CN107064064B - 一种飞秒激光加工中透明薄膜折射率改变量的获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞秒激光加工中透明薄膜折射率改变量的获取方法，利用激光平面加工装置，采用间隔为300nm的逐线扫描方法在薄膜上获得64个与激光功率和平台扫描速度相关的80μm×80μm大小的折射率发生改变的区域，通过带有显微系统和三维移动平台的傅里叶红外光谱仪测得该64个区域的透射谱，采用改进的Swanepoel方法从透射谱中计算得到薄膜的折射率，进而得到激光加工区域的薄膜折射率改变量。

Description

一种飞秒激光加工中透明薄膜折射率改变量的获取方法

技术领域

本发明涉及一种飞秒激光加工中透明薄膜折射率改变量的获取方法，尤其是涉及一种飞秒激光致薄膜微小区域(80μm×80μm)折射率改变的获取方法。

背景技术

飞秒激光调控透明薄膜折射率改变是利用非线性相互作用，具有热效应小、精度高和真三维加工能力，广泛应用在光流控芯片、三维光子晶体、红外微腔激光器及高密度光存储设备的制备领域。利用飞秒光致透明薄膜折射率改变原理可以制备单光子芯片用的光波导、光栅等微纳器件。掌握飞秒光功率与光致折射率改变之间的关系对于微纳光器件的设计与制备至关重要。

测量薄膜折射率通常使用的方法有棱镜耦合仪法、干涉计量法、转角法等。利用这些方法测试薄膜折射率时测量区域比较大，通常在毫米量级以上，被测区域的精确定位也比较困难。然而，利用飞秒激光调控透明薄膜时被调控区域通常是微米量级，光致折射率改变量通常为0.01量级，利用传统的方法很难精确定位并获得被调控区域的折射率变化量为0.01量级的测试结果。故迫切需要开发一种飞秒光诱导之后的透明薄膜微小区域折射率改变量的获取方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种飞秒激光加工中透明薄膜折射率改变量的获取方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种高精度微小区域飞秒激光平面加工装置与薄膜透射谱测量相结合的方法。激光平面加工装置包括沿主光路顺序排列的用于发出加工光束的飞秒激光器、激光功率调谐机构、快门、第一偏振分光棱镜、全反镜、激光光束直径调整系统、第二偏振分光棱镜、物镜和用于放置样品的三维移动平台，所述的三维移动平台背面设置有对样品进行背景照明的LED光源，所述的第二偏振分光棱镜的分光路上设置有成像CCD，所述的第一偏振分光棱镜的分光路上设置有聚焦透镜和光电倍增管，所述的光电倍增管与放置在三维移动平台上的样品表面处在共聚焦位置，所述的激光器、三维移动平台、快门、激光功率调谐机构和光电倍增管分别与控制计算机连接。所述的激光功率调谐机构由第一偏振片、波片和第二偏振片组成，所述的波片与控制计算机连接。薄膜的透射谱采用傅里叶红外光谱仪测量得到。

获取飞秒光致薄膜微小区域折射率改变量的具体方法为：

将薄膜样品固定在飞秒激光加工设备的三维移动平台上；开启飞秒激光器，顺序调节光路中涉及的各个光学元器件的位置，使得激光光束同时通过各个光学元件的中心；打开背景照明LED，调节三维移动平台的上下、前后及左右位置，使待诱导区域移动到物镜的焦平面上，通过共焦的CCD观察样品表面，直至形成清晰的图像；控制三维移动平台垂直扫描，通过精确定位系统准确找到薄膜样品的表面高度数据，利用旋转矩阵法修正待调控薄膜的位置数据；将修正后的位置数据导入飞秒激光加工平台的控制计算机，控制每个调控区域大小为80μm×80μm，结合改变激光的功率、平台扫描速度等参数，利用逐线扫描的方法获得薄膜折射率发生改变的多个诱导区域；然后利用傅里叶红外光谱仪获取多个诱导区域的透射谱，通过改进的Swanepoel方法使用该透射谱即可获得薄膜的各个诱导区域的折射率数据。最终，通过比较激光诱导前后的诱导区域的薄膜折射率即可获得诱导区域薄膜的折射率改变量与飞秒激光功率、平台扫描速度等参数之间的关系。

与现有技术相比，本发明的优点在于：(1)能够测量飞秒光致透明薄膜微小区域的折射率改变量，测试折射率精度可达0.001，测试区域最小可为10μm×10μm。(2)通过同时制备和测量多个区域的折射率改变量，能够方便快速地获取飞秒激光功率、平台扫描速度等与光致折射率改变量之间的关系。(3)采用线扫描间隔为300nm的逐线扫描的方法调控薄膜，能保证被加工区域折射率均匀改变，不会形成类光栅结构，引起衍射等现象。本发明中使用的激光加工设备、光学显微镜以及傅里叶红外光谱仪等都是本领域的常规仪器，容易实现。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为样品表面5个位置反射光强与平台垂直位置之间关系；

图3为飞秒激光调控的透明薄膜图像；

图4为同一扫描速度不同扫描功率下的诱导区域的薄膜折射率改变量。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例一：如图1所示，飞秒激光加工设备包括沿主光路顺序排列的用于发出加工光束的激光器1、激光功率调谐机构2、快门3、第一偏振分光棱镜4、全反镜5、激光光束直径调整系统6、第二偏振分光棱镜7、物镜8、和用于放置样品的三维移动平台9、激光功率调谐机构2由第一偏振片21、波片22和第二偏振片23组成，功率调谐精度为1μW，激光光束直径调整系统6由一组透镜组成，从激光光束直径调整系统6出射后的激光光束直径为5mm，物镜8的数值孔径为1.4，三维移动平台9背面放置有对样品进行背景照明的LED光源10，第二偏振分光棱镜7的分光路上设置有成像CCD 11，第一偏振分光棱镜4的分光路上设置有聚焦透镜12和光电倍增管13，光电倍增管13与放置在三维移动平台9上的样品14表面处在共聚焦位置。激光器1、三维移动平台9、快门3、激光功率调谐机构2中的波片22和光电倍增管13分别与控制计算机15连接。

本发明的工作原理如下：

飞秒激光调控前，首先利用傅里叶红外光谱仪测量得到带衬底的硫系薄膜的透射谱，然后将该带衬底的硫系薄膜(衬底为厚约1mm的透明玻璃，硫系薄膜厚约1μm)安装固定在三维移动平台9上面，在薄膜表面滴上折射率为1.4的油滴，调节数值孔径为1.4的物镜8与薄膜表面的距离，使得物镜紧贴高折射率的油滴。本实施例中飞秒激光器1的波长800nm，脉冲宽度150fs，重复频率10kHz，三维移动平台9的X,Y,Z三轴的移动范围分别是1.5mm,1.5mm,0.4mm。背景照明光源10是红光LED。本实例中将要在上述硫系薄膜表面选取一个大小为1000μm×1000μm区域，将该区域均匀分为8行8列共64个80μm×80μm的小区域(激光诱导区域)，然后利用飞秒激光逐线扫描全部的小区域，逐线扫描过程中每两条线之间的距离为300nm，这样能保证被加工区域的折射率实现均匀调控的目的。1000μm×1000μm的区域在微纳加工中属于大面积加工，是否精确获得样品表面的Z坐标数据对于加工精度影响巨大。聚焦物镜数值孔径为1.4时，聚焦光斑的纵向长度小于1μm，纵向定位精度只有达到0.1μm才能保证实际加工效果与预设的情况一致。在1000μm×1000μm范围内，实现纵向定位精度为0.1μm非常困难，为此我们设计了微小区域的飞秒激光加工装置与薄膜透射谱测量相结合的方法，具体方法如下：

1.精确获取透明薄膜加工点的Z坐标数据

本实施例中，分别垂直扫描放在三维移动平台上的硫系薄膜表面的5个测试点A(750,750),B(100,100),C(100,1400),D(1400,1400),E(1400,100)得到这五个点的Z坐标数据，如图2所示，读取5条曲线左边峰值对应的横坐标即可得到各个点的Z坐标。本实例中测得的5个位置的Z坐标分别为204μm,212μm,195μm,198μm,213μm,故五个测试点的坐标分别为A(750,750,204),B(100,100,212),C(100,1400,195),D(1400,1400,198),E(1400,100,213)。五个位置的Z坐标不同是由于扫描平台、薄膜及衬底、样品安装等综合因素造成的，总的结果就是导致待加工薄膜表面的倾斜，下一步将利用获得的这5个点的坐标数据，利用旋转矩阵法进行倾斜校正。

2.旋转矩阵法修正初始加工数据

在飞秒激光加工中，如果待加工表面不平整或者倾斜，就会造成有些区域能够获得理想的结果，然而有些区域却偏离预设情况太多，尤其是在大面积加工中，这个问题更加突出。激光聚焦光斑精确定位到薄膜中的区域即能获得预设的结果，而由于不平整或倾斜造成的微米量级的偏离就会导致无法获得预设的结构。在本实施例中硫系薄膜的表面粗糙度优于20nm，所以造成偏离预设情况的主要原因是薄膜表平面的倾斜。

上一节中我们获得薄膜5个位置的坐标数据，经过校正确认后选取B、C、D、E四个点中的任意三个点作为P1(x₁y₁z₁),P2(x₂y₂z₂),P3(x₃y₃z₃)求出两个旋转角参数采用旋转矩阵法解决遇到的倾斜问题。

该方法由四个步骤构成：平移三维移动平台对称中心到旋转中心、三维移动平台绕X轴旋转、三维移动平台绕Y轴旋转、平移三维移动平台对称中心到初始位置，对应的四个矩阵分别是M1、M2、M3和M4：

飞秒激光加工区域的初始坐标向量为P₀＝[v_x v_y v_z]，将该初始向量扩展为

P₀＝[v_x v_y v_z 1]，通过平移、旋转、旋转及平移四个操作获得最终的向量为：

P＝M4×M3×M2×M1×P₀

将该校正后的数据P代入飞秒激光加工平台的控制计算机后，利用校正的数据进行加工即可获得理想的结果，成功解决了由于薄膜样品表面倾斜造成的问题。

3.获得飞秒激光调控过的薄膜折射率已发生改变的诱导区域

本实施例中在硫系薄膜表面选取一个大小为1000μm×1000μm区域，将该区域均匀分为8行8列共64个80μm×80μm的小区域，如图3所示。图中每一行从左到右逐列增加扫描速度，每一列从上到下逐行增加扫描功率。本实施例中的8个扫描速度分别为50μm/s、75μm/s、100μm/s、150μm/s、200μm/s、300μm/s、400μm/s、500μm/s，8个扫描功率分别为16.9μW 17.9μW 18.9μW 19.9μW 20.8μW 23.1μW 24.1μW 24.9μW。最终获得飞秒激光调控过的透明薄膜的64个区域

4.薄膜微小诱导区域的透射谱测量及激光诱导前后折射率改变量的获取

将如图3所示的薄膜样品从飞秒激光加工平台取下，然后固定在带有显微系统的傅里叶红外光谱仪的样品台上，样品台可以三维移动。通过调整显微物镜的通光口径，使得测试光束刚好通过如图3中所示的80μm×80μm的微小区域，每次单独测量图中80μm×80μm一小块区域的透射谱，设置好移动平台的横向步进间距，分64次全自动测量出图4中64块80μm×80μm区域的透射谱。然后利用改进的Swanepoel方法分别求出激光诱导前后诱导区域的薄膜折射率，进而得到激光诱导区域薄膜折射率的改变量。图4为利用改进的Swanepoel方法得到的同一扫描速度不同扫描功率下的诱导区域的薄膜折射率及改变量。

5.改进的Swanepoel方法获取薄膜的折射率

首先测量得到薄膜的透射谱，然后滤除该透射谱中的高频噪声，找到透射光谱曲线中干涉级次取得整数和半整数的位置，分别对波峰和波谷附近的切点数据进行插值，获得光滑透射光谱曲线的上切点包络曲线T_M和下切点包络曲线T_m，然后利用光滑透射光谱曲线的切点包络曲线数据和玻璃衬底折射率与薄膜折射率之间的关系式得到该透明薄膜在各个切点位置处对应的折射率n，式中s是玻璃衬底的折射率，再根据折射率和波长与厚度之间的关系式得到各个切点位置处对应的薄膜厚度值d，式中λ₁和λ₂是相邻的两个波峰或相邻的两个波谷附近切点位置对应的波长，n₁和n₂分别是λ₁和λ₂处的折射率，对所有切点位置处对应的薄膜厚度值d求平均得到平均厚度值将平均厚度值和上述获得的切点位置处对应的n与λ代入干涉方程中得到各个切点位置处对应的干涉级次m，当切点位于波峰附近时，取m值为离其最近的整数，当切点位于波谷附近时，取m值为离其最近的半整数，然后将各个切点位置处对应的m、n和λ代入干涉方程2nd₁＝mλ中，再次得到各个切点位置处对应的薄膜厚度值d₁，对所有切点位置处对应的薄膜厚度d₁值求平均得到然后将和m以及各个切点位置对应的波长λ代入干涉方程中再次得到各个切点位置处对应的薄膜折射率值n'；最终得到该薄膜的折射率值n'。

Claims (3)

1.一种飞秒激光加工中透明薄膜折射率改变量的获取方法，所述的飞秒激光平面加工装置包括沿主光路顺序排列的用于发出加工光束的飞秒激光器、激光功率调谐机构、快门、第一偏振分光棱镜、全反镜、激光光束直径调整系统、第二偏振分光棱镜、物镜和用于放置样品薄膜的三维移动平台，所述的三维移动平台背面设置有对样品薄膜进行背景照明的LED光源，所述的第二偏振分光棱镜的分光路上设置有成像CCD，所述的第一偏振分光棱镜的分光路上设置有聚焦透镜和光电倍增管，所述的光电倍增管与放置在所述的三维移动平台上的样品薄膜表面处在共聚焦位置，所述的激光器、所述的三维移动平台、所述的快门、所述的激光功率调谐机构和所述的光电倍增管分别与控制计算机连接，其特征在于在样品薄膜上选取一块1000μm×1000μm区域，在该区域按8行8列选择64个均匀分布的80μm×80μm的区域作为激光诱导区域，利用飞秒激光逐线扫描全部所述的激光诱导区域，通过测试得到的每个激光诱导区域的透射谱，利用薄膜的透射光谱曲线与其切点包络线相切位置处对应的波长及切点包络数据计算薄膜折射率的方法从透射谱中计算得到激光诱导区域的折射率，将其与激光加工前的薄膜折射率进行比较得到薄膜折射率的改变量。

2.如权利要求1所述的一种飞秒激光加工中透明薄膜折射率改变量的获取方法，其特征在于所述的物镜的数值孔径为1.4，飞秒激光逐线扫描的间隔为300nm。

3.如权利要求1所述的一种飞秒激光加工中透明薄膜折射率改变量的获取方法，其特征在于所述的飞秒激光逐线扫描是指在同一列中的扫描速度相同，同一行中的激光功率相同。