CN106735925A - 一种二维亚微米蝶形金属微结构的飞秒激光直写制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二维亚微米蝶形金属微结构的飞秒激光直写制备方法，技术方案包括以下步骤：第一步，金属靶样品材料的抛光和安装；第二步，可变延迟时间的线偏振和角向偏振双脉冲飞秒激光的获取；第三步，双脉冲飞秒激光的点聚焦；第四步，金属靶样品材料位置的调节；第五步，物镜焦点位置的确定；第六步，金属靶样品材料表面的调整；第七步，二维亚微米蝶形金属微结构的制备；本发明通过巧妙利用微纳米加工平台的分光方法形成两个同色共线传输、时间延迟可调的线偏振和角向偏振飞秒激光脉冲，采用物镜点聚焦方式，方便快速地在金属表面直写制备出条纹方向弯曲的二维亚微米蝶形金属微结构。
Description
技术领域
本发明涉及飞秒激光在金属材料表面直写二维亚微米蝶形金属微结构的方法和加工装置，其中利用了迈克尔逊干涉系统搭建的微纳米加工平台形成空间上共线传输、时间上延迟可变的双束飞秒激光，双束飞秒激光通过物镜聚焦，进而在材料表面通过打点方式得到新型的二维亚微米蝶形金属微结构的制备。这种方法和加工装置属于超快激光应用与微纳米加工领域，未来在新型金属纳米光子器件的设计、制备等方面具有重要潜在应用。
背景技术
微纳米结构的制备在工业和科研中已经展现了较重要的应用，设计与制备新型亚微米尺寸结构的器件已经成为科研工作者关注的研究课题，改善和提高亚微米结构制备技术的效率也成为重要的挑战。传统的微纳米加工的技术有纳米压印技术、电子束刻蚀术、离子束刻蚀技术、光刻技术等【Patterned growth of vertically aligned ZnO nanowirearrays on inorganic substrates at low temperature without catalyst,J.Am.Chem.Soc.,2008,130(45):14958-14959；Fabrication of two-and three-dimensional photonic crystals of titania with submicrometer resolution bydeep x-ray lithography,Journal of vacuum science&technology B,2005,23(3):934-939；Two-photon polymerization initiators for three-dimensional optical datastorage and microfabrication,Nature,1999,31(6722):52；Formation of free-standing micropyramidal colloidal crystals grown on silicon substrate,AppliedPhysics Letters,2003,82(24):4283-4285.】。上述传统的微纳米结构的制备方法中操作程序复杂，结构调控能力差，而且对材料要求也比较苛刻。而飞秒激光直写技术在微纳米结构的制备过程中不需要繁杂工序和精密设备(例如：真空系统、掩膜板、模具和曝光)，具有超高峰值功率和超短脉宽的飞秒激光可以获得瞬间超高的聚焦功率密度，在微纳米结构的加工与制备方面相对于传统加工方面其可控性强、操作简单灵活、高效率、低成本，可以一步式在超短时间内实现将光能量传递给加工物质，从而达到无损伤、高精度、超精细冷加工的效果。这些优点引起了科研工作人员的广泛关注，此方向并已逐步发展成为当前激光、光电子和工程技术领域内的前沿研究方向。目前，研究人员利用飞秒激光在金属、半导体、聚合物和透明电介质等多种类型的材料表面成功实现了微米、亚微米甚至纳米尺度上的制备，并对微纳米结构的功能特性进行了探索。
单束飞秒激光在材料表面和内部的作用区域内均可以诱导产生周期性一维亚波长量级的条纹结构，条纹结构的取向一般与入射光的偏振方向相互垂直，条纹的周期一般约为入射光波长的一半【Reflectivity in femtosecond-laser-induced structuralchanges of diamond-like carbon film,Applied Physics A,2005,80(1):17-21；Continuous modulations of femtosecond laser-induced periodic surfacestructures and scanned line-widths on silicon by polarization changes,OpticsExpress,2013,21(13)；Ultrafast femtosecond-laser-induced fiber Bragg gratingsin air-hole microstructured fibers for high-temperature pressure sensing,Optics letters,2010,35(9):1443-5；Tuning the structural properties offemtosecond-laser-induced nanogratings,Applied Physics A,2010,100(1):1-6.】。在探究材料表面诱导的微纳米超颖材料所形成的物理机制的研究中，科研工作者最初针对形成与入射光周期接近的周期条纹结构相继提出了经典散射波理论，针对较小周期微纳米周期条纹结构提出了自组织、二次谐波理论【Periodic surface structures frozen intoCO2laser-melted quartz,Appl.Phys.A,1982,29:9～18；Formation of subwavelengthperiodic structures on tungsten induced by ultrashort laser pulses,Opt.Lett.,2007,32(13):1932～1935；Origin of laser-induced near-subwavelength ripples:interference between surface plasmons and incident laser,ACS Nano,2009,3(12):4062～4070.】。但上述理论不能够全面、综合解释微纳米结构形成机制，针对此现象研究者提出的入射光与表面波干涉理论能够较好地解释大多数实验现象，因此被科研工作者广泛接收和认可。根据这一理论，当飞秒激光入射到加工样品表面时，材料表面电子受入射光激发，可以瞬间改变其表面属性，与入射光干涉，进而形成具有空间周期分布、局域特性的瞬态折射率光栅，在材料表面刻蚀产生周期分布的平行沟槽，沟槽之间未被刻蚀部分形成具有周期分布的条纹结构。如果改变入射光的能量、偏振、光束数量，飞秒激光在材料表面可以诱导形成更复杂的二维结构。进一步的研究证实这些表面微纳米结构可以有效地改善和提高材料的结构色、热辐射、输水性能【Super-hydrophobic PDMS surface with ultra-low adhesive force，Macromolecular Rapid Communications,2005,26(22):1805-1809；Laser turns silicon superwicking,Optics Express,2010,18(7):6455-6460；Ultra-broadband enhanced absorption of metal surfaces structured by femtosecondlaser pulses,Optics Express,2008,16(15):11259-11265；Making human enamel anddentin surfaces superwetting for enhanced adhesion,Applied Physics Letters,2011,99(19):193703.】。未来在特殊光学元件的制备、电子元件的光电性能、信息传输等领域具有潜在的应用空间。
大多数研究者在以往的研究中多采用单束线偏振激光照射的形式在材料表面诱导产生一维周期性条纹结构，而二维微纳米结构可以提供更多的光子频率禁带和新的物理特性的可能性，从而有望实现对一定波长范围内的电磁波传播特性进行调控。例如，基于介质材料的光子晶体已经在光开关、滤波器、全光集成电路、低阈值激光器、高效发光光电二极管等方面得到了广泛的研究和应用。另一方面，由于金属微纳米结构材料对光波具有选择性色散和吸收性质，在高温环境中可以调制材料的热辐射能力【Colorizing metalswith femtosecond laser pulses,Applied Physics Letters,2008,92(4):409；Largeelectromagnetic stop bands in metallodielectric photonic crystals,Appl.Phys.Lett.1995,67,2138–2140；Enabling high-temperature nanophotonics forenergy applications,2012,PNAS,109,2280-2285,Embedded cavities and waveguidesin three-dimensional silicon photonic crystals,Nature Photon,2008,2,52–56.】。一般二维结构加工的过程中多采用传统的模版-曝光-刻蚀技术，工序繁多、工艺过程较为复杂，有研究者提出利用多个脉冲激光束空间干涉图案光强度来对样品表面加工制备，研究者进而引入多束光干涉技术来制备二维微纳米结构【Fabrication of two-dimensionalperiodic nanostructures by two-beam interference of femtosecond pulses,Opt.Express,2008,16(3):1874-1878；Fabrication of periodic nanostructures byphase-controlled multiple-beam interference，Appl.Phys.Lett.,2003,83(23):4707-4709.New Journal of Physics,2011,13(2):023044；Area dependence of femtosecondlaser-induced periodic surface structures for varying band gap materialsafter double pulse excitation,Applied Surface Science,2013,278(2):7-12.】。多光束干涉法要求入射激光在空间上以非共线传播方式照射在样品的相同位置，且它们的偏振方向必须一致，从而才能确保入射的不同激光束在空间能够发生干涉现象。因此，这种激光制备方式通常对光路设计和精密调整具有较高的要求。
发明内容
针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明之目的就是提供一种二维亚微米蝶形金属微结构的飞秒激光直写制备方法，能够有效解决以下技术问题：(1)如何利用共线传输线偏振和角向偏振飞秒激光双脉冲在金属表面快速制备形成二维亚微米蝶形金属微结构，掌握其中微纳米加工系统设计的思路、工艺制作方法、实现装置等；(2)如何通过改变两束飞秒激光脉冲的数目、时间延迟特性，实现对金属表面亚微米结构等进行有效调控；(3)如何通过改变聚焦条件在金属表面实现高效制备。
本发明解决的技术方案是：
一种二维亚微米蝶形金属微结构的飞秒激光直写制备方法，包括以下步骤：
第一步，金属靶样品材料的抛光和安装
利用砂纸将金属靶样品材料表面进行机械抛光处理后，在酒精中超声清洗得到洁净处理的金属靶样品材料，将金属靶样品材料安装在三维移动精密平台的载物架上，可通过计算机控制三维移动精密平台使金属靶样品材料在空间三维方向上精密移动；
第二步，可变延迟时间的线偏振和角向偏振双脉冲飞秒激光的获取
通过基于迈克尔逊干涉系统搭建的微纳米加工平台，将飞秒激光透过径向偏振转换器产生角向偏振飞秒激光，最终生成具有皮秒时间延迟的线偏振飞秒激光和角向偏振飞秒激光，并使两者在空间上共线传输，构成可变延迟时间的线偏振和角向偏振的双脉冲飞秒激光；
第三步，双脉冲飞秒激光的点聚焦
将第二步获得的在空间上共线传输的线偏振和角向偏振的双脉冲飞秒激光通过同一物镜聚焦，垂直照射在金属靶样品材料表面；
第四步，金属靶样品材料位置的调节
通过计算机控制三维移动精密平台，调节载物架上的金属靶样品材料的相对位置，使金属靶样品材料的表面在平移过程中能够始终与线偏振飞秒激光的偏振方向保持平行；
第五步，物镜焦点位置的确定
通过计算机控制三维移动精密平台平移的过程中，双脉冲飞秒激光在样品表面不同位置处聚焦，相继形成多处烧蚀孔，根据烧蚀孔直径尺寸的大小进而确定双脉冲飞秒激光的聚焦焦点位置；
第六步，金属靶样品材料表面的调整
通过计算机调节三维移动精密平台，沿着逆光束传播方向平移金属靶样品材料，调整激光焦点和金属靶样品材料的相对位置，使物镜的焦点位置顺着光束传播方向在金属靶样品材料表面前方200微米处；
第七步，二维亚微米蝶形金属微结构的制备
在保证线偏振和角向偏振双脉冲飞秒激光共线传输，双光束均能经过物镜聚焦照射到样品表面的情况下，首先控制三维移动精密平台，从而控制金属靶样品材料表面与焦点之间的距离，同时通过控制双脉冲飞秒激光的脉冲数目、功率和激光的偏振态，便可在金属靶样品材料表面制备出二维亚微米蝶形金属微结构。
第二步所述的基于迈克尔逊干涉系统搭建的微纳米加工平台包括飞秒激光器、半透半反透镜、用于改变激光传播方向的反射镜、半波片、合束片、径向偏振转换器、一维精密移动平移台、衰减片和ccd光谱仪，飞秒激光器输出的每一个飞秒激光脉冲通过半透半反透镜转化为两个具有皮秒时间延迟的同色双脉冲飞秒激光，其中一个分光路通过半波片，使该光路中的偏振方向由水平方向偏振转化为竖直方向偏振，再通过径向偏振转换器来实现角向偏振飞秒激光的输出。两个分光路中的多个反射镜可以改变光的传播方向，通过调节反射镜，保障线偏振飞秒激光和角向偏振飞秒激光空间上的共线输出，并最终在合束片处汇合，实现线偏振飞秒激光和角向偏振飞秒激光的共线传输；通过移动一维微纳米平移台来控制反射镜位置，来改变双脉冲飞秒激光在光路中的有效光程，进而能够改变双光束之间的时间延迟；两分光路的不同功率配比通过调整衰减片来实现。
所述的金属靶样品材料为钨、钼或钛材料。
所述的双脉冲飞秒激光分别为线偏振飞秒激光和角向偏振飞秒激光，激光脉冲的脉宽为50飞秒，中心波长为800纳米。
所述的双脉冲飞秒激光的脉冲个数范围为20～200个。
从合束片中出射的飞秒激光为线偏振飞秒激光和角向偏振飞秒激光，这两束飞秒激光在空间上共线传输，透过融石英物镜点聚焦，在金属材料表面诱导制备微结构，该物镜能够将具有皮秒时间延迟的双脉冲飞秒激光进行聚焦。并使得角向偏振光在焦点处的光斑的电场方向沿角向呈环形分布，从而能够在样品表面实现规整形貌特征的微结构制备。
所述的线偏振飞秒激光和角向偏振飞秒激光的延迟时间为小于200皮秒。
所述的二维亚微米蝶形金属微结构在直径为32微米的圆内，其中弯曲条纹的脊面宽度320-400纳米。
所述的二维亚微米蝶形金属微结构为在飞秒激光辐照光斑的中心部位诱导产生二维弯曲的条纹微纳米结构，随着逐渐远离微纳米结构的中心部位，沿水平方向条纹的弯曲程度呈现明显增大趋势，由于其整体形貌上类似于蝴蝶翅膀，因此，称其为二维亚微米蝶形金属微结构。
本发明有益效果
(1)应用线偏振的近红外飞秒激光脉冲通过基于迈克尔逊干涉系统搭建的微纳米加工平台产生线偏振和角向偏振的双束飞秒激光脉冲，这两束光在空间上共线传输，其特征参数为中心波长和重复频率相同，制备形成二维亚微米蝶形金属微结构。
(2)利用径向偏振转换器产生角向偏振飞秒激光，采用熔融石英物镜将具有皮秒时间延迟的线偏振和角向偏振飞秒激光双脉冲进行聚焦，并使得聚焦光斑呈圆形光斑分布，从而能够在样品表面直写有特殊形貌的二维亚微米蝶形微纳米结构，其形貌特征参数可以获得有效调控。
(3)激光脉冲个数控制在20-200，从而可以实现在金属材料表面制备蝶形结构。
(4)本发明通过巧妙利用微纳米加工平台的分光方法形成两个同色共线传输、时间延迟可调的线偏振和角向偏振飞秒激光脉冲，采用物镜点聚焦方式，方便快速地在金属表面直写制备出条纹方向弯曲的二维亚微米蝶形金属微结构。与传统的二维周期结构制作过程相比较，本发明提出的技术方法相对简单、快捷、方便、可操作性高，工艺简单，成本低，效率高，克服了传统光路设计与制作技术方法所带来的繁杂工序。
附图说明
图1为本发明以共线方式传输且具有时间延迟的线偏振和角向偏振的双脉冲飞秒激光在金属表面直写制备二维亚微米蝶形金属微结构的光路图。
其中光学元件的说明分别为：1表示飞秒激光器，2表示中心波长为800纳米的飞秒激光，3表示半透半反透镜，4、5、6、9、10、12、15均表示反射镜，7表示半波片，11表示一维精密移动平移台，13表示合束片，14表示径向偏振转换器，17表示ccd光谱仪，18表示物镜(4倍的聚焦融石英物镜)，19表示待加工的金属靶样品材料，20表示三维移动精密平台，8、16表示衰减片。
图2和图3均为在金属钨样品材料样品表面得到的二维亚微米蝶形结构的制备结构的扫描电子显微图像。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
实施例1
如图1所示，中心波长为800纳米、脉宽为50飞秒的飞秒激光2从激光放大器1输出，出射飞秒激光振方向沿水平方向，为线偏振激光。经过半透半反透镜3，单束的飞秒激光转化为传播方向相互垂直的双束飞秒激光，双束飞秒激光经反射镜4、5、6、9、10、12改变传播方向，双束激光最终经合束片13会合，调节反射镜，使合束后的双光束同向沿直线传播。之后在光路中插入半波片7，使该光路中的偏振方向由水平偏振转化为竖直方向偏振，此后再插入径向偏振转换器14，使通过的线偏振光转化为角向偏振光。每一个入射脉冲从合束器出射后将被转化成为中心波长相同、偏振分别为线偏振和角向偏振的双脉冲飞秒激光，它们在空间上共线传输并经同一个物镜18实现光束聚焦。通过控制三维移动精密平台20，将待加工的金属靶样品材料的表面移至激光焦点后200微米距离，通过控制入射飞秒激光的脉冲数目，最终在样品表面实现二维亚微米蝶形金属微结构的快速制备。
实施例2
金属靶样品材料采用金属钨样品材料，在实施例1中的光路基础上，采用中性的衰减片16，调节双光路的激光功率，使双光路的飞秒激光经合束片出射后的激光功率相等，测得的激光总功率为2微焦，金属钨样品靶面距物镜焦点200微米，在延迟时间为10皮秒，脉冲个数N＝100时，在金属钨样品材料表面获得直径为31微米的蝶形微结构的扫描电子显微图，如图2所示，其中放大倍数为2500倍。
实施例3
金属靶样品材料采用金属钨样品材料，在实施例1中的光路基础上，采用中性的衰减片，调节双光路的激光功率，使双光路的飞秒激光经合束片出射后的激光功率相等，在它们入射至聚焦物镜之前的位置，测得的激光总功率为2毫瓦微焦，金属钨样品靶面距物镜焦点200微米，脉冲个数N＝100，在延迟时间为正5皮秒和负5皮秒时在金属钨样品材料表面获得蝶形微结构的扫描电子显微图，如图3中的a、b所示，它们均为样品材料表面获得直径为30微米的蝶形微结构的扫描电子显微图，其中放大倍数为2500倍。从该图中可知：此时样品表面形成的弯曲条纹的脊面宽度在320～400纳米范围。
Claims (8)
1.一种二维亚微米蝶形金属微结构的飞秒激光直写制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，金属靶样品材料的抛光和安装
利用砂纸将金属靶样品材料表面进行机械抛光处理后，在酒精中超声清洗得到洁净处理的金属靶样品材料，将金属靶样品材料安装在三维移动精密平台(20)的载物架上，可通过计算机控制三维移动精密平台使金属靶样品材料在空间三维方向上精密移动；
第二步，可变延迟时间的线偏振和角向偏振双脉冲飞秒激光的获取
通过基于迈克尔逊干涉系统搭建的微纳米加工平台，将飞秒激光透过径向偏振转换器产生角向偏振飞秒激光，最终生成具有皮秒时间延迟的线偏振飞秒激光和角向偏振飞秒激光，并使两者在空间上共线传输，构成可变延迟时间的线偏振和角向偏振的双脉冲飞秒激光；
第三步，双脉冲飞秒激光的点聚焦
将第二步获得的在空间上共线传输的线偏振和角向偏振的双脉冲飞秒激光通过同一物镜(18)聚焦，垂直照射在金属靶样品材料表面；
第四步，金属靶样品材料位置的调节
通过计算机控制三维移动精密平台，调节载物架上的金属靶样品材料的相对位置，使金属靶样品材料的表面在平移过程中能够始终与线偏振飞秒激光的偏振方向保持平行；
第五步，物镜焦点位置的确定
通过计算机控制三维移动精密平台平移的过程中，双脉冲飞秒激光在样品表面不同位置处聚焦，相继形成多处烧蚀孔，根据烧蚀孔直径尺寸的大小进而确定双脉冲飞秒激光的聚焦焦点位置；
第六步，金属靶样品材料表面的调整
通过计算机调节三维移动精密平台，沿着逆光束传播方向平移金属靶样品材料，调整激光焦点和金属靶样品材料的相对位置，使物镜的焦点位置顺着光束传播方向在金属靶样品材料表面前方200微米处；
第七步，二维亚微米蝶形金属微结构的制备
在保证线偏振和角向偏振双脉冲飞秒激光共线传输，双光束均能经过物镜聚焦照射到样品表面的情况下，首先控制三维移动精密平台，从而控制金属靶样品材料表面与焦点之间的距离，同时通过控制双脉冲飞秒激光的脉冲数目、功率和激光的偏振态，便可在金属靶样品材料表面制备出二维亚微米蝶形金属微结构。
2.根据权利要求1所述的二维亚微米蝶形金属微结构的飞秒激光直写制备方法，其特征在于，第二步所述的基于迈克尔逊干涉系统搭建的微纳米加工平台包括飞秒激光器(1)、半透半反透镜(3)、用于改变激光传播方向的反射镜(4、5、6、9、10、12、15)、半波片(7)、合束片(13)、径向偏振转换器(14)、一维精密移动平移台(11)、衰减片(8)和ccd光谱仪(17)，飞秒激光器(1)输出的每一个飞秒激光脉冲通过半透半反透镜(3)转化为两个具有皮秒时间延迟的同色双脉冲飞秒激光，其中一个分光路通过半波片(7)，使该光路中的偏振方向由水平方向偏振转化为竖直方向偏振，再通过径向偏振转换器(14)来实现角向偏振飞秒激光的输出。两个分光路中的多个反射镜可以改变光的传播方向，通过调节反射镜，保障线偏振飞秒激光和角向偏振飞秒激光空间上的共线输出，并最终在合束片(13)处汇合，实现线偏振飞秒激光和角向偏振飞秒激光的共线传输；通过移动一维微纳米平移台(11)来控制反射镜位置，来改变双脉冲飞秒激光在光路中的有效光程，进而能够改变双光束之间的时间延迟；两分光路的不同功率配比通过调整衰减片(8)来实现。
3.根据权利要求1或2所述的二维亚微米蝶形金属微结构的飞秒激光直写制备方法，其特征在于，所述的金属靶样品材料为钨、钼或钛材料。
4.根据权利要求1或2所述的二维亚微米蝶形金属微结构的飞秒激光直写制备方法，其特征在于，所述的双脉冲飞秒激光分别为线偏振飞秒激光和角向偏振飞秒激光，激光脉冲的脉宽为50飞秒，中心波长为800纳米。
5.根据权利要求4所述的二维亚微米蝶形金属微结构的飞秒激光直写制备方法，其特征在于，所述的双脉冲飞秒激光的脉冲个数范围为20～200个。
6.根据权利要求1或2所述的二维亚微米蝶形金属微结构的飞秒激光直写制备方法，其特征在于，从合束片中出射的飞秒激光为线偏振飞秒激光和角向偏振飞秒激光，这两束飞秒激光在空间上共线传输，透过融石英物镜点聚焦，在金属材料表面诱导制备微结构，该物镜能够将具有皮秒时间延迟的双脉冲飞秒激光进行聚焦。并使得角向偏振光在焦点处的光斑的电场方向沿角向呈环形分布，从而能够在样品表面实现规整形貌特征的微结构制备。
7.根据权利要求1或2所述的二维亚微米蝶形金属微结构的飞秒激光直写制备方法，其特征在于，所述的线偏振飞秒激光和角向偏振飞秒激光的延迟时间为小于200皮秒。
8.根据权利要求1或2所述的二维亚微米蝶形金属微结构的飞秒激光直写制备方法，其特征在于，所述的二维亚微米蝶形金属微结构在直径为32微米的圆内，其中弯曲条纹的脊面宽度320-400纳米。
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