片     14 第三起偏器
15 第三反射镜     16 第四半波片
17 第四起偏器     18 样品
19 移动平台       20 CCD相机
21 计算机
图2是三束空间光偏振分布为（-30°,90°,210°）和相位调制类型为闪耀光栅时产生的干涉光场强度分布图。
图3是三束空间光偏振分布为（-30°,135°,300°）和相位调制类型为正弦光栅时产生的干涉光场强度分布图。
图4是三束空间光偏振分布为（-30°,210°,450°）和振幅调制时产生的干涉光场强度分布图。
图5是本发明设计的一种波前调控双光束干涉加工系统示意图。
图5中：
22 激光器光源
23 能量衰减器  24 半波片I
25 起偏器I     26 扩束镜
27 分束器      28 波前调制器件
29 半波片II    30 起偏器II
31 半波片III   32 起偏器III
33 计算机      34 样品
35 移动平台    36 CCD相机
图6是双光束干涉加工时通过相位调制产生的干涉光场强度分布图。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明进行进一步的说明，但是本发明的保护范围不限于这些实施例，本领域的技术人员也容易根据下面的实例想到其他类似的实施例。
实施例1：
波前调控激光干涉加工系统包含激光器光源1、能量衰减器2、扩束镜5、第一、第二、第三反射镜7、12、15、第一、第二分束器6、8、第一、第二、第三、第四半波片3、9、13、16、第一、第二、第三、第四起偏器4、10、14、17、波前调制器件11、CCD相机20，精密移动平台19及计算机21，如图1所示。其中半波片和起偏器用于控制各光束的能量和偏振态；波前调制器件用于调控空间光束的波前；精密移动平台用于定位和移动样品；CCD相机用于监控加工过程和检测加工结果。激光器光源1发出的激光光束经由能量衰减器2将其能量调节至适当值，其中能量衰减器2包含第一半波片3和第一起偏器4；然后光束经过扩束器5扩束和准直，被第一分束器6分为两束；其中一束经过第一反射镜7反射后又可被第二分束器8分为两束，；每束光的能量和偏振态均由相关半波片和起偏器控制，包括第二半波片9和第二起偏器10、第三半波片13和第三起偏器14、第四半波片16和第四起偏器17；其中第二束光波前由波前调制器件11调控，最终各束光交会形成特定的光场分布，作用于样品表面。激光器光源1要求线宽窄，相干长度长,以便易于产生干涉条纹；另外要求波长处于紫外-深紫外区域，以便被加工材料可以产生高吸收。波前调制器件11可以为相位型，也可以为振幅型；可用的波前调制器件包括硅基液晶空间光调制器、数字微镜阵列或变形镜等。激光出射后经过扩束和准直，然后经过各个反射镜和分束器，最终被分成双光束或者多光束；每束光均通过半波片和起偏器来精准控制各自的能量和偏振方向。多光束中部分光束照射在波前调制器件11上进行相位或振幅调制。各光束最终以特定的角度在样品表面交汇形成干涉光场分布；样品表面吸收光能形成相应的大面积微纳米结构。本发明适用于双光束干涉和多光束干涉（比如三光束或四光束）。
根据光束叠加原理，其目标干涉场的电场强度可以表示为而相应的光强分布则可以表示为其中N是光束数目。由此可知，对其中某个Ei或数个Ei进行调制，即可影响最终It的分布。同时，对于特定需求的It，也可以通过计算设计出合理的Ei调制量。以典型的三光束干涉为例，在光束空间均匀分布的情况下，通过对其中一束光进行正弦型纯相位光栅调制，即可获得可变周期的干涉场强度分布。通过变化调制类型，可以得到更加多样化的干涉场强度分布。
选取激光器光源1为波长355nm的纳秒脉冲激光器，出射光被分为三束并且其中一束被硅基液晶空间光调制器11进行纯相位调制（图1）。三束光空间均匀分布，其方位角均为5°，极角依次为(0°,120°,240°)。三束光偏振方向依次为(-30°,90°,210°)。当不对三束空间光进行相位调制时，干涉图样为均匀分布的圆形高斯分布强度峰（图2）。当利用硅基液晶空间光调制器11对其中一束光施加一个一维周期闪耀光栅（图2）的相位调制时，干涉图像被调控为均匀分布的椭圆形强度峰（图2），从而可用于椭圆形阵列的光刻加工。
实施例2：
选取激光器光源1为波长为355nm的纳秒脉冲激光器，出射光被分为三束并且其中一束被变形镜11进行纯相位调制（图1）。三束光空间均匀分布，其方位角均为5°，极角依次为(0°,120°,240°)。三束光偏振方向依次为(-30°,135°,300°)。当不对三束空间光进行相位调制时，干涉图样为均匀分布的矩形强度峰（图3）。当利用变形镜11对其中一束光施加一个一维正弦型光栅（图3）的相位调制时，干涉图像被调控为非均匀的菱形强度峰（图3），从而可用于非周期阵列的光刻加工。
实施例3：
选取激光器光源1为波长为355nm的纳秒脉冲激光器，出射光被分为三束并且其中一束被数字微镜阵列11进行振幅调制（图1）。三束光空间均匀分布，其方位角均为5°，极角依次为(0°,120°,240°)。三束光偏振方向依次为(-30°,210°,450°)。当不对三束空间光进行振幅调制时，干涉图样为均匀分布的圆形高斯分布强度谷（图4）。当利用数字微镜阵列11对其中一束光施加图案型（图4）的幅值调制时，干涉图像被调控为被图案限制的强度谷（图4），从而可用于无掩模图案化周期阵列的光刻加工。
实施例4：
波前调控激光干涉加工系统包含激光器光源22、能量衰减器23、扩束镜26、半波片I、II、III、分束器27、起偏器I、II、III、波前调制器件28、CCD相机36，精密移动平台35及计算机33，如图5所示。
波前调控激光干涉加工系统包括激光器光源22、能量衰减器23、扩束器26、分束器27、半波片I、II、III、起偏器I、II、III、波前调制器件28、CCD相机36，精密移动平台35及计算机33；其中半波片和起偏器用于控制各光束的能量和偏振态；波前调制器件用于调控空间光束的波前；精密移动平台用于定位和移动样品；CCD相机用于监控加工过程和检测加工结果；激光器光源22发出的激光光束经由能量衰减器23将其能量调节至适当值，其中能量衰减器23包含半波片I和起偏器I；然后光束经过扩束器26扩束和准直，被分束器27分为两束；其中一束经过波前调制器件28调制波前并反射；两束光的能量和偏振态均由相关半波片和起偏器调控，包括半波片II和起偏器II、半波片III和起偏器III；最终各束光交会形成特定的光场分布，作用于样品表面。
选取激光器光源22为波长为355nm的纳秒脉冲激光器，出射光被分为两束并且其中一束被变形镜28进行纯相位调制（图5）。两束光夹角为10°。当不进行相位调制时，干涉图样为均匀分布的直线（图6）。当利用变形镜28对其中一束光施加一个一维正弦型光栅（图6）的相位调制时，干涉图像被调控为均匀分布的曲线（图6），从而可用于周期性曲线的光刻加工。
本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (4)

1.一种周期形貌可调谐的微纳米结构表面大面积加工系统，其特征在于该系统包括激光器光源(1)、能量衰减器(2)、扩束器(5)、第一分束器(6)、第二分束器(8)、第一反射镜(7)、第二反射镜(12)、第三反射镜(15)、第一半波片(3)、第二半波片(9)、第三半波片(13)、第四半波片(16)、第一起偏器(4)、第二起偏器(10)、第三起偏器(14)、第四起偏器(17)、波前调制器件(11)、精密移动平台(19)和CCD相机(20)；其中半波片和起偏器用于控制各光束的能量和偏振态；波前调制器件用于调控空间光束的波前；精密移动平台用于定位和移动样品；CCD相机用于监控加工过程和检测加工结果；激光器光源(1)发出的激光光束经由能量衰减器(2)将其能量调节至适当值，其中能量衰减器(2)包含第一半波片(3)和第一起偏器(4)；然后光束经过扩束器(5)扩束和准直，被第一分束器(6)分为两束；其中一束经过第一反射镜(7)反射后又被第二分束器(8)分为两束；每束光的能量和偏振态均由相关半波片和起偏器控制，包括第二半波片(9)和第二起偏器(10)、第三半波片(13)和第三起偏器(14)、第四半波片(16)和第四起偏器(17)；其中被第二分束器(8)分为两束中的第二束光波前由波前调制器件(11)调控，最终各束光交会形成特定的光场分布，作用于样品表面。
2.如权利要求1所述的周期形貌可调谐的微纳米结构表面大面积加工系统，其特征在于所述的波前调制器件(11)可以为数字微镜阵列、硅基液晶空间光调制器或变形镜类型的波前调制器件。
3.一种周期形貌可调谐的微纳米结构表面大面积加工系统，其特征在于该系统包括激光器光源(22)、能量衰减器(23)、扩束器(26)、分束器(27)、半波片I、II、III、起偏器I、II、III、波前调制器件(28)、CCD相机(36)，精密移动平台(35)及计算机(33)；其中半波片和起偏器用于控制各光束的能量和偏振态；波前调制器件用于调控空间光束的波前；精密移动平台用于定位和移动样品；CCD相机用于监控加工过程和检测加工结果；激光器光源(22)发出的激光光束经由能量衰减器(23)将其能量调节至适当值，其中能量衰减器(23)包含半波片I和起偏器I；然后光束经过扩束器(26)扩束和准直，被分束器(27)分为两束；其中一束经过波前调制器件(28)调制波前并反射；两束光的能量和偏振态均由相关半波片和起偏器控制，包括半波片II和起偏器II、半波片III和起偏器III；最终各束光交会形成特定的光场分布，作用于样品表面。
4.如权利要求3所述的周期形貌可调谐的微纳米结构表面大面积加工系统，其特征在于所述的波前调制器件(11)可以为数字微镜阵列、硅基液晶空间光调制器或变形镜类型的波前调制器件。
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