CN108568594A - 基于类等离子体透镜效应调控晶硅表面波纹结构的方法 - Google Patents

Abstract

基于类等离子体透镜效应调控晶硅表面波纹结构的方法属于飞秒激光应用技术领域。该方法采用单个倍频后基频飞秒激光脉冲预先在镀有贵金属薄膜的基底硅上加工出金属纳米环结构，之后采用第二束单个传统基频高斯飞秒激光脉冲作用于纳米环结构上，在贵金属纳米结构的类等离子体效应作用下，实现基底晶硅表面圆环形同心波纹结构的加工。当采用线偏振飞秒激光脉冲时，所加工波纹结构呈半圆环分布，波纹对称轴垂直于激光偏振方向；当采用圆偏振飞秒激光脉冲时，所加工波纹结构呈中心对称的圆环分布形态。本发明提出了实现高效精确的表面周期性微纳结构形态的控制，在表面浸润性及图像存储等方面具有至关重要的应用价值。

Description

基于类等离子体透镜效应调控晶硅表面波纹结构的方法

技术领域

本发明涉及飞秒激光应用领域，尤其涉及一种基于类等离子体透镜效应调控飞秒激光诱导晶硅表面波纹结构的方法。

背景技术

材料表面性能可通过对表面微纳结构的具体形态及排列方式控制达到最优。飞秒激光表面微纳加工从一出现就引起了人们极大的兴趣，对它的研究也日益深入。然而，飞秒激光与材料的相互作用是一个极其复杂的过程，繁杂的加工参数与众多的作用对象使得表面微纳结构呈现出各种不同的形态结构及排列方式，同时激光整形技术的发展也为飞秒激光诱导表面微纳结构的调控提供了更多的自由度。如何针对材料特性优化激光加工参数得到理想的表面微纳结构形态及排列方式是推进飞秒激光表面微纳结构实际应用的关键，也是当前的研究热点。激光诱导表面微纳米技术作为一种有效的方法可以改变材料的光学性质，机械性能，化学性能，润湿性以及其它很多性能。 1965年Birnbaum首次用红宝石激光在半导体表面诱导了规则的波纹结构，此后，研究者利用各种连续、脉冲激光在各种材料的表面和内部诱导了周期性结构。激光诱导表面波纹结构是激光与物质相互作用最常见的一种表面微纳结构，可有效的改变材料表面的光学性质，机械性能，化学性能，润湿性等性能，在图像的彩色存储，抗反射表面，太阳能电池等诸多领域具有广泛的应用前景。如在文献“Controlled nanostructrures formation by ultrafast laser pulses for colormarking”中，Dusser等人通过激光激光偏振方向的调节用于控制波纹结构的方向性排列，用于彩色图片成像。然而，对这种结构的精确控制仍然是制约其在实际工程应用中的一大难题。特定形态的表面周期结构对应着特定的性能，如何对激光加工过程进行控制以获得所需形态的波纹结构是当前研究的重点。

发明内容

本发明的目的是基于表面波纹结构的形成机理的控制提供一种调控飞秒激光诱导晶硅表面波纹结构形态的方法。

本发明的基本思想是通过脉冲整形技术预先在样本表面淀积的贵金属薄膜上加工出金属纳米结构，基于贵金属纳米结构在激光辐照下的表面等离子体激发及传播控制特性，在后续飞秒激光作用下，在基底样本上加工出不同于常规形态的环形表面波纹结构。本方法从激光诱导表面波纹结构的机理出发，首先构建表面波纹结构的产生条件，即预先产生的金属纳米结构作为表面等离子体激发源，在此基础上基于表面等离子体的横磁波特性通过调节入射激光偏振态，进而控制表面等离子体激元的传播，最终实现晶硅基底表面波纹结构形态的调控。在贵金属纳米结构的类等离子体透镜效应的作用下，此方法不同于常规飞秒激光诱导晶硅表面波纹结构的产生条件，即多脉冲作用或表面具有缺陷和足够的粗糙度，仅通过单个飞秒激光脉冲的辐照，在较低的脉冲能量即可加工产生形态复杂的表面波纹结构，且其形态可调。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

基于类等离子体透镜效应调控晶硅表面波纹结构的方法，该方法包括以下步骤：

步骤一，样本准备：在硅基底表面淀积贵金属薄膜，金或银；

步骤二，基于倍频晶体产生二次谐波效率原理对基频飞秒激光脉冲进行空间整形：采用偏硼酸钡晶体(BBO晶体)对基频波长为800nm的飞秒激光脉冲进行倍频，经过倍频后原始基频激光脉冲发生空间重整呈环形能量分布，由于所采用脉冲能量产生的倍频光对样本无加工效果，故将波长为400nm的倍频光和基频800nm的飞秒激光脉冲作为类等离子透镜的加工脉冲；

步骤三，将被加工样本固定在六维平移台上，通过成像CCD观测，调整光路，确保激光入射方向与加工样本表面垂直；

步骤四，激光能量调节：利用半波片-偏振片组合及中性密度滤波片对入射激光能量进行调节使其大于淀积薄膜样本的单脉冲烧蚀阈值，且激光能量能够连续调节，作为优选，脉冲能量为单脉冲烧蚀阈值的1～2倍；

步骤五，类等离子体透镜金属纳米结构加工：综合控制激光频率和机械开关，使得入射到样本表面脉冲个数为1，单个环形双波长飞秒激光脉冲作用下在样本表面预先加工出环形表面金属纳米凸起结构，其三维结构呈环形凸起类等离子体透镜形态；

步骤六，保持步骤五中激光焦点位置不变，在线偏振单个飞秒激光脉冲作用下调节不同的线偏振方向，或对激光偏振态进行调节呈圆偏振态，将单个双波长飞秒激光脉冲作用于预先加工出的环形表面纳米凸起结构上，基于环形金属纳米凸起结构的类等离子体透镜效应，在单个飞秒激光脉冲作用下对表面等离子体激元进行激发并对其传播进行调节，在基底硅表面加工出环形表面波纹结构，且其形态可通过入射激光偏振态调节；

在线偏振态单个飞秒激光作用条件下，基于表面等离子体激元的恒磁波特性，随着激光光场在径向环形纳米凸起分量的减小，光场与表面等离子体耦合场逐渐减弱，从而使得表面波纹结构呈现对称轴平行于激光偏振方向的半圆环形态，且其对称轴可随入射激光线偏振方向连续可调；

在圆偏振态单个飞秒激光脉冲作用下，激光光场在各个方向上激发的表面等离子体强度相同，耦合场相同，产生呈中心对称的圆环形同心波纹结构。

进一步的，步骤六中，所述激光偏振态的调控方法包括以下步骤：

(1)在光路中加入半波片，调节半波片光轴与初始激光偏振方向夹角得到不同线偏振激光方向的基频飞秒激光脉冲；

(2)过调节中性密度滤波片对第二个入射激光脉冲能量进行调节，使得基频光能量低于硅表面烧蚀阈值，约为单脉冲硅烧蚀阈值的0.4～0.8倍；

(3)调整入射激光频率为10并控制机械开关开启时间100ms，使得单个双波长飞秒激光入射到类等离子体纳米环形结构表面；

(4)所采用能量使得倍频光在实验中无加工效果，在不同线偏振方向基频飞秒激光作用下，基于环形金属纳米凸起结构的等离子体透镜效应，在被加工样本硅基底表面加工出对称轴沿激光偏振方向的半圆环同心波纹结构；

或者在光路中加入四分之一波片，对基频光的偏振态进行调节，通过调整四分之一波片光轴方向与初始激光偏振方向呈45°夹角得到圆偏振态基频飞秒激光脉冲。在单个基频飞秒激光脉冲作用下，在基底硅表面加工出呈中心对称的圆环形波纹结构。

作为优选，所述加工物镜选择焦距为100mm双胶合平凸透镜。

作为优选，所述在被加工硅基底表面进行贵金属薄膜淀积处理采用磁控溅射的方法或热蒸发的方法，厚度范围为20nm～40nm。

作为优选，所述镀金属膜所使用的金属为金或银，厚度为20nm。

基于上述方法的基于类等离子体透镜效应调控晶硅表面波纹结构的装置，包括飞秒激光器、第一半波片、偏振片、第二半波片或四分之一波片、连续衰减片，机械开关、二向色镜、倍频晶体、聚焦物镜和六维移动平移台；飞秒激光器产生线偏振基频800nm飞秒激光脉冲，基频飞秒激光脉冲经第一半波片、偏振片、第二半波片或四分之一波片、连续衰减片，机械开关之后，被二向色镜反射经过倍频晶体后产生高斯型400nm倍频飞秒光及由于倍频效率不同光场发生整形的环形能量分布800nm基频飞秒激光，两不同波长飞秒激光在时域上不同步，且倍频光无加工效果，两波长飞秒激光经过聚焦物镜聚焦后保证基频飞秒激光脉冲聚焦到待加工样本表面，即贵金属薄膜表面，待加工样本固定在六维移动平台上；

作为优选，所选装置还包括分束镜、照明白光源、聚焦透镜和成像CCD，用于监控类等离子体透镜金属纳米环结构和晶硅表面波纹结构的加工；照明白光源经过分束镜、二向色镜、倍频晶体，被分束镜反射后入射到成像CCD 中。

有益效果

本发明提出了一种基于类等离子体透镜效应调控飞秒激光诱导晶硅表面波纹结构的方法，从激光诱导表面波纹结构的机理出发，首先构建表面波纹结构的产生条件，通过激光倍频技术中二次谐波产生效率随能量不同的变化规律对基频飞秒激光的光场分布进行整形，预先在贵金属薄膜表面加工作为表面等离子体激发及控制源的金属纳米环结构，进而通过激光偏振态的控制，在单脉冲飞秒激光的辐照下调控控制金属纳米环激发产生的表面等离子体传播，实现单脉冲飞秒激光诱导晶硅表面波纹结构的加工过程及其形态的综合调制。这一加工及调控方法大大提高了材料表面的加工精度及可控性，实现了高效精确的表面周期性微纳结构形态的控制，在表面浸润性及图像存储等方面具有至关重要的应用价值。

附图说明

图1为具体实施例中，基于类等离子体透镜效应调控飞秒激光诱导晶硅表面波纹结构加工光路图：

标号：1-飞秒激光器；2-第一半波片；3-偏振片；4-第二半波片；5-四分之一波片；6-反射镜；7-中性密度滤波片；8-机械开关；9-二向色镜；10-分束镜；11-白光源；12-平凸透镜；13-成像CCD；14-倍频晶体；15-加工物镜； 16-待加工样本；17-六维平移台。

图2是本发明机理图。

具体实施方式

下面结合附图以及实施例对本发明做进一步的介绍。

本实施方式中，通过激光倍频对基频飞秒激光光场分布进行整形，预先在贵金属薄膜上加工出金属纳米环结构，进而通过激光偏振态的调节实现基底表面波纹结构的加工及形态调控，具体加工光路如图1所示。其加工光路为飞秒激光器1产生飞秒激光脉冲，飞秒激光脉冲经过第一半波片2、偏振片3、第二半波片4、四分之一波片5后，被反射镜6反射后经中性密度滤波片 7、机械开关8后被二向色镜9反射经倍频晶体14后经加工物镜15聚焦到样本16表面，待加工样本16固定在六维移动平台17上；照明白光源11经分束镜10、二向色镜9、倍频晶体14、及加工物镜15后照射到样本16表面后反射光经加工物镜15、倍频晶体14、二向色镜9，被分束镜10反射镜平凸透镜12后入射到成像CCD13中。

实验过程中采用的飞秒激光器参数如下：中心波长为800nm，脉冲宽度为35fs，重复频率为1kHz，线偏振；实验中待加工样品为基底硅上淀积有 20-40nm厚的贵金属，金或银薄膜。

飞秒激光器1采用美国光谱物理(Spectrum Physics)公司生产的激光器，激光波长800nm，脉冲宽度35fs，重复频率1KHz，单脉冲最大能量3mJ，光强分布为高斯形，线偏振。

中性密度滤波片7采用大恒光电GCC-3030圆形中性密度渐变滤光片，在可见光到红外光区内可通过调整镜片的旋转角度，改变吸收/反射光与透射光的比例来改变光衰减的大小，激光能量调节范围为1％—90％。

机械开关8采用Thorlabs公司生产的SH05，可以控制激光曝光时间，其开关响应时间为1ms。

具体实施例一：

以控制晶硅表面波纹结构形态为例，采用本发明的预先类等离子体纳米结构构建，入射激光偏振态调控方法，所采用入射基频飞秒激光脉冲为线偏振态，具体加工步骤如下：

调整光路，确保激光入射方向与所加工样本表面垂直；

(1)样本制备：本实施例通过磁控溅射的方法在10mm×10mm×1mm的基底硅样本上镀20nm厚金薄膜；

(2)入射基频飞秒激光脉冲光场整形：将倍频晶体14置于光路中，调节倍频晶体14的角度使得倍频效率达到最大，基频飞秒激光脉冲经过倍频晶体后光场发生重整呈环状分布，由于倍频后400nm飞秒激光能量较弱不产生加工效果，故无需滤掉；

(3)利用焦距为100mm的双胶合平凸透镜15对飞秒激光脉冲进行聚焦，被加工样品16固定在六维移动平台17上，通过成像CCD13的观测，调节光路使得入射激光垂直于样本16表面；

(4)调节能量：利用第一半波片2和偏振片3组合及中性密度衰减片7调节激光能量使之大于被加工样本薄膜表面单个基频飞秒激光烧蚀阈值，1.5μJ，且激光能量能够连续调节；

(5)类等离子体透镜金属纳米结构加工：调节飞秒激光系统1脉冲频率为 10Hz，设定机械开关8开启时间为100ms，使得辐照至样本表面脉冲数为1，单个环形基频飞秒激光脉冲在金膜表面加工出纳米环结构，具有类等离子体透镜的特性；

(6)基频飞秒激光能量调节：重复步骤(4)，调节入射基频飞秒激光脉冲低于基底单晶硅表面烧蚀阈值，0.8～2.0μJ，本实例中调节为0.9μJ；

(7)基于金纳米环类等离子体透镜效应飞秒激光诱导晶硅表面波纹结构形态调控：以5°为步长调节第二半波片4光轴与初始激光线偏振方向夹角，使得激光偏振方向以10°为步长连续可调，α角从0°增大至180°，在不同线偏振激光方向下，即不同α角，对金纳米环结构进行辐照，得到对称轴平行于激光线偏振方向的环形波纹结构。

实施例2：

以控制晶硅表面波纹结构形态为例，采用本发明的预先类等离子体纳米结构构建，入射激光偏振态调控方法，所采用入射基频飞秒激光脉冲为圆偏振态，具体加工步骤如下：

其它步骤与实施例1相同，不同之处在于：在步骤(4)能量调节进行前在光路中加入四分之一波片5，调节四分之一波片5，使得波片光轴方向与原激光偏振方向夹角45°从而得到圆偏振飞秒激光脉冲。

在步骤(7)中以圆偏振态飞秒激光脉冲条件下进行加工，以单个圆偏振飞秒激光脉冲辐照类等离子体金纳米环结构，在基底硅表面同心环波纹结构，呈中心对称形态。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于类等离子体透镜效应调控飞秒激光诱导晶硅表面波纹结构的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，样本准备：在硅基底表面镀20～40nm厚的贵金属薄膜，贵金属为金或银；

步骤二，基于倍频晶体产生二次谐波效率原理对基频飞秒激光脉冲进行空间整形：采用偏硼酸钡晶体对基频波长为800nm的飞秒激光脉冲进行倍频，经过倍频后原始基频激光脉冲发生空间重整呈环形能量分布，由于所采用脉冲能量产生的倍频光对样本无加工效果，故将波长为400nm的倍频光和基频800nm的飞秒激光脉冲作为类等离子透镜的加工脉冲；

步骤三，将被加工样本固定在六维平移台上，通过成像CCD观测，调整光路，确保激光入射方向与加工样本表面垂直；

步骤四，激光能量调节：利用半波片-偏振片组合及中性密度滤波片对入射激光能量进行调节使其大于淀积薄膜样本的单脉冲烧蚀阈值，1～2倍烧蚀阈值，且激光能量能够连续调节；

步骤五，类等离子体透镜金属纳米结构加工：综合控制激光频率和机械开关，使得入射到样本表面脉冲个数为1，单个环形双波长飞秒激光脉冲作用下在样本表面预先加工出环形表面金属纳米凸起结构，其三维结构呈环形凸起类等离子体透镜形态；

步骤六，保持步骤五中激光焦点位置不变以激发环形纳米结构的等离子体效应，在线偏振单个飞秒激光脉冲作用下调节不同的线偏振方向，或对激光偏振态进行调节呈圆偏振态，将单个双波长飞秒激光脉冲作用于预先加工出的环形表面纳米凸起结构上，基于环形金属纳米凸起结构的类等离子体透镜效应，在单个飞秒激光脉冲作用下对表面等离子体激元进行激发并对其传播进行调节，在基底硅表面加工出环形表面波纹结构，且其形态通过入射激光偏振态调节；

在线偏振态单个飞秒激光作用条件下，基于表面等离子体激元的恒磁波特性，随着激光光场在径向环形纳米凸起分量的减小，光场与表面等离子体耦合场逐渐减弱，从而使得表面波纹结构呈现对称轴平行于激光偏振方向的半圆环形态，且其对称轴随入射激光线偏振方向连续可调；

在圆偏振态单个飞秒激光脉冲作用下，激光光场在各个方向上激发的表面等离子体强度相同，耦合场相同，产生呈中心对称的圆环形同心波纹结构。

2.根据权利要求1所述的一种基于类等离子体透镜效应调控飞秒激光诱导晶硅表面波纹结构的方法，其特征在于：步骤六中，所述第二个飞秒激光脉冲调控表面波纹形态方法包括以下步骤：

(1)在光路中加入半波片，调节半波片光轴与初始激光偏振方向夹角以得到不同线偏振激光方向的基频飞秒激光脉冲；

(2)通过调节中性密度滤波片对第二个入射激光脉冲能量进行调节，使得基频光能量低于硅表面烧蚀阈值，为单脉冲硅烧蚀阈值的0.4～0.8倍；

(3)综合控制入射激光频率及机械开关开启时间，调节入射到类等离子体纳米环结构表面的双波长飞秒激光脉冲个数为1；

(4)所采用能量使得倍频光在实验中无加工效果，故仅基频飞秒激光脉冲对等离子体纳米环进行作用，在不同线偏振方向基频飞秒激光作用下，基于环形金属纳米凸起结构的等离子体透镜效应，在被加工样本硅基底表面加工出对称轴沿激光偏振方向的半圆环同心波纹结构；

或者在光路中加入四分之一波片，对基频光的偏振态进行调节，通过调整四分之一波片光轴方向与初始激光偏振方向呈45°夹角得到圆偏振态基频飞秒激光脉冲；在单个基频飞秒激光脉冲作用下，在基底硅表面加工出呈中心对称的圆环形波纹结构。

3.根据权利要求1所述的一种基于类等离子体透镜效应调控飞秒激光诱导晶硅表面波纹结构的方法，其特征在于：所述晶硅表面波纹结构产生方法在于预先采用单个倍频后的环形基频飞秒激光脉冲在金薄膜上加工产生类等离子体环形金属纳米凸起结构；基于激光诱导表面波纹结构的产生机理：入射激光与表面等离子体激元干涉原理，采用第二个基频飞秒激光脉冲作用于环形金属纳米凸起纳米表面，激发产生表面等离子体，并通过入射激光偏振态的调节对入射激光与表面等离子体激元干涉进行调控，进而最终实现表面波纹结构形态的控制；同时，预先加工环形金属纳米凸起结构的类等离子体透镜效应，对激发等离子体聚焦，产生烧蚀增强效应，在远低于基底硅表面烧蚀阈值能量条件下加工出波纹结构，类等离子透镜效应同样使得样本表面在单个飞秒激光脉冲作用下满足等离子体激发条件，与入射激光发生耦合加工出表面波纹结构。