CN104439699A - 一种激光制备微纳阵列结构的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种新的利用激光制备微纳阵列结构的系统和方法。该方法包括：提供具有使待加工材料产生多光子吸收效应的波长的第一激光束；将高斯分布的第一激光束均匀化处理为能量分布均匀的第一平顶光束；用微透镜阵列组件将平顶光束分束为以阵列排列的多个激光束；将阵列排列的多个激光束分别聚焦于同一平面的光束聚焦组件；和对置于计算机控制的微移动台上的金属离子溶液进行扫描，得到数百个微纳尺度的周期性阵列结构，其中第一平顶光束的束斑面积等于或小于所述微透镜阵列组件的有效阵列面积。本发明能实现快速、批量、大规模制备结构一致的、尺寸可控的微纳阵列结构。
Description
技术领域
本发明涉及基于金属、聚合物、复合材料等功能性材料的微纳结构制备领域。更具体地，涉及一种利用飞秒激光制备周期性微纳阵列结构的系统和方法。
背景技术
由于金属、聚合物、复合材料等功能性材料的微纳结构具有新颖的光学、电学、磁学性能，在微纳光电子器件、表面等离子体基元共振与传输、高灵敏度化学与生物传感器、高集成度光电器件、太阳能电池三维纳米电极及人工超材料等方面具有重要应用潜力，因此对于功能材料微纳结构制备方法的研究也受到广泛重视。
目前，利用飞秒激光多光子还原来制备功能材料微纳结构由于其能够直写出任意的复杂三维结构，且能够突破衍射极限达到微纳米尺度的加工精度，因此在各种微纳结构的加工方法中脱颖而出，成为一个研究热点。但是这种直写加工方法由于受到加工过程中扫描方式的限制，仍面临着加工效率低、加工面积有限的问题。
为了提高飞秒激光三维直写加工技术的加工效率，人们进行了很多研究。例如，2005年，日本S.Kawata研究组采用重复频率为1000Hz的飞秒放大级激光器，并利用微透镜阵列将一束激光分为两百多激光束，使激光束焦点呈阵列化分布，可实现同时并行加工两百多个微结构。这种方法为大批量生产MEMS零部件提供了途径，参见J.Kato等，Appl.Phys.Lett.，2005，86(4)：44102。2006年，该研究小组通过使用上述的方法结合无极电镀技术，实现了聚合物阵列结构表面的金属化，可以同时并行加工七百多个周期性金属结构，且金属结构大小均匀，结构特征尺度可以达到100nm以下，参见F.Formanek等，Opt.Express，2006，14：800–809。再如，2005年，日本S.Matsuo等人同样采用重复频率为1000Hz的飞秒放大级激光器，并利用微透镜阵列将扩束后的激光束分为数百多束，在微透镜焦点处形成阵列化点光源，在微透镜与物镜中间加入中继透镜，使发散的点光源会聚于物镜入瞳。通过调节中继透镜的焦距，实现物镜焦平面阵列化焦点间距的调节，参见S.Matsuo等，Appl.Phys.A，2005，80：683–685。2007年，该研究小组又在微透镜阵列焦平面上加入一块光掩膜板，这使得加工出的二维周期性阵列结构具有任意可设计的图案轮廓，参见S.Matsuo等，Appl.Opt.，2007，46：8264–8267。
但是，上述的加工方法具有以下缺点：由于激光束光斑具有高斯能量分布，光斑中心能量高边缘能量低，能量束斑平面内分布不均匀。在将激光束应用于微透镜阵列时首先要对呈高斯分布的激光束进行扩束以扩大的激光束中高能量部分的面积。为得到尽可能均匀的加工效果，现有加工方法中仅使激光束中能量高且相对均匀的中心部分通过微透镜阵列而放弃扩束后激光束的边缘部分，这导致相当一部分激光束能量的损失。由于激光经微透镜阵列分束后每束激光的能量显著降低，为使各分束激光束具有能够产生多光子吸收效应的能量，需要采用放大级激光器来满足要求，也就是在激光器中引入再生放大器将激光器输出的激光脉冲能量放大多于三个数量级，达到例如每脉冲1.8mJ能量。再生放大器的引入一方面导致了设备费用大幅度增加，另一方面由于再生放大器的重复频率只有1000Hz，在扫描速度较高时将导致所获得的结构的光滑度下降。同时，虽然采用扩束方式将激光能量分散，但是束斑中用于分束部分的中心结构与边缘结构的能量差别仍然较大，所得到阵列结构的一致性不够理想。由于阵列结构之间的间距是由微透镜阵列中透镜单元的间距决定，在微透镜阵列单元分布较密的情况下其所能够制备的结构的尺寸有限，只适合制备小尺寸的零部件，不能实现较大结构的并行加工。
为解决利用微透镜阵列实现微纳阵列结构加工方法中光束能量差异导致结构一致性较差、激光重复频率过低导致结构表面粗糙、以及结构尺寸有限等问题，中国科学院理化技术研究所Xian-Zi Dong等人提出继续采用80MHz准连续的飞秒振荡级激光器，通过衍射元件将一束激光分为9束，实现了可组合的多束光并行加工方法。虽然焦点数量较单焦点加工只提高9倍，但这种方法可实现由多个零部件组合的MEMS快速加工与装配，同时，通过简单的光路元件的适当配置可实现焦点数量和周期的任意调节来制备任意尺寸的微纳结构，参见Xian-Zi Dong等，Appl.Phys.Lett.，2007，91：124103。但是该方法与微透镜阵列加工相比，不能同时并行加工数百个微纳结构，无法实现大面积、阵列化结构的制备。
因此，需要一种新的激光直写加工技术，其既能满足同时并行加工数百个微纳结构，实现大面积、阵列化结构的制备，同时制得的微纳结构分辨率高、表面一致性好、尺寸可控。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种利用激光制备微纳阵列结构的系统。本发明能实现快速、批量、大规模制备结构一致的、尺寸可控的微纳阵列结构。
本发明另一目的是提供一种新的利用激光制备微纳阵列结构的方法。
为了解决将激光扩束后光斑中心与边缘的能量差异所导致制备的微纳阵列结构一致性不理想的问题，本发明提出在激光扩束后加入光束整形组件对激光呈高斯分布的能量进行均匀化处理，使其变成能量分布均匀的平顶光束。当平顶光束通过微透镜阵列组件分束后，得到能量分布均匀的数百束激光，这样就能保证每一束激光制备的微纳结构保持较理想的一致性。在本发明中，通过将对激光能量进行均匀化处理的光束整形组件的出瞳面积选择为等于或小于微透镜阵列组件的有效阵列面积，可以将激光束的全部能量用于形成激光束阵列。因为激光光源输出的激光束的能量得以充分利用，无需采用重复频率低且价格昂贵的放大级激光器，仅用常规激光器就可以制备出表面光滑的微纳阵列结构。
本发明利用光学聚焦组件将经微透镜阵列组件分束后的数百束激光聚焦于待加工样品，以金属离子溶液为例。将激光光源调节为其输出波长能够使待加工的金属离子产生多光子吸收效应并还原为金属纳米颗粒的激光束，激光束并不在其通过的所有区域与溶液发生作用，而仅仅在激光束能量达到可以使溶液产生多光子吸收引发光化学反应的阈值的区域进行。通过调节激光束的能量，使经过每一个微透镜单元的光束能量达到光化学反应的阈值，使每一个聚焦激光束的焦点范围内被照射的金属离子同时吸收多个光子，产生多光子吸收效应，引发光化学反应从而被还原为金属纳米颗粒，金属纳米颗粒聚集形成金属微纳结构。这样就可以快速、批量、大规模制备金属微纳结构。
根据本发明的一个方面，提供一种激光制备微纳阵列结构的系统，包括：
用于提供使待加工材料产生多光子吸收效应的第一激光束的第一激光光源；
用于将所述第一激光束均匀化为能量分布均匀的第一平顶光束的第一光束整形组件；
用于将所述第一平顶光束分束为以阵列排列的多个激光束的微透镜阵列组件；
用于将阵列排列的激光束分别聚焦于同一平面的光束聚焦组件；和
计算机控制的微移动台，
其特征在于，
所述光束整形组件的出瞳面积等于或小于所述微透镜阵列组件的有效阵列面积。
优选地，所述第一光束整形组件包括：
用于对来自激光光源的激光束进行扩束的第一扩束透镜，和
用于将高斯分布的第一扩束透镜出射光整形为能量均匀分布的平顶光束的第一光束整形器。
第一光束整形器出瞳面积等于或小于所述微透镜阵列组件的有效阵列面积。
根据本发明的另一方法，提供一种激光制备微纳阵列结构的系统，该系统包括用于提供使待加工材料产生多光子吸收效应的第一激光束的第一激光光源和用于提供使待加工材料产生表面等离子体吸收和光镊作用的第二激光束的第二激光光源；
用于将所述第一激光束均匀化为能量分布均匀的第一平顶光束的第一光束整形组件和用于将所述第二激光束均匀化为能量分布均匀的第二平顶光束的第二光束整形组件；
用于将所述第一平顶光束和所述第二平顶光束叠加为沿同一光路行进的叠加平顶光束的二向色镜和反射镜；
用于将所述叠加平顶光束分束为以阵列排列的多个激光束的微透镜阵列组件；
用于将阵列排列的各激光束分别聚焦于同一平面的光束聚焦组件；和
计算机控制的微移动台，
其特征在于，
所述第一光束整形组件的出瞳面积等于或者小于所述第二光束整形组件的出瞳面积，且第二光束整形组件的出瞳面积等于或小于所述微透镜阵列组件的有效阵列面积。
优选地，所述第一光束整形组件包括：用于对来自第一激光光源的第一激光束进行扩束的第一扩束透镜，和
用于将高斯分布的第一扩束透镜出射光整形为能量均匀分布的平顶光束的光束整形器，
第一光束整形器的出瞳面积等于或小于所述微透镜阵列组件的有效阵列面积，且
所述第二光束整形组件包括：
用于对来自第二激光光源的第二激光束进行扩束的第二扩束透镜，和
用于将高斯分布的第二扩束透镜出射光整形为能量均匀分布的平顶光束的光束整形器。
第二扩束透镜的出瞳面积等于或小于所述微透镜阵列组件的有效阵列面积。
优选地，所述微透镜阵列组件包括数十、数百个或者数千个透镜单元的阵列结构。
优选地，所述微透镜阵列单元周期为0.1μm-10mm。
优选地，所述光束聚焦组件包括：
用于将以阵列排列的多个激光束分别聚焦于同一平面的显微镜物镜，和
放置于在所述微透镜阵列组件与物镜之间用于使微透镜阵列焦平面上的点光源会聚于物镜入瞳的中继透镜。
优选地，所述的中继透镜为凸透镜，焦距为50mm-500mm。通过调节位于微透镜阵列组件和物镜之间的中继透镜的焦距，可以实现物镜焦平面上阵列焦点的周期的调节，从而实现对微纳阵列结构周期的调节，由此可以制备任意尺寸的周期性微纳结构。
根据本发明的又一方面，提供一种激光制备微纳阵列结构的方法，该方法包括，
提供具有使待加工材料产生多光子吸收效应的波长的第一激光束；
将高斯分布的第一激光束均匀化处理为能量分布均匀的第一平顶光束；
用微透镜阵列组件将平顶光束分束为以阵列排列的多个激光束；
将阵列排列的多个激光束分别聚焦于同一平面的光束聚焦组件；和
对置于计算机控制的微移动台上的待加工样品进行扫描，得到数百个微纳尺度的周期性阵列结构，
其特征在于，
所述第一平顶光束的束斑面积等于或小于所述微透镜阵列组件的有效阵列面积。
优选地，待加工样品为有机光敏材料，无机光敏材料，金属离子溶液。
根据本发明的再一方面，提供一种激光制备微纳阵列结构的方法，该方法包括，
提供具有使待加工材料产生多光子吸收效应的波长的第一激光束和具有使该待加工材料产生表面等离子体吸收和光镊作用的第二激光束；
分别将高斯分布的第一激光束和第二激光束均匀化处理为能量分布均匀的第一平顶光束和第二平顶光束；
用于将所述第一平顶光束和所述第二平顶光束叠加为沿同一光路行进的叠加平顶光束；
用微透镜阵列组件将所述叠加平顶光束分束为以阵列排列的多个激光束；
将阵列排列的各激光束分别聚焦于同一平面；和
用阵列排列的激光束对置于计算机控制的微移动台上的待加工样品进行扫描，得到数百个微纳尺度的周期性阵列结构，其中
所述经均化的第一平顶光束等于或者小于第二平顶光束的束斑面积，且第二平顶光束的束斑面积等于或小于所述微透镜阵列组件的有效阵列直径。
适用于本发明的光束整形器的适用波长范围为157nm-1064nm，光束整形器的入射光束直径为1mm-20mm，可为无源或有源器件。
优选地，待加工样品为金属离子溶液。
优选地，微透镜阵列组件的材质为玻璃、石英或树脂聚合物。
优选地，微透镜阵列单元的形状为球面透镜单元或非球面透镜单元。更优选地，所述非球面透镜单元的形状为抛物面状、三面体状、四面体状、六面体状、八面体状和圆锥体状。
优选地，所述第一激光束为脉冲激光束，脉冲宽度为从纳秒到飞秒范围，重复频率为1Hz-100MHz，波长调节范围为157nm-1064nm。优选地，所述第一激光束的偏振态为线偏振、圆偏振或椭圆偏振。
优选地，所述第二激光束为连续或准连续激光束，波长调节范围为300nm-1064nm。优选地，所述第二激光束的偏振态为线偏振、圆偏振或椭圆偏振。
优选地，所述物镜为显微镜物镜；更优选地，所述显微镜物镜为干燥物镜、水浸物镜或油浸物镜。
所述计算机控制的微移动台用来控制激光束焦点在金属离子液体中的移动和定位。所述计算机控制的微移动台为三维微移动台，三维微移动台在x，y和z方向上的移动范围分别为1nm-200mm。
根据本发明的系统可进一步包括用于调节激光束的曝光时间的光闸以及用于调节激光束的曝光能量的光衰减器。光衰减器将第一激光束的曝光时间调节为1ms-10min，曝光能量为作用于金属离子溶液里的激光平均功率在0.1μW-2W。光衰减器将第二激光束的曝光时间调节为1ms-10min，曝光能量为作用于金属离子溶液里的激光平均功率在0.1μW-2W。
优选地，所述有机光敏材料选自可发生光聚合反应的有机材料、可发生光分解反应的有机材料、含有可发生光交联反应分子的有机材料和含有可发生光异构化反应分子的有机材料。
优选地，所述无机光敏材料选自可发生光聚合反应的无机材料、可发生光分解反应的无机材料、含有可发生光交联反应分子的无机材料、含有可发生光还原反应分子的无机材料和含有可发生光氧化反应分子的无机材料。
优选地，放置于微移动台上的金属离子溶液的样品包括基片、施加在基片上的金属离子溶液和放置在所述溶液上的辅助衬底。所述基片是玻璃基片、石英基片、塑料基片、陶瓷基片或半导体基片。所述辅助衬底是玻璃基片、石英基片、塑料基片、陶瓷基片或半导体基片。
可应用于本发明的金属离子溶液包括银离子溶液、金离子溶液、铂离子溶液、铜离子溶液、铁离子溶液、镍离子溶液、钴离子溶液或钯离子溶液。优选地，所述金属离子溶液进一步包括表面活性剂。表面活性剂可包括N-癸酞肌氨酸钠盐、柠檬酸钠、十六烷基嗅化按、十二烷基苯磺酸钠、丁酸钠、戊酸钠、己酸钠、辛酸钠、癸酸钠以及两者以上的混合物。
根据本发明得到的周期性微纳阵列结构可以是一维微纳结构、二维微纳结构或三维微纳结构。
优选地，根据制备金属微纳阵列结构的需要，激光焦点扫描的位置选择在基片和金属离子溶液的界面，或者辅助衬底和金属离子溶液的界面，在基片，或者辅助衬底上得到金属微纳阵列结构。
本发明的有益效果如下：
本发明利用飞秒激光直写加工技术可以在金属离子溶液中直接还原出得到所需三维、高分辨的金属微纳结构，而且在光敏材料中通过聚合反应、分解反应、交联反应等得到任意所需的功能性微纳结构。通过设置光束整形组件来将直写加工系统中的能量呈高斯分布的激光束处理为能量在束斑平面内均匀分布的平顶光，得到了一致性良好的微纳阵列结构。通过设置微透镜阵列组件，使得本发明的系统可同时并行加工数百个微纳阵列结构，从而实现快速、批量、大规模制备周期性微纳结构。具体地，
1、本发明采用激光光束能量匀化技术，充分利用激光能量，避免了现有技术中必须采用放大级激光器才能实现微纳阵列结构加工的高昂设备费用，降低了加工成本。
2、本发明采用激光直写技术在金属离子溶液以及其他光敏材料中直写金属及其他功能材料的微纳结构，工艺简单、操作方便、原料耗费少、同样也降低加工成本。
3、本发明的方法采用微透镜阵列进行分束，可以同时并行加工上百个微纳结构，具有加工效率高、加工面积大、一次成型的优点。
4、本发明能够通过调节激光能量和移动速度来精确控制微纳器件结构的尺寸，得到的微结构具有分辨率高、特征尺度小的特点。
5、本发明的方法可以实现一维、二维或三维等复杂周期性阵列微纳结构的加工。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1为本发明的系统的示意图；
图2为本发明利用微透镜阵列分束后的阵列点光源聚焦于样品中制作阵列微纳结构的系统的示意图；
图3为本发明的方法的流程图；
图4为高斯光束经过光束整形器变为平顶光的示意图；
图5为微透镜阵列组件把平顶光分束后并聚焦为点光源的示意图；
图6为转中继镜调节微纳阵列结构的间距原理图；
图7A为实施例1光斑整形之前的高斯光束光强分布；
图7B为实施例1光斑整形之后的平顶光束光强分布；
图7C为实施例1平顶光束经过微透镜阵列分束后的焦点处光强分布；
图8为实施例1制作的70个银点阵列的扫描电镜图；
图9为实施例1制作的200个银点阵列的扫描电镜图；
图10为实施例2制作的70个银字母“L”阵列的扫描电镜图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
图1为本发明的系统的示意图。该系统包括：位于第一光路上的第一激光光源1，第一光闸2，第一衰减器3，包括透镜4和5的透镜组，第一光束整形器6；位于第二光路上的第二激光光源7，第二光闸8，第二衰减器9，包括透镜10和11的透镜组，第二光束整形组件12，反射镜13；用于将第一光路和第二光路叠加的二向色镜14，位于叠加激光束传播路径上的微透镜阵列组件15，中继透镜16，反射镜17，物镜18和微移动台19，以及位于微移动台上的待加工样品20。第一激光光源1，例如为脉冲激光光源，脉冲宽度为从纳秒到飞秒范围，重复频率为1Hz-100MHz，波长调节范围为157nm-1064nm，平均功率为0.1μW-3W，用于产生纳秒到飞秒脉冲的第一激光束以使待加工材料产生双光子吸收效应。第一光闸2用于控制第一激光光源输出光路的开启和关闭，第一衰减器3用于控制照射加工过程中来自第一激光光源产生的第一激光束入射到样品中的激光功率。透镜4和透镜5，例如为焦距1mm-500mm的扩束透镜，或者透镜4和透镜5替换为倍数可调的扩束透镜，用于将来自第一激光光源1的高斯分布的第一激光束扩束。第一光束整形器6用于对第一激光束呈高斯分布的能量进行均匀化处理，产生第一平顶光束。在该光路中，包括扩束透镜4，5和光束整形器6的第一光束整形组件的出瞳面积被选择为等于或小于系统中微透镜阵列组件的有效阵列面积，以确保光束整形组件的出射光束完全入射到微透镜阵列组件的微透镜单元阵列上。在根据本发明的一个实施方案中，扩束透镜出瞳面积小于或小于微透镜阵列组件的有效阵列面积。微透镜阵列组件将来自光束整形器的能量均匀分布的入射光分束为数百束激光，使焦点呈阵列分布，形成阵列点光源。该微透镜阵列组件的微透镜单元阵列以圆形或方形或其他形状布置。微透镜单元阵列中对应于圆形入射光束的微透镜单元阵列区域的面积也称为有效阵列面积，被选择为等于或大于光束整形组件的出瞳面积。这样第一激光束的能量没有或几乎没有损失地被完全用于形成阵列点光源，使得激光光源输出的能量被有效转化。根据本发明的系统，无需采用重复频率过低且价格昂贵能耗较高的放大级激光器，仅用常规激光器就可以使分束后的激光束阵列中每一激光束具有可以使待加工材料产生双光子吸收效应的能量，实现微纳阵列结构的加工。
第二激光光源7，例如为连续或者准连续激光光源，波长调节范围为300nm-1064nm，平均功率为0.1μW-2W，用于产生输出使待加工材料产生光镊作用和表面等离子体吸收热作用的第二激光束，第二光闸8用于控制第二激光光源输出光路的开启和关闭，第二衰减器9用于控制照射加工过程中来自第二激光光源产生的第二激光束入射到样品中的激光功率。透镜10和透镜11例如为焦距1mm-500mm的透镜，用于将第二激光光源7的第二激光束扩束。第二光束整形器12用于对第二激光束呈高斯分布的能量进行均匀化处理，产生第二平顶光束。在该光路中，包括扩束透镜10，11和光束整形器12的第二光束整形组件的出瞳面积等于或大于第一光路中第一光束整形组件的出瞳面积，且等于或小于系统中微透镜阵列组件的有效阵列面积。
二向色镜14用于反射第二平顶光束，并且透过第一平顶光束，以将第一平顶光束和第二平顶光束叠加为沿同一光路行进的叠加平顶光束。叠加平顶光束的整个光束入射到微透镜阵列组件15上，微透镜阵列组件将能量均匀分布的叠加平顶光束分束为数百束激光，使焦点呈阵列分布，形成阵列点光源。该微透镜阵列组件的微透镜单元阵列以圆形或方形或其他形状布置，微透镜单元阵列中对应于圆形入射光束的微透镜单元阵列区域的面积也称为有效阵列面积，其被选择为等于或大于光束整形组件的出瞳面积。这样第一和第二激光束的能量没有或几乎没有损失地被完全用于形成阵列点光源，使得激光光源输出的激光束的能量被有效转化。根据本发明，无需采用重复频率过低且价格昂贵的放大级激光器，仅用常规激光器就可以使分束后的激光束阵列中每一激光束具有可以使待加工材料产生双光子吸收效应、表面等离子体吸收和光镊作用的能量，实现微纳阵列结构的加工。
中继透镜16，例如焦距为50mm-500mm的凸透镜，用于使微透镜阵列焦平面上发散的阵列点光源会聚于物镜入瞳焦平面。反射镜17用于将阵列点光源反射到物镜中。物镜18用于将阵列点光源聚焦到置于微移动台19上的待加工样品20中。
物镜18优选为干燥物镜、浸水物镜或浸油物镜，数值孔径为0.75-1.65，放大倍数为10-100倍。微移动台19由计算机控制，移动范围例如为1nm-200mm。
图2为本发明利用微透镜分束后的阵列点光源聚焦于金属离子溶液样品中制作金属阵列微纳结构的系统的示意图。中继透镜16将所述微透镜阵列组件15发出的阵列点光源的发散光束会聚于物镜入瞳平面处。进入物镜入瞳的每一束激光束25用显微镜物镜18聚焦于放置在微移动台19的金属离子溶液样品20中。放置于三维移动台上的金属离子溶液的样品20包括基片21、施加在基片上的金属离子溶液23和放置在所述溶液上的辅助衬底22。根据加工金属微纳阵列结构的需要，通过微移动台，将基片21和金属离子溶液23的界面，或者辅助衬底22和金属离子溶液23的界面移动到聚焦于物镜18焦平面上的阵列焦点24的位置，可在基片21或者辅助衬底22上得到金属微纳阵列结构。
图3为本发明的方法的流程图。
首先，在加工之前配置待加工材料，比如有机光敏材料、无机光敏材料和金属离子溶液等。
所述有机光敏材料选自可发生光聚合反应的有机材料、可发生光分解反应的有机材料、含有可发生光交联反应分子的有机材料和含有可发生光异构化反应分子的有机材料。
所述无机光敏材料选自可发生光聚合反应的无机材料、可发生光分解反应的无机材料、含有可发生光交联反应分子的无机材料、含有可发生光还原反应分子的无机材料和含有可发生光氧化反应分子的无机材料。
所述的金属离子溶液通常包括银离子溶液、金离子溶液、铂离子溶液、铜离子溶液、铁离子溶液、镍离子溶液、钴离子溶液或钯离子溶液。
所述金属离子溶液可进一步包括表面活性剂成分，如n-癸酞肌氨酸钠盐、柠檬酸钠、十六烷基嗅化按、十二烷基苯磺酸钠、丁酸钠、戊酸钠、己酸钠、辛酸钠、癸酸钠以及两者以上的混合物。
然后，将待加工的样品放置于微移动台上。
所述待加工样品包括基片、施加在所述基片上的待加工材料。所述基片通常为玻璃基片，例如普通光学玻璃、ITO玻璃基片或FTO玻璃基片，石英基片，陶瓷基片，氧化物基片，例如氧化锆基片，半导体基片。可根据需要对使用的基片涂覆或淀积薄膜，以便获得良好的微纳结构。为防止微纳结构制作过程中加工材料中溶剂的蒸发，常采用基片、金属离子溶液和透明辅助衬底组成的三明治结构将溶液密封。例如，可将用于容纳溶液的样品槽放置于基片上，在槽中加满金属离子溶液后，将透明辅助衬底放置在样品槽上，得到基片、金属离子溶液和透明辅助衬底的三明治结构。对于不透明或厚度超过所用聚焦物镜工作距离的基片，须将激光束从所述三明治结构的透明辅助衬底方向照射所述金属离子溶液，对所述溶液中指定位置进行加工。
随后，调节第一激光光源1输出的第一激光束，该激光束具有达到能够使所述金属离子溶液中的金属离子产生多光子效应的波长，通过透镜4和5扩束使脉冲激光光源产生的激光束的光斑直径调整到能够满足光束整形组件所要求的入射光束直径。用光束整形器6对第一激光束呈高斯分布的光斑能量进行均匀化处理，使其变成能量分布均匀的第一平顶光束，如图4所示，激光束经过光束整形器前后光斑能量由高斯分布变成了均等分布。
调节第二激光光源7输出的第二激光束波长，输出产生光镊作用和表面等离子体吸收热作用的波长，通过透镜10和11扩束使激光光源产生的激光束的光斑直径调整为能够满足光束整形组件所要求的入射光束直径。用光束整形器12对激光束呈高斯分布的光斑能量进行均匀化处理，使其变成能量分布均匀的第二平顶光束，如图4所示，激光束经过光束整形器前后光斑能量由高斯分布变成了均等分布。所述光束整形器6和12的适用波长范围157nm-1064nm，光束整形器所要求的入射光束直径例如为1mm-20mm。随后，用二向色镜将第一平顶光束和第二平顶光束叠加为沿同一光路行进的叠加平顶光束。随后，用微透镜阵列7将上述能量均等的叠加平顶光束分为数百束激光束，使焦点呈阵列分布。如图5所示，平顶光束为圆形光斑，其相位和电磁场强度在垂直于传播方向的平面内处处相等，可认为是平行光，经微透镜阵列分束后，聚焦于其焦平面上，形成阵列点光源。阵列点光源的整体轮廓形貌受入射平顶光束的圆形形貌影响，仍为圆形分布。所述微透镜阵列组件由数百个小的透镜单元阵列组成，阵列单元周期分布，周期例如为0.1μm-10mm。所述微透镜阵列的材质可为玻璃，石英，树脂聚合物。所述微透镜阵列单元形状可为球面透镜单元、非球面透镜单元。所述非球面微透镜阵列单元形状为抛物面状、三面体状、四面体状、六面体状、八面体状和圆锥体状。
随后，用中继透镜16使微透镜阵列焦平面上发散的阵列点光源会聚于物镜入瞳。中继透镜16为焦距例如为50mm-500mm的凸透镜。
随后，用显微镜物镜18将微透镜产生的数百束激光束聚焦到物镜焦平面，在焦平面上重新形成阵列焦点。通过对光路上各光学组件进行调节，使两种波长光束被调节为聚焦于同一焦点。
调节总的激光能量使每一束激光的焦点范围内被照射的金属离子能够同时吸收多个光子产生多光子吸收效应引发光化学反应被还原为金属纳米颗粒。用聚焦的数百束激光束照射所述金属离子溶液，使激光阵列焦点在金属离子溶液中移动，在溶液中得到金属纳米颗粒。
最后，调节加工系统中的三维微移动台，使上述激光阵列焦点在溶液中移动以得到预定的金属阵列纳米结构。溶液中的金属离子在每一束激光束作用下产生多光子吸收效应被还原为金属纳米颗粒，随激光束移动，在每一束的移动范围内，被还原出来的金属纳米颗粒经过不断的聚集而形成金属微纳结构，当施加上第二激光束，使刚刚形成的金属纳米颗粒在第二激光束的光镊作用和表面等离子体热作用下，向激光束焦点的中心聚集并发生熔合，得到加工分辨率更为精细的金属纳米结构。
图6为中继透镜调节微纳阵列结构的间距原理图。平顶光束经微透镜阵列分束后，在微透镜焦平面上聚焦形成了阵列点光源，由于阵列点光源继续向后传播时逐渐发散，为了能够使发散的点光源加入物镜入瞳聚焦，需要在微透镜与物镜中间放置中继透镜，用来使微透镜阵列焦平面上发散的点光源会聚于物镜入瞳平面。根据图6的几何光路分析，可知显微镜物镜焦平面上阵列焦点周期为w＝(l*w0)/(M*f1)，其中l为显微镜物镜镜筒长度，例如奥林巴斯显微镜物镜镜筒长度为180，M为显微镜放大倍数，l/M为显微镜物镜的焦距，f1为中继透镜的焦距，w0为微透镜阵列的透镜单元周期。因此通过调节中继透镜的焦距、微透镜的周期和物镜放大倍数，可以调节物镜焦平面上阵列焦点的周期，从而实现周期性微纳阵列结构周期的调节。
需要特别指出的是，第一光路可以单独使用，也和和第二光路结合使用。当使用单光束加工时，待加工材料可以为有机光敏材料、无机光敏材料和金属离子溶液等，以金属离子溶液为例，溶液中的金属离子在第一激光束作用下产生多光子吸收效应被还原为金属纳米颗粒，被还原出来的金属纳米颗粒经过聚集而形成金属微纳结构。当第一光路和第二光路同时使用时，优选待加工材料为金属离子溶液，溶液中的金属离子在第一激光束作用下产生多光子吸收效应被还原为金属纳米颗粒，施加上第二激光束，使刚刚形成的金属纳米颗粒在第二激光束的光镊作用和表面等离子体热作用下，向激光束焦点的中心聚集并发生熔合，从而使被还原出来的金属纳米颗粒聚集的更紧密，结构更致密，而且金属纳米颗粒在较少的还原量的情况下，也能聚集形成金属微纳结构，相比单光束可以形成分辨率更高的金属微纳结构。
实施例1
以下结合图7和图8，以在玻璃基片上利用单光束制备银纳米点阵列为例对本发明进行详细的说明。
首先，关闭第一光路和第二光路的光闸2和8，将承载有银离子溶液的样品置于所述微移动台上。
承载有银离子溶液的样品包括待加工玻璃基片，施加在所述基片上的银离子溶液，和透明辅助衬底。银离子溶液中银离子的浓度为0.01M-0.5M，表面活性剂n-癸酞肌氨酸钠盐浓度为0.01M-0.2M。为防止金属微纳结构制作过程中溶液的蒸发，常采用待加工玻璃基片、银离子溶液和透明辅助衬底组成的三明治结构将溶液密封。
随后，调节第一激光光源1钛宝石飞秒脉冲激光器输出的激光束波长，达到能够使所述银离子溶液中的银离子产生多光子效应的780nm波长，进一步调节得到脉冲宽度为100fs，脉冲重复频率为82MHz，光束直径为1mm。
通过透镜4和5扩束使激光光源产生的波长780nm飞秒脉冲激光束的光斑直径能够满足第一光束整形器6所要求的入射光束直径6mm，光斑整形之前的高斯光束光强分布如图7A。
随后，用第一光束整形器6对激光束呈高斯分布的光斑能量进行均匀化处理，使其变成能量分布均匀的平顶光束，该平顶光束的直径6mm，光斑整形之后的高斯光束光强分布如图7B。
随后，微透镜阵列组件15将上述能量均等的平顶光束分为数百束激光束，使焦点呈阵列分布。平顶光束为直径6mm圆形光斑，其相位和电磁场强度在垂直于传播方向的平面内处处相等，可认为平行光，经微透镜阵列15分束后，聚焦于其焦平面上，形成阵列点光源，微透镜分束后的焦点处光强分布如图7C所示。阵列点光源的整体轮廓形貌受入射平顶光束的圆形形貌影响，仍为圆形分布。该微透镜阵列组件的有效阵列区域面积为直径25.4mm的圆形，微透镜阵列材质为石英玻璃，微透镜阵列单元形状为球面型，阵列单元周期性分布周期为0.6mm。平顶光束的光斑面积为直径6mm的圆，其面积小于微透镜阵列组件的有效阵列区域面积，其照射微透镜阵列时，覆盖大约70个微透镜单元，在其焦平面形成大约70个阵列点光源。
随后，用焦距为250mm的凸透镜的中继透镜16使微透镜阵列焦平面上发散的点光源会聚于物镜入瞳。
随后，用显微镜物镜18将微透镜产生的数百束激光束聚焦到物镜焦平面，在焦平面上形成阵列焦点。如图2所示，将微透镜产生的约70束激光束25经数值孔径为1.45、放大倍数为100倍的油浸物镜18聚焦于物镜焦平面，形成阵列焦点24。使阵列焦点24移动到放置在计算机操纵的三维微移动台19上的玻璃基片21和辅助衬底22间的银离子溶液23中。
调节激光加工系统中的微移动台19，调节阵列焦点24的位置，使物镜会聚的阵列焦点聚焦于在金属离子溶液23与玻璃基片21的界面所在高度，然后通过控制第一光闸2来控制曝光时间，同时调节第一光衰减器3控制曝光的能量，使上述阵列焦点24在溶液与玻璃基片的界面处曝光一定时间得到银纳米点阵列。溶液中的银离子在激光束780nm激光作用下产生多光子吸收效应被还原为银纳米颗粒，银纳米颗粒不断聚集而形成银纳米点阵列。从而实现一次曝光，制备约70个纳米点阵列。
通过调节位于光路上的第一光衰减器，来调节激光器产生的飞秒脉冲激光束的总功率为0.1-2.8W，通过计算机控制第一光闸的开关，控制曝光时间为1-1000ms，可在玻璃基片上获得直径为100-500nm的银纳米点阵列。
最后，清洗基片，除去剩余的溶液，获得金属微纳阵列结构。
图8为利用本发明所述的利用激光制作金属纳米点的方法，周期600微米的微透镜阵列将平顶光分束为大约70束，在激光光源780nm飞秒激光和100倍物镜下，调节70束激光束聚焦于辅助衬底和金属离子溶液的界面，总功率为256mW，曝光时间300ms时制作的银纳米点阵列的扫描电镜图，银纳米点的直径为300nm，银点之间的间距为4.30微米，根据图6原理计算的理论值为4.32微米。
图9为利用本发明所述的利用激光制作金属纳米点的方法，周期400微米的微透镜阵列将平顶光分束为大约200束，在激光光源780nm飞秒激光和60倍物镜下，调节200束激光束聚焦于基片和金属离子溶液的界面，总功率为124mW，曝光时间300ms时制作的银纳米点阵列的扫描电镜图，银纳米点的直径为400nm，银点之间的间距为4.90微米，根据图6原理计算的理论值为4.80微米。
实施例2
以下结合图7和图9，以在玻璃基片上利用单光束制备银纳米线阵列为例对本发明进行详细的说明。
保持其他条件与实例1相同，通过调节位于光路上的第一光衰减器，来调节激光器产生的飞秒脉冲激光束的总功率为0.1-2.8W，通过计算机控制第一光闸的开关，改变三维微移动台的移动速度为20nm/ms-1nm/ms，可在玻璃基片上获得直径为100-500nm的银纳米线阵列。
图10为利用本发明所述的利用激光制作金属纳米线的方法，周期600微米的微透镜阵列将平顶光分束为大约70束，在激光光源780nm飞秒激光和100倍物镜下，总功率为193mW，调节70束激光束聚焦于辅助衬底和金属离子溶液的界面，并通过计算机控制微移动台进行移位，移动速度2nm/ms，激光束在银离子溶液扫描，制作银纳米字母“L”阵列，扫描电镜图如图10所示，银纳米字母“L”之间的间距为4.30微米，根据图6原理计算的理论值为4.32微米。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
本发明获得国家自然科学基金“纳米制造的基础研究”重大研究计划重点支持项目(91123032)和科技部国家“纳米研究”重大研究计划项目(2010CB934103)资助。
Claims (10)
1.一种激光制备微纳阵列结构的系统，包括：
用于提供使待加工材料产生多光子吸收效应的第一激光束的第一激光光源；
用于将所述第一激光束均匀化为能量分布均匀的第一平顶光束的第一光束整形组件；
用于将所述第一平顶光束分束为以阵列排列的多个激光束的微透镜阵列组件；
用于将阵列排列的激光束分别聚焦于同一平面的光束聚焦组件；和
计算机控制的微移动台，
其特征在于，
所述光束整形组件的出瞳面积等于或小于所述微透镜阵列组件的有效阵列面积。
2.根据权利要求1所述的制备微纳阵列结构的系统，其特征在于，所述光束整形组件包括：
用于对来自第一激光光源的第一激光束进行扩束的第一扩束透镜，和
用于将高斯分布的扩束透镜出射光整形为能量均匀分布的第一平顶光束的第一光束整形器，
第一光束整形器的出瞳面积等于或小于所述微透镜阵列组件的有效阵列面积。
3.一种激光制备微纳阵列结构的系统，其特征在于，包括：
用于提供使待加工材料产生多光子吸收效应的第一激光束的第一激光光源和用于提供使待加工材料产生表面等离子体吸收和光镊作用的第二激光束的第二激光光源；
用于将所述第一激光束均匀化为能量分布均匀的第一平顶光束的第一光束整形组件和用于将所述第二激光束均匀化为能量分布均匀的第二平顶光束的第二光束整形组件；
用于将所述第一平顶光束和所述第二平顶光束叠加为沿同一光路行进的叠加平顶光束的二向色镜和反射镜；
用于将所述叠加平顶光束分束为以阵列排列的多个激光束的微透镜阵列组件；
用于将阵列排列的各激光束分别聚焦于同一平面的光束聚焦组件；和
计算机控制的微移动台，
其特征在于，
所述第一光束整形组件的出瞳面积等于或小于所述第二光束整形组件的出瞳面积，且第二光束整形组件的出瞳面积等于或小于所述微透镜阵列组件的有效阵列面积。
4.根据权利要求3所述的制备微纳阵列结构的系统，其特征在于，所述第一光束整形组件包括：
用于对来自第一激光光源的第一激光束进行扩束的第一扩束透镜，和
用于将高斯分布的第一扩束透镜出射光整形为能量均匀分布的平顶光束的光束整形器；
第一光束整形组件的出瞳面积等于或小于第二扩束透镜的出瞳面积，第二扩束透镜的出瞳面积等于或小于所述微透镜阵列组件的有效阵列面积，且
所述第二光束整形组件包括：
用于对来自第二激光光源的第二激光束进行扩束的第二扩束透镜，和
用于将高斯分布的第二扩束透镜出射光整形为能量均匀分布的平顶光束的光束整形器，
第二扩束透镜的出瞳面积等于或小于所述微透镜阵列组件的有效阵列面积。
5.根据权利要求1或3所述的制备微纳阵列结构的系统，其特征在于，所述微透镜阵列组件是由数十、数百或者数千个透镜单元组成的阵列结构。
6.根据权利要求1或3所述的制备微纳阵列结构的系统，其特征在于，所述微透镜阵列单元周期为0.1μm-10mm。
7.根据权利要求1或3所述的制备微纳阵列结构的系统，其特征在于，所述光束聚焦组件包括：
用于将以阵列排列的多个激光束分别聚焦于同一平面的显微镜物镜，和
放置于在所述微透镜阵列组件与物镜之间用于使微透镜阵列焦平面上的点光源会聚于物镜入瞳的中继透镜。
8.根据权利要求7所述的制备微纳阵列结构的系统，其特征在于，所述的中继透镜为凸透镜，焦距为50mm-500mm。
9.一种激光制备微纳阵列结构的方法，包括
提供具有使待加工材料产生多光子吸收效应的波长的第一激光束；
将高斯分布的第一激光束均匀化处理为能量分布均匀的第一平顶光束；
用微透镜阵列组件将平顶光束分束为以阵列排列的多个激光束；
将阵列排列的多个激光束分别聚焦于同一平面的光束聚焦组件；和
对置于计算机控制的微移动台上的待加工样品进行扫描，得到数百个微纳尺度的周期性阵列结构，
其特征在于，
所述第一平顶光束的束斑面积等于或小于所述微透镜阵列组件的有效阵列面积。
10.一种激光制备微纳阵列结构的方法，包括
提供具有使待加工材料产生多光子吸收效应的波长的第一激光束和具有使该待加工材料产生表面等离子体吸收和光镊作用的第二激光束；
分别将高斯分布的第一激光束和第二激光束均匀化处理为能量分布均匀的第一平顶光束和第二平顶光束；
用于将所述第一平顶光束和所述第二平顶光束叠加为沿同一光路行进的叠加平顶光束；
用微透镜阵列组件将所述叠加平顶光束分束为以阵列排列的多个激光束；
将阵列排列的各激光束分别聚焦于同一平面；和
用阵列排列的激光束对置于计算机控制的微移动台上的待加工样品进行扫描，得到数百个微纳尺度的周期性阵列结构，
其特征在于，
所述第一平顶光束的束斑面积等于或者小于所述第二平顶光束的束斑面积，且所述第二平顶光束的束斑面积等于或小于所述微透镜阵列组件的有效阵列面积。
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