CN106624354B - 基于达曼光栅和反射镜的多光束激光干涉微纳加工装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于达曼光栅和反射镜的多光束激光干涉微纳加工装置及方法，采用双层达曼透射光栅作为分束器，将经过准直扩束、光束整形的单束激光分成振幅强度相同的多束相干光，并利用滑道上的反射镜进行光束间夹角的调整和加工周期的选取，获得各级次光强分布均匀的光阵列，将多束相干光会聚到待加工材料表面干涉，得到干涉激光条纹从而加工出周期性平行沟槽微纳结构。本发明取代了现有系统中的离散式多支架方案，大大提高了系统的方便性、可靠性和效率。本发明具有光路调整方便、加工尺寸可控、效率高、适合低成本大批量生产、操作简单等优点。

Description

基于达曼光栅和反射镜的多光束激光干涉微纳加工装置及 方法

技术领域

本发明属于激光干涉微纳加工领域，具体涉及一种基于达曼光栅和反射镜的多光束激光干涉微纳加工装置及方法。

背景技术

激光干涉光刻是一种在材料表面大面积加工亚微米尺度周期性结构的方法，通过两束或者多束相干光形成周期性或者准周期性光场，可以直接在材料表面或者内部刻蚀二维和三维周期性结构。激光干涉光刻工艺具有加工面积大，加工尺度灵活多变，成本低廉等优势，已受到研究者们的高度重视，利用激光干涉光刻加工出的纳米结构也在许多领域得到广泛应用，但其在质量稳定性以及实用性应用方面仍有很多缺陷。

传统的Mach-Zehnder干涉光刻仪为双光束干涉光刻装置，校准过程繁琐，需要精确调整光路中每一个透镜的位置，并且一次只能进行单一周期纳米结构的加工，想要加工其他周期的纳米图形则需要重新调整整套光路，过程复杂不易实现。要获得均匀光强分布的多光束干涉条纹，首先要对激光进行分束，目前实现光学分束的方法很多,常用的微光学分束器主要有：泰伯光栅，微透镜阵列和达曼光栅。泰伯光栅利用近场菲涅耳衍射，理论上衍射效率接近100％，但实际上由于边缘效应及像差等影响，衍射效率在80％左右，其最大的缺点是光强分布不均匀。微透镜阵列由许多微小的透镜组成，将完整的光波分成许多小部分，每部分都聚焦在相应透镜的焦点上，从而得到光强均匀的阵列分布。但实际光束会有一定的畸变。并不是理想的平面波前。光束经过微透镜聚焦后发生了位移，不再是均匀分布。此外，制作过程中各透镜之间的加工误差也会对分束器性能造成影响。由此可见，现有的多光束激光光刻技术普遍采用离散式多支架方案，校准过程繁琐，并且只能进行单一周期纳米结构的加工，想要获得其他周期的干涉图案需要重新调整整套光路，过程复杂不易实现；同时还存在着衍射效率低，干涉条纹光强分布不均匀等缺点。

达曼光栅是一种将入射光分束成等光强，等空间距离阵列的光栅。利用远场傅里叶变换，取相位二值，但周期内空间坐标与相位被调制，可获得等光强的光阵列，得到光强均匀的多重成像。达曼光栅具有以下优点：首先,它是一种位相型光栅,衍射效率高；其次,它的位相值是二值的,便于利用常规大规模集成电路技术进行加工；最后,它是一种夫琅和费衍射型器件,其光束均匀性不受入射光强影响。基于以上优点,达曼光栅成为目前最有效的分束器件之一。

相关参考文件为：

[1]李哲.一种双层光栅分束器的设计[J].工业设计.2012(02)

[2]李兵,闫爱民,戴恩文,吕笑宇,职亚楠,孙建锋,刘立人.二维固体激光阵列逆达曼光栅相干合束技术模拟研究[J].光学学报.2012(11)

[3]任琳.基于多光束相干的激光干涉光刻技术研究[D].吉林大学2007

[4]张锦,冯伯儒,郭永康,蒋世磊,宗德蓉,杜惊雷,曾阳素,高福华.用于大面积周期性图形制造的激光干涉光刻[J].光电工程.2001(06)

发明内容

为克服上述技术问题，本发明提出了基于达曼光栅和反射镜的多光束激光干涉微纳加工装置及方法，可以在激光相干范围内大面积制造周期性微纳米结构。具体采用如下技术方案：

一种基于达曼光栅和反射镜的多光束激光干涉微纳加工装置，该装置包括激光器、准直扩束系统、光束整形器、双层透射达曼光栅、反射镜，滑道，相位调制器，待加工材料，其特征在于：基于透射式达曼光栅的分光特性，使用双层透射达曼光栅将经过准直扩束系统、光束整形器的单束激光分成强度相同的多束相干光，再经过反射镜、相位调制器，将多束相干光会合于待加工材料表面形成微纳结构；微纳结构的特征尺寸和周期通过改变反射镜的位置和角度进行调整，其中反射镜安装在滑道上，便于移动和角度调整的操作。

所述双层达曼光栅分束器为双层达曼透射光栅，中间结构为介质层，介质厚度l＝0.15mm，介质折射率n＝3.4253，前后光栅为平面薄光栅，光栅蚀刻深度为219.4nm，分束比为3。

光束整形器对激光光斑形状进行调整，使其变为方形，便于加工区域的连续拼接。

所述相位调制器可调节+1级，0级和-1级三束光之间的相位偏差。

一种采用基于达曼光栅和反射镜的多光束激光干涉微纳加工装置进行微纳加工的方法，其包括如下步骤：

1)、激光器所发出的激光经过准直扩束系统扩束后，由光束整形器对激光束进行能量分布的均匀化处理，将其光斑形状由圆形整形为方形；

2)、整形后的光束到达双层透射达曼光栅，双层透射达曼光栅将光束分成光强相等的+1级、0级和-1级三束光束，其中+1级、-1级光束分别经过相位调制器后投射到反射镜上，然后被反射到待加工材料表面，0级光束经过相位调制器后到达待加工材料表面，调整反射镜使得三束光在待加工材料表面上形成干涉条纹，从而得到周期性平行沟槽微纳结构。

本发明相比于现有技术有以下优点：

采用双层达曼透射光栅作为分束器，并利用滑道上的反射镜进行光束间夹角的调整和加工周期的选取，获得各级次光强分布均匀的光阵列，取代了现有系统中的离散式多支架方案，大大提高了系统的方便性、可靠性和效率。本发明具有光路调整方便，加工尺寸可控、效率高、适合低成本大批量生产、操作简单等优点。

附图说明

图1为基于达曼光栅和反射镜的多光束激光干涉加工装置结构。

图2为微纳加工流程图。

图3为进行激光干涉微纳加工得到的周期性结构图片。

具体实施方式

实例一

采用脉冲激光器作为光源，光束首先经过准直扩束系统和光束整形器，再通过快门来控制曝光时间长短。激光器发出的激光束经过双层透射达曼光栅后被分成多束相干光,对于双层结构的达曼光栅分束器而言，可视为光波依次通过上层薄光栅、介质层及后层薄光栅，它能实现将单一波长的入射平面光波在远场被分成若干等光强分布。使用时激光器发出的激光经过透射光栅被分成+1级，0级，-1级三束后，先分别对+1级，0级和-1级三束光进行相位调制，再分别在两侧设置一个带有反射镜的滑道，利用反射镜在滑道上的移动进行多光束干涉夹角的调整以及加工周期的选取，从而实现多束激光、多种入射夹角的会聚干涉，多束激光干涉产生的干涉图案阵列的能量分布与加工材料相互作用，从而刻蚀出物体表面不同周期的微纳米结构。

本发明的实施由激光器1、准直扩束系统2、光束整形器3、双层达曼光栅分束器4、相位调制器5、11、反射镜6、10、滑道7、9、待加工材料8组成；

由激光器1发出的激光束经准直扩束系统2准直扩束后，由光束整形器3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，并将其光斑形状整形为方形，以便于加工区域的拼接，通过双层达曼光栅4将光束分成+1级，0级和-1级三个光强分布均匀的光束，三束光分别经过相位调制器5、11、12后，其中两侧的+1级和-1级光束投射到反射镜6、10上，通过调节反射镜6、10在滑道7、9上的位置实现对三束光夹角以及加工周期的选取，三束光在待加工表面8上形成干涉条纹，从而得到周期性平行沟槽微纳结构。

所述激光器2为高功率Nd:YAG脉冲固体激光器，波长1064nm，脉冲宽度8ns，单脉冲能量2J，出射光束直径ф8mm，发触角3mrad；

所述准直扩束系统2的扩束倍数为2，由多片光学镜片及铝制镜筒组成，镜片材料优选K9玻璃，镜片境均镀增透膜AR@1064nm，入口直径ф10mm，出口直径ф25mm；

所述光束整形器3为方形光束整形器，由多片光学镜片及铝制镜筒组成，镜片材料优选K9玻璃，镜片均镀增透膜AR@1064nm，整形器将高斯分布的圆形激光束整形为方形均匀分布的平顶光束，以解决原高斯分面的激光束中心能量强而边缘能量弱所导致制备的微纳阵列结构一致性不理想的问题，并便于在大面积加工时进行无缝拼接，其入口直径为ф25mm，出口为16mmx16mm；

所述快门可控制加工过程中曝光时间的长短；

所述双层达曼光栅分束器4为双层达曼透射光栅，中间结构为介质层，介质厚度l＝0.15mm，介质折射率n＝3.4253，前后光栅为平面薄光栅，双层位相光栅分束器的衍射效率及光强分布均匀性要高于单层结构，光栅蚀刻深度为219.4nm，分束比为3，实际衍射效率为90.8％；

所述相位调制器5、12、11可调节+1级，0级和-1级三束光之间的相位偏差；

所述反射镜6、10为平面反射镜，优选K9玻璃制造，镜片尺寸为60mmx80mmx8mm，反射面镀全反射膜HR@1064nm；

所述滑道7、9上可放置反射镜，通过反射镜在滑道上的移动即可进行对光束间夹角以及加工周期的调整；

所述待加工材料8为金属材料，或非金属材料，作为被加工对象；

具体实验过程：在金属冠脉支架上加工微纳斥水性结构，实验中采用1064nm高功率脉冲固体激光器，利用双层达曼透射光栅和反射镜形成三光束干涉，由三光束干涉的周期公式和得到当d’＝5μm时，三光束之间的入射角为7°。通过调整激光入射角度，在金属支架内外表面制备出分布均匀、周期可控的密排凹坑微纳结构。使用扫描电子显微镜和接触角测定仪对微纳结构的形貌特征和接触角进行了测量，所制备的的凹坑结构的周期在5μm时，接触角达到了120.5°，具有良好的疏水性。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于达曼光栅和反射镜的多光束激光干涉微纳加工装置，该装置包括激光器、准直扩束系统、光束整形器、双层透射达曼光栅、反射镜，滑道，相位调制器，待加工材料，其特征在于：基于透射式达曼光栅的分光特性，使用双层透射达曼光栅将经过准直扩束系统、光束整形器的单束激光分成强度相同的多束相干光，再经过反射镜、相位调制器，将多束相干光会合于待加工材料表面形成微纳结构；微纳结构的特征尺寸和周期通过改变反射镜的位置和角度进行调整，其中反射镜安装在滑道上，便于移动和角度调整的操作。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述双层达曼光栅分束器为双层达曼透射光栅，中间结构为介质层，介质厚度l＝0.15mm，介质折射率n＝3.4253，前后光栅为平面薄光栅，光栅蚀刻深度为219.4nm，分束比为3。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：光束整形器对激光光斑形状进行调整，使其变为方形，便于加工区域的连续拼接。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述相位调制器可调节+1级，0级和-1级三束光之间的相位偏差。

5.一种采用权利要求1所述的微纳加工装置进行微纳加工的方法，其包括如下步骤：

1)、激光器所发出的激光经过准直扩束系统扩束后，由光束整形器对激光束进行能量分布的均匀化处理，将其光斑形状由圆形整形为方形；

2)、整形后的光束到达双层透射达曼光栅，双层透射达曼光栅将光束分成光强相等的+1级、0级和-1级三束光束，其中+1级、-1级光束分别经过相位调制器后投射到反射镜上，然后被反射到加工材料表面，0级光束经过相位调制器后到达待加工材料表面，调整反射镜使得三束光在待加工材料表面上形成干涉条纹，从而得到周期性平行沟槽微纳结构。