CN107052584B - 激光脉冲诱导熔石英表面形成均匀光栅结构的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光脉冲诱导熔石英表面形成均匀光栅结构的方法，利用二氧化碳激光峰值脉冲辐照熔石英样品改变其表面自组织结构，然后重复扫描，使其表面自组织形成均匀的光栅结构。采用以上方案，简化了制作均匀光栅结构的方法，方法新颖，避免了传统制作飞秒激光的繁琐步骤，降低了制作成本，且形成均匀光栅结构步骤简洁、方便高效，且通过相邻重叠辐照区域可轻松获得大面积的均匀光栅结构，通过本方法制作的均匀光栅结构可适用于分光、结构色等领域应用，具有极大科研意义。

Description

激光脉冲诱导熔石英表面形成均匀光栅结构的方法
技术领域
本发明属于光学元件技术领域，具体涉及一种激光脉冲诱导熔石英表面形成均匀光栅结构的方法。
背景技术
激光诱导周期性表面结构是线偏振激光辐照在固体上形成的一种普遍现象，几乎可以在包括金属、半导体和绝缘体的任何材料上产生，通常以包含准周期或周期性条纹的表面起伏形态出现。从技术的角度，激光诱导周期性表面结构的加工是一种简便的方法，周期性微纳结构可以在大气环境条件下一步成形，实现材料的表面功能化，调控材料表面的光学、力学和化学等特性。
随着现代技术的发展，超短激光光源的应用极大促进了人们对激光诱导周期性表面结构的研究。超短飞秒激光不仅可以诱导产生周期接近于激光波长的长周期激光诱导微纳结构，而且还可以产生周期远小于激光波长的短周期激光诱导微纳结构。但是，飞秒激光微细加工系统设备昂贵，维护费用高且周期长，加工效率低。飞秒激光诱导周期性表面结构一般出现在烧蚀坑内部，其局部的不平整性、烧蚀物的沉积以及波纹线条的不连续性等制约着飞秒激光诱导周期性表面结构用于大面积均匀光栅结构的制备。
针对目前激光诱导周期性表面结构用于大面积均匀光栅结构加工遇到的技术瓶颈，需要进行技术创新，探索激光制备大面积均匀光栅结构的新方法，解决目前技术不能兼顾形貌微精确控制、高效率、高质量和低成本的问题，亟需一种激光诱导周期性表面结构形成大面积均匀光栅结构的新方法。
发明内容
为解决以上技术问题，本发明提供了一种激光脉冲诱导熔石英表面形成均匀光栅结构的方法，具有简洁、方便、高效和低成本的优势。
为实现上述目的，本发明技术方案如下：
一种激光脉冲诱导熔石英表面形成均匀光栅结构的方法，包括以下步骤：
S1：设置二氧化碳激光器的频率和占空比参数；
S2：使用声光调制器截取微秒宽度的二氧化碳激光峰值脉冲；
S3：对截取的微秒二氧化碳激光峰值脉冲进行扩束，然后对其聚焦处理；
S4：将熔石英样片放置在聚焦后二氧化碳激光峰值脉冲的焦点位置；
S5：设置振镜系统的扫描区域、扫描方式、扫描速度和扫描间距；
S6：利用振镜系统驱动聚焦后的微秒二氧化碳激光峰值脉冲辐照熔石英样品的表面，改变熔石英样品表面受辐照区域的自组织结构；
S7：微秒二氧化碳激光峰值脉冲重复扫描熔石英样片的辐照区，使熔石英样片表面自组织形成均匀的光栅结构。
采用以上方案，通过微秒二氧化碳激光峰值脉冲聚焦对熔石英样片表面进行辐照，从而改变熔石英样片表面自组织结构，形成均匀的光栅结构，因为微秒二氧化碳激光峰值脉冲获取相对较为容易，所采用设备相比飞秒激光微细加工系统成本更低，形成的光栅结构更均匀光洁，提高了制造均匀光栅结构的效率和质量，并使光栅结构适用于分光、结构色等应用。
作为优选：步骤S5中，步骤S5中，所述扫描路径为逐行扫描，扫描行间距小于微秒二氧化碳激光峰值脉冲聚焦光斑的尺寸。采用以上方案，使扫描均匀，确保聚焦光斑行与行的重叠，保证光栅结构均匀。
作为优选：步骤S5中，设置扫描速度参数，使其满足同一行内聚焦光斑重叠。采用以上方案，避免聚焦光斑扫描不均，导致形成的光栅结构不均匀。
作为优选：步骤S4中，所述熔石英样片放置在二维平移样品台上，所述二维平移样品台可以逐行移动。采用以上方案，可以直接通过逐行移动样品台实现逐行扫描，减少振镜系统的的能量耗费。
作为优选：步骤S5中，需对熔石英样片进行预抛光处理。采用以上方案，使熔石英样片表面达到光学级的抛光度，最后形成的表面光栅结构质量更好。
作为优选：步骤S5中，对预抛光处理后的熔石英进行超声波清洗。采用以上方案，进一步提高熔石英表面清洁度，从而保证形成光栅的结构均匀。
作为优选：步骤S7中，熔石英样片表面自组织形成均匀光栅结构区后，在其相邻区域继续采用微秒二氧化碳激光峰值脉冲辐照形成新的均匀光栅结构区后，相邻均匀光栅结构区部分交叠。采用以上方案，实现相邻均匀光栅结构区光栅线条连贯一致，实现相邻均匀光栅结构区的拼接。
作为优选：步骤S3中，采用扩束镜对微秒二氧化碳激光峰值脉冲进行扩束，然后采用f-θ透镜对其进行聚焦。采用以上方案，可以实现快速对微秒二氧化碳激光峰值脉冲的扩束聚焦处理，操作简单快捷。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
采用本发明提供的激光脉冲诱导熔石英表面形成均匀光栅结构的方法，采用微秒二氧化碳激光峰值脉冲对熔石英样片进行辐照，从而使熔石英样片表面自组织形成均匀的光栅结构，方法新颖，避免了采用飞秒激光时获取激光的高成本繁琐步骤，微秒二氧化碳激光峰值脉冲的截取成本较低，形成均匀光栅结构步骤简洁、方便高效，且结构光洁，通过重叠辐照区域可轻松获得大面积的均匀光栅结构，适用于分光、结构色等应用。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为扫描一遍和扫描多遍的熔石英表面形貌显微图；
图3为红光二极管激光通过熔石英表面表面光栅结构后典型的透射光光强分布图；
图4为拼接均匀光栅结构区域光栅线条分布图；
图5为白光线光源不同方向通过均匀光栅结构后形成典型的结构色图像。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
实施例1：参考图1所示流程步骤进行，设置输出线偏振光的射频100W，激励二氧化碳激光器射出出光频率为1KHz，占空比为25％，当占空比为25％时，二氧化碳激光器激发出峰值脉冲，利用与二氧化碳激光器耦合的声光调制器截取微秒宽度的二氧化碳激光峰值脉冲，获得1KHz，脉宽4.5μs的微秒二氧化碳激光峰值脉冲。
使用三倍扩束镜对微秒二氧化碳激光峰值脉冲扩束，并用焦距为100mm的f-θ透镜对微秒二氧化碳激光峰值脉冲进行聚焦，聚焦光斑的尺寸约为90μm。
对熔石英进行光学级的抛光处理，然后采用超声波对其清洗，充分保证其表面清洁度，将处理后的熔石英样片放置在二氧化碳激光峰值脉冲焦点位置；设置振镜系统的扫描区域为3mm×3mm，扫描方式是逐行扫描，扫描速度为26.7mm/s，扫描速度满足同一行内的聚焦光斑重叠，即当二氧化碳激光峰值脉冲扫描同一行时，脉冲序列的前后序列扫描的位置相同，后一序列的脉冲作用范围作用区域与前一序列的脉冲作用区域一致；扫描行间距0.013mm，此时的行间距小于聚焦光斑的尺寸90μm，从而充分保证聚焦光斑在扫描时，扫过每行时，相邻两行之间纵会存在重叠，不会有区域没有扫描辐照到，可以有效提高对熔石英表面自组织的均匀处理。
设置完成之后，对熔石英样品进行八遍扫描，其表面在辐照诱导情况下形成自组织均匀光栅结构。
参考图2，其左侧a部分为扫描一遍熔石英表面的显微图，右侧b部分为扫描八遍熔石英表面的显微图，显微图片指出光栅结构周期与二氧化碳激光波长一致，光栅结构均匀、光洁，光栅线条连贯，且扫描次数越多，其表面光洁度越高；
利用红光二极管激光演示制备的光栅结构的衍射效果如图3所示，衍射效果图指出制备的光栅结构可以实现有效的分光，激光能量从外到内，从零-级分配到更高的级次。
实施例2：本实施例与实施例1的区别在于，当熔石英表面3mm×3mm扫描区域形成均匀光栅结构后，样品上移3mm，在已经形成的均匀光栅结构的区域下方扫描熔石英表面，形成另一个3mm×3mm光栅结构区域，两个区域的光栅线条连贯一致，如图4所示，上部为第一次通过辐照形成的均匀光栅结构区域1，下部为第二次辐照形成的均匀光栅结构区域2，两者之间存在交叠区域，由图可看出，两者交叠区域光滑均匀，可以实现两块均匀光栅结构区域的光滑拼接，以此类推，形成大面积的均匀光栅结构区，轻松完成大面积均匀光栅结构区的制作，具有极大的推广价值。
实施例3：本实施例与实施例1的区别在于：扫描微秒二氧化碳激光峰值脉冲辐照熔石英样片表面采用二维平移样品台逐行移动的方式进行，二维平移样品台移动区域为30mm×30mm，在该区域内的移动速度满足二氧化碳激光器的扫描速度20mm/s，扫描行间距0.02mm，微秒二氧化碳激光脉冲5μs，重复扫描遍数4遍，这样即可减少振镜系统的逐行移动，通过二维平移样品台逐行移动来实现相对的逐行扫描，实现起来更简单，且消耗能量更少。
实施例4：本实施例与实施例1的区别在于：振镜系统扫描熔石英样片表面区域为“中物院、CAEP”文字覆盖的区域，白光源日光灯管照明下典型的结构色效果如图5所示，其中a部分为线光源垂直于均匀光栅结构线条方向的透射光图像、b部分为线光源平行与均匀光栅结构线条方向的透射光图像、c部分为反射光图像，通过对比成像结构色可看出，采用本方法制作的均匀光栅结构的分光效果极好，能很好的显示反应结构色，对其研究有很大意义。
最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种激光脉冲诱导熔石英表面形成均匀光栅结构的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：设置二氧化碳激光器的频率和占空比参数；
S2：使用声光调制器截取微秒宽度的二氧化碳激光峰值脉冲；
S3：对截取的微秒二氧化碳激光峰值脉冲进行扩束，然后对其聚焦处理；
S4：将熔石英样片放置在聚焦后二氧化碳激光峰值脉冲的焦点位置；
S5：设置振镜系统的扫描区域、扫描方式、扫描速度和扫描间距；
S6：利用振镜系统驱动聚焦后的微秒二氧化碳激光峰值脉冲辐照熔石英样片的表面，改变熔石英样片表面受辐照区域的自组织结构；
S7：微秒二氧化碳激光峰值脉冲重复扫描熔石英样片的辐照区，使熔石英样片表面自组织形成均匀的光栅结构。
2.根据权利要求1所述的激光脉冲诱导熔石英表面形成均匀光栅结构的方法，其特征在于：步骤S5中，所述扫描方式为逐行扫描，扫描行间距小于微秒二氧化碳激光峰值脉冲聚焦光斑的尺寸。
3.根据权利要求2所述的激光脉冲诱导熔石英表面形成均匀光栅结构的方法，其特征在于：步骤S5中，设置扫描速度参数，使其满足同一行内聚焦光斑重叠。
4.根据权利要求2或3所述的激光脉冲诱导熔石英表面形成均匀光栅结构的方法，其特征在于：步骤S4中，所述熔石英样片放置在二维平移样品台上，所述二维平移样品台可以逐行移动。
5.根据权利要求1至3中任意一项所述的激光脉冲诱导熔石英表面形成均匀光栅结构的方法，其特征在于：步骤S5中，需对熔石英样片进行预抛光处理。
6.根据权利要求5所述的激光脉冲诱导熔石英表面形成均匀光栅结构的方法，其特征在于：步骤S5中，对预抛光处理后的熔石英进行超声波清洗。
7.根据权利要求1所述的激光脉冲诱导熔石英表面形成均匀光栅结构的方法，其特征在于：步骤S7中，熔石英样片表面自组织形成均匀光栅结构区后，在其相邻区域继续采用微秒二氧化碳激光峰值脉冲辐照形成新的均匀光栅结构区后，相邻均匀光栅结构区部分交叠。
8.根据权利要求1所述的激光脉冲诱导熔石英表面形成均匀光栅结构的方法，其特征在于：步骤S3中，采用扩束镜对微秒二氧化碳激光峰值脉冲进行扩束，然后采用f-θ透镜对其进行聚焦。
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