CN109014566B - 一种简易控制激光诱导表面周期性结构排布方向的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于电子动态调控的简易的控制飞秒激光诱导表面周期性结构排布方向垂直于扫描方向的方法，属于激光应用技术领域。本发明利用飞秒激光器产生飞秒激光单脉冲，然后利用迈克尔逊干涉仪结构与四分之一波片的组合光路将飞秒激光单脉冲转变为偏振方向相互垂直的飞秒激光双脉冲，将此垂直偏振的飞秒激光双脉冲通过光学物镜垂直聚焦到待加工材料表面；控制待加工材料以设定的移动速度与移动路径运动，即可在材料表面加工出与扫描方向相垂直的周期性结构。对比现有技术，本发明无需复杂的旋转控制装置与计算机程序设计，只需要改变扫描方向，即可实现对飞秒激光诱导表面周期性结构排布方向的简易控制，降低了加工成本，提高了加工效率。

Description

一种简易控制激光诱导表面周期性结构排布方向的方法
技术领域
本发明涉及简易控制飞秒激光诱导亚微米表面周期性结构排布方向的方法，属于激光应用技术领域。
背景技术
飞秒激光诱导表面周期性结构具有好的光学、电学和浸润性特性，在结构色、表面增强拉曼，光伏等领域有着广泛的应用。对于亚波长的飞秒激光诱导表面周期性结构，其排布方向一般垂直于激光偏振方向。在飞秒激光直写加工过程中，往往需要改变得到的周期性结构的方向，通常的做法是，在光路上加装半波片，通过转动半波片来改变飞秒激光的偏振方向，从而改变周期性结构的方向。线偏振的飞秒激光垂直入射到半波片表面，当激光偏振方向与半波片快轴方向相同时，激光偏振方向不发生改变；而转动θ的角度时，激光偏振方向转动2θ的角度。在文献Yao,Jianwu,et al.Applied Surface Science 258.19(2012):7625-7632.中，作者通过手动转动半波片，在不同的两块加工区域，使用不同偏振方向的单脉冲激光，加工出了不同朝向的周期性结构，作为衍射光栅，实现了从不同方向产生结构色的应用。在文献Dusser,Benjamin,et al.Optics express 18.3(2010):2913-2924.中，作者将半波片装在电动旋转台上，通过编程，实时改变在加工过程飞秒激光的偏振方向，从而实现了相应的周期性结构方向的改变。但是上述的方法操作比较复杂，而且需要复杂的旋转控制装置与计算机编程，成本高，工艺复杂，因此需要一种操作简易的，无需复杂旋转控制装置的加工方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于电子动态调控简易控制激光诱导表面周期性结构排布方向的方法，以克服目前现有技术的上述不足；无论扫描路径是直线还是曲线，该方法均能保证得到的周期性结构垂直于扫描方向。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于电子动态调控简易控制激光诱导表面周期性结构排布方向的方法，其步骤如下：
步骤一：利用飞秒激光器产生飞秒激光单脉冲，然后利用迈克尔逊干涉仪结构与四分之一波片的组合光路将飞秒激光单脉冲转变为偏振方向相互垂直的飞秒激光双脉冲，再利用两块分别置于迈克尔逊干涉仪两臂的连续衰减片将飞秒激光双脉冲两个子脉冲能量密度调整至相等，然后调节至合适的飞秒激光加工参数；
步骤二：将步骤一中所得到的垂直偏振的飞秒激光双脉冲通过光学物镜垂直聚焦到待加工材料表面；
步骤三：控制待加工材料以设定的移动速度与移动路径运动，即可在材料表面加工出与扫描方向相垂直的周期性结构。
进一步的，所述光学物镜倍数为5，步骤一中所述的飞秒激光加工参数设置包括以下步骤：
(1)调节飞秒激光双脉冲两个子脉冲之间的延迟时间为1ps；
(2)调节两块连续衰减片，使两个子脉冲能量相等，总能量密度为1.0J/cm2；
(3)调节飞秒激光重复频率为100Hz。
进一步的，步骤三中，在使用5倍光学物镜与步骤一中飞秒激光加工参数的情况下，待加工材料的移动速度为150μm/s。
进一步的，步骤三中，所述移动路径为任意方向的直线和任意曲线。
有益效果：
1.本发明基于电子动态调控的思想，使用延时时间为1ps(皮秒)、偏振方向互相垂直的飞秒激光双脉冲进行直写加工，能够调控激光辐照区域材料的电子振动状态，从而调控生成的表面周期性结构的排布方向，使之垂直于扫描方向。与传统方法相比，要改变表面周期性结构的排布方向，无需复杂的旋转控制装置与计算机程序设计，降低了加工成本，实现了对飞秒激光诱导表面周期性结构排布方向的简易控制。
2.基于本发明方法的特性，对于加工出不同排布方向的表面周期结构的需求，本发明无需在加工过程中改变激光的偏振方向，只需要改变扫描方向，大大提高了加工效率，在衍射光栅、结构色等领域具有至关重要的应用价值。
附图说明
图1是本发明的飞秒激光垂直偏振双脉冲加工方法的光路图。
其中，1-飞秒激光器；2-第一光阑；3-第一分束镜；4-第一连续衰减片；5-第二连续衰减片；6-第二光阑；7-四分之一波片；8；第一反射镜；9-手动机械平移台；10-第三光阑；11-第二反射镜；12-电动机械平移台；13-第三反射镜；14-第四光阑；15-光快门；16-第二分束镜；17-自相关仪；18-二向色镜；19-第三分束镜；20-白光源；21-CCD摄像机；22-第五光阑；23-物镜；24-待加工样品；25-六自由度平移台；26-计算机控制系统。
图2是本发明实施例所述的在Si材料表面以任意方向直线路径加工得到的周期性结构。
图3是本发明实施例所述的在Si材料表面以圆形路径加工得到的周期性结构。
图4是本发明实施例所述的在Si材料表面以正弦曲线路径加工得到的周期性结构。
图5是本发明实施例所述的在GaP材料表面以任意方向直线路径加工得到的周期性结构。
图6是本发明实施例所述的在Si材料表面不同区域加工不同排布方向的周期性结构，并应用于结构色的展示。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明进行详细介绍。
实施例1：
以采用本发明的方法，在Si材料表面加工出结构排布方向垂直于扫描方向的直线路径的周期性结构为例，使用如图1所示光路结构，具体使用设备如下：
本实施例所使用的飞秒激光器1为美国光谱物理(Spectrum Physics)公司生产的激光器，激光中心波长800nm，脉冲宽度50fs，最大重复频率1KHz，单脉冲最大能量3mJ，光强分布为高斯形，出口激光为水平线偏振。
迈克尔逊干涉仪结构由如下部分组成：第一分束镜3，第一反射镜8，第二反射镜11，手动机械平移台9，电动机械平移台12。通过调节手动机械平移台9来使两束子脉冲零延时，通过调节电动机械平移台12来改变两束子脉冲之间的时间延时。通过转动四分之一波片7至45°将其中一臂的脉冲偏振由水平转变为竖直从而得到偏振方向相互垂直的飞秒激光双脉冲。通过调节第一连续衰减片4和第二连续衰减片5使两束子脉冲的能量保持相等。
CCD摄像机21为德国The Imaging Source公司生产，型号为DMK23um021。
物镜23为奥林巴斯生产的5倍物镜，型号为MPLFLN5X。
六自由度平移台25为PI公司生产的HEXAPOD六自由度平移台，最大移动速度为2000μm/s，移动精度为0.5-1μm。
具体加工步骤如下：
(1)使用飞秒激光器1产生800nm水平偏振的飞秒激光单脉冲，经由第一光阑2进入迈克尔逊干涉仪结构。将四分之一波片7的角度旋转至0°，此时两束子脉冲均为水平偏振，调节手动机械平移台9，通过自相关仪17确认延时零点，使两束子脉冲延时为零。
(2)旋转四分之一波片7的角度至45°，此时透射臂的子脉冲的偏振方向由水平偏振变为竖直偏振。然后调节第一连续衰减片4和第二连续衰减片5使两束子脉冲的能量相等，均为0.2μJ。接下来调节电动机械平移台12的移动距离150μm，使两束子脉冲出迈克尔逊干涉仪之后的光程差为300μm，即两个子脉冲间的延时时间为1ps，两种偏振方向的前后顺序得到的结果一致。得到延时时间为1ps、偏振方向互相垂直的飞秒激光双脉冲；
(3)将步骤(2)中的飞秒激光垂直偏振的双脉冲经过第三反射镜13、第四光阑14、光快门15、双色镜18和第五光阑22，经由5倍物镜21聚焦至待加工样品24的表面；待加工样品24水平固定在六自由度平移台25上，加工样品为硅；借助CCD摄像机21和白光源20成像，分别单独使用迈克尔逊干涉仪的一臂单独打点，通过调节第二反射镜11的反射角度使两个子脉冲单独打点的位置严格重合；通过计算机控制系统26移动六自由度平移台25使激光焦点严格落在待加工样品24的表面，聚焦后的光斑直径约为10μm，能量密度约为1.0J/cm2(双脉冲总平均能量密度)；
(4)利用计算机控制系统26打开光快门15；然后通过计算机控制系统26使飞秒激光的重复频率改为100Hz；接下来通过计算机控制系统26控制六自由度平移台25以150μm/s的速度沿任意方向直线路径运动，即可在样品24表面加工出结构排布方向垂直于扫描方向的直线路径的周期性结构，如图2所示。
本领域技术人员知道，使用本发明方法进行周期性结构加工时，不限于上述参数，上述参数为使用5倍聚焦物镜条件下的最优参数。
实施例2：
其他步骤均与实施例1相同，不同之处在于：步骤(4)中扫描路径不再直线，为半径为50μm和20μm的圆形路径，得到结构排布方向垂直于扫描方向的圆形路径的周期性结构，如图3所示。
实施例3：
其他步骤均与实施例1相同，不同之处在于：步骤(4)中扫描路径不再直线，为正弦形路径，得到结构排布方向垂直于扫描方向的正弦曲线路径的周期性结构，如图4所示。
实施例4：
其他步骤均与实施例1相同，不同之处在于：待加工材料为GaP，飞秒激光能量密度为1.17J/cm2，其余飞秒激光加工参数与实施例1相同，得到结构排布方向垂直于扫描方向的直线路径的周期性结构(如图5所示)。
实施例5：
采用本发明方法的特性，在Si材料表面不同区域加工不同排布方向的周期性结构，并应用于结构色的展示。
加工设备与飞秒激光加工参数与实施例1相同。在Si片表面加工边长为1.5mm的4个正方形区域。左上和右下两个正方形区域进行纵向扫描，在此区域得到排布方向为横向的周期性结构；左下和右上两个正方形区域进行横向扫描，在此区域得到排布方向为纵向的周期性结构。加工区域中心局部放大图如图6(a)所示。在两组区域各自垂直于周期性结构的方向使用白光照射，可得到相应的结构色，可调节照明方向与水平面之间的夹角来改变出现的颜色。当从平行于周期性结构的方向使用白光照射，不能得到结构色。当从上述的两个方向同时使用白光照射时，可同时得到两组结构色。如图6(c)-6(e)所示，其中，图6(c)中，左上和右下两个正方形区域得到绿色的结构色，另两块正方形区域无结构色；图6(d)中，左下和右上两个正方形区域得到蓝色的结构色，另两块正方形区域无结构色；图6(e)中，左上和右下两个正方形区域得到绿色的结构色，左下和右上两个正方形区域得到蓝色的结构色。
本发明的优势在于，应对加工出不同排布方向的表面周期结构的需求，与传统方向相比，在加工过程中无需使用复杂的旋转控制装置实时改变激光的偏振方向，只需要改变扫描方向，简化了加工工艺，提高了加工效率。
实施例6：
其他步骤均与实施例5相同，不同之处在于：加工区域为两个平行四边形，其中左侧区域的扫描方向为左斜45°，右斜区域的扫描方向为右斜45°。相应区域的周期性结构垂直于各自的扫描方向。相关加工区域中心局部放大图如图6(b)所示，相关结构色展示如图6(f)-6(h)所示。其中，图6(f)中，右侧区域得到绿色的结构色，另一块区域无结构色；图6(g)中，左侧区域得到红色的结构色，另一块区域无结构色；图6(h)中，右侧区域得到绿色的结构色，左侧区域得到红色的结构色。
为了说明本发明的内容及实施方法，本说明书给出了上述具体实施例。但是，本领域技术人员应理解，本发明不局限于上述最佳实施方式，如加工物镜不仅仅局限于5倍物镜，对于使用其他物镜，相应的飞秒激光加工参数需要重新确认合适值。本发明中，需要使用延时时间为1ps(皮秒)、偏振方向互相垂直的飞秒激光双脉冲以及合适飞秒激光加工参数，才能得到本发明预期的实验结果。任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种简易控制激光诱导表面周期性结构排布方向的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：利用飞秒激光器产生飞秒激光单脉冲，然后利用迈克尔逊干涉仪结构与四分之一波片的组合光路将飞秒激光单脉冲转变为偏振方向相互垂直的飞秒激光双脉冲，再利用两块分别置于迈克尔逊干涉仪两臂的连续衰减片将飞秒激光双脉冲两个子脉冲的能量密度调整至相等，然后调节至合适的飞秒激光加工参数；
所述飞秒激光加工参数为：
两个子脉冲之间的延时时间为1ps；
步骤二：将步骤一中所得到的垂直偏振的飞秒激光双脉冲通过光学物镜垂直聚焦到待加工材料表面；
步骤三：控制待加工材料以设定的移动速度与移动路径运动，即可在材料表面加工出与扫描方向相垂直的周期性结构。
2.根据权利要求1所述的一种简易控制激光诱导表面周期性结构排布方向的方法,其特征在于：所述光学物镜倍数为5，所述的飞秒激光加工参数通过以下内容调节：
(1)调节飞秒激光双脉冲两个子脉冲之间的延迟时间为1ps；
(2)调节两块连续衰减片，使两个子脉冲能量相等，总能量密度为1.0J/cm2；
(3)调节飞秒激光重复频率为100Hz。
3.根据权利要求2所述的一种简易控制激光诱导表面周期性结构排布方向的方法,其特征在于：所述待加工材料的移动速度为150μm/s。
4.根据权利要求1所述的一种简易控制激光诱导表面周期性结构排布方向的方法,其特征在于：所述待加工材料为Si或GaP。
5.根据权利要求1-4任一所述的一种简易控制激光诱导表面周期性结构排布方向的方法,其特征在于：所述移动路径为任意方向的直线和任意曲线。
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