CN109590606B - 一种飞秒激光相位振幅协同整形加工蝶形纳米缝隙的方法 - Google Patents

一种飞秒激光相位振幅协同整形加工蝶形纳米缝隙的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种飞秒激光相位振幅协同整形加工蝶形纳米缝隙的方法，属于激光应用技术领域。反射式相位型液晶空间光调制器能够对入射光进行相位调制，使得反射光在空间上具有指定的相位分布，同时利用一个狭缝对相位整形后的光束进行振幅整形，从而实现对初始光束的相位、振幅的协同整形。协同整形后的光束经过聚焦物镜聚焦后，形成具有不同结构参数的多光点光束。利用产生多光点光束在指定材料上进行加工，光强较强区域可以实现材料去除，而较弱区域则会保留，从而能够获得蝶形纳米缝隙。该方法所需搭建光路简单，使用方便，无需掩膜和真空环境，加工成本低，加工效率高，在激光微纳结构加工领域中起到重要的作用。

Description

一种飞秒激光相位振幅协同整形加工蝶形纳米缝隙的方法
技术领域
本发明涉及一种飞秒激光相位振幅协同整形加工蝶形纳米缝隙的方法，属于激光应用技术领域。
背景技术
近些年来，纳米缝隙在生物传感、光电子还有纳米光学等领域有着广泛的应用前景。传统的加工方法总体可以分为两类，第一类利用传统方式如利用机械外力产生纳米级形变、利用通电将已有的纳米线熔断以及电化学/化学沉积等，这一类加工方式难以获得高加工精度的纳米缝隙，且所产生的纳米缝隙的位置、尺寸和形状难以控制；第二类利用短波长高能束如离子束、电子束等进行加工，这一类加工方式可以获得高分辨率的纳米缝隙，但是整个加工过程需要真空环境、加工效率低下、需要掩膜。并且，上述的两类方法都属于多步法加工，在工序之间的废料处理还会在加工过程中带来一定的环境污染问题。
飞秒激光直写是一种非真空无掩膜的一步法加工方法，操作简单因而具有良好的加工稳定性和加工精度。同时这种加工方法对于环境友好，加工效率高且加工材料范围广。但是由于光学衍射极限，飞秒激光对于纳米尺度结构的加工能力一直受到限制。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有传统方法存在的低精度、对环境不友好且效率低下的问题，提供一种利用飞秒激光直写一步法加工蝶形纳米缝隙的方法。该方法通过对飞秒激光进行相位、振幅协同整形，获得形状、尺寸可调节的整形光束，从而可以使用单个激光脉冲加工出结构参数可控的纳米缝隙。这种加工方法效率高、无需掩膜且灵活可控。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
一种飞秒激光相位振幅协同整形加工蝶形纳米缝隙的方法，飞秒激光入射到反射式相位型液晶空间光调制器上时，光束的相位分布会被改变；通过在反射式相位型液晶空间光调制器上加载相位对入射光进行相位调制，将光场整形为多个光点，每相邻两个光点之间带有狭长暗区；光束经过两个凸透镜后进入狭缝，通过反射式相位型液晶空间光调制器与狭缝的协同整形后的光束进入聚焦物镜，聚焦到带加工样品表面，即可加工出蝶形纳米缝隙；所述子光场的数量为偶数；所加载相位为：
Figure BDA0001946046920000021
其中，τ是所加载相位，θ是极坐标的极角，k和n为自然数，其中k＝0,1,2……m，n为子光场数目，为偶数，m＝n/2-1。
狭缝能够对相位整形后的光束进行振幅整形，从而实现对于光束的相位、振幅协同整形，协同整形使得获得的整形光束在形状和尺寸上具有很大的灵活性；利用物镜对该整形光束进行聚焦之后，聚焦光束在传递过程中会发生衍射，衍射之后光束变为多光点光束；控制待加工材料位于聚焦物镜的焦平面上，利用多光点光束在指定材料上进行聚焦，由于暗区的材料会保留而其他区域的材料则在极短的时间内会激发大量自由电子，从而引发材料发生相变，最终实现材料的去除。在去除区域因而能获得纳米缝隙，而协同整形光束则保证了所形成的纳米缝隙形状呈现蝶形；在光路中放置能量调节装置可以控制获得的纳米缝隙的尺寸，而控制狭缝装置的宽度可以控制蝶形纳米缝隙的形状。
工作过程：
(1)飞秒激光器放大级产生高斯激光，通过能量调节装置进行能量控制；
(2)高斯激光以小角度入射到反射式相位型液晶空间光调制器上；
(3)通过计算机在空间光调制器上加载相位，对高斯光进行相位整形；
(4)通过两个相同焦距的平凸透镜构成的4f系统对光束进行搬运，消除衍射影响；
(5)在物镜之前放置狭缝装置，对相位整形光束进行进一步振幅整形；
(6)利用物镜对光束进行聚焦，在焦点处获得多光点光束；
(7)用多光点光束加工指定材料，获得蝶形纳米缝隙。
有益效果
1、本发明使用反射式相位型液晶空间光调制器配合狭缝装置对入射高斯光实现相位和振幅的协同整形，再结合物镜聚焦，产生了可以用单个脉冲加工纳米缝隙的多光点光束。由于使用单脉冲加工，这种一步法加工避免了多步加工工艺带来的系统误差，提高了加工精度和加工可重复性；
2、本发明的加工方法是一种非真空无掩膜的加工工艺，对于加工环境要求低，既降低了加工成本也提高了加工效率，同时是一种环保的加工手段；
3、本发明的加工方法可以利用相位振幅协同整形产生了形状可控的整形光束，从而实现了对于产生的蝶形纳米缝隙形状的控制；
4、本发明的加工方法可以通过控制能量调节装置实现对于缝隙宽度的灵活调节，调节范围从几十纳米到数微米，调节范围广，可以广泛地运用于宽波段的电磁波应用。
附图说明
图1为本发明一种飞秒激光相位振幅协同整形加工蝶形纳米缝隙的方法的光路搭建示意简图；
图2为所用相位振幅协同整形装置示意图及其焦点处的整形光场分布；图2a为相位振幅协同整形装置示意图(以双光点为例)；图2b为所用及其焦点处的整形光场分布；
图3为加工示意图及其加工结果；图3a为双光点光束加工示意图；图3a为双光点光束加工结果。
其中，1-能量调节装置、2-反射式相位型液晶空间光调制器、3-第一平凸透镜、4-第二平凸透镜、5-狭缝装置、6-聚焦物镜。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
实现一种飞秒激光相位振幅协同整形加工蝶形纳米缝隙的方法的装置，如图1所示，主要由能量调节装置1、反射式相位型液晶空间光调制器2、第一平凸透镜3、第二平凸透镜4、狭缝装置5和聚焦物镜6组成。
飞秒激光放大级产生高斯光束，经过能量调节装置对光束能量1进行调节，能量为1.1mw。调节后的光束以小角度入射到反射式相位型液晶空间光调制器2液晶面上，反射式相位型液晶空间光调制器加载的相位为：
Figure BDA0001946046920000041
本实施例中，k＝0,n＝2。
入射光束经过空间光调制器完成相位整形，整形后的光束经过第一平凸透镜3、第二平凸透镜4之后被无衍射地传递到狭缝装置5处。其中第一平凸透镜3与反射式相位型液晶空间光调制器2的距离应为第一平凸透镜3的焦距，第一平凸透镜3与第二平凸透镜4的距离应为第一平凸透镜3的焦距或第二平凸透镜4的2倍，狭缝装置5与第二平凸透镜4的距离应为第二平凸透镜4的焦距。在此实施案例中选用的焦距为600mm。
相位整形光束通过控制狭缝装置5完成振幅振幅整形，从而实现对于初始高斯光束的相位振幅协同整形。协同整形装置可以通过改变狭缝的宽度有效调节光束的形状，从而实现对加工结果形状的控制。狭缝装置5的宽度应该小于入射的光束的直径，保证振幅整形的整形效果。
经过聚焦物镜6聚焦之后，在聚焦物镜6的焦点处产生多光点光束，光束形状如图2a所示。在此实施案例中选用的是20倍物镜，数值孔径为0.45.
在聚焦物镜的焦点处放置需要加工的材料，通过控制空间振幅协同整形装置，单个飞秒激光脉冲可以加工出尺寸和形状可调的蝶形纳米缝隙，其加工示意图和加工案例分别如图3a和图3b所示，本案例展示的是在金膜材料上的加工结果。
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 (7)

1.一种飞秒激光相位振幅协同整形加工蝶形纳米缝隙的方法，其特征在于：飞秒激光入射到反射式相位型液晶空间光调制器上时，光束的光场分布被改变；通过在反射式相位型液晶空间光调制器上加载相位对入射光进行相位调制，将光场整形为多个光点，每相邻两个光点之间带有狭长暗区；光束经过两个凸透镜后进入狭缝，通过反射式相位型液晶空间光调制器与狭缝的协同整形后的光束进入聚焦物镜，聚焦到带加工样品表面，即可加工出蝶形纳米缝隙。
2.如权利要求1所述的一种飞秒激光相位振幅协同整形加工蝶形纳米缝隙的方法，其特征在于：子光场数目为偶数；所加载的相位为：
Figure FDA0002231878960000011
其中，τ是所加载相位，θ是极坐标的极角，k和n为自然数，其中k＝0,1,2……m，n为子光场数目，为偶数，m＝n/2-1。
3.如权利要求1所述的一种飞秒激光相位振幅协同整形加工蝶形纳米缝隙的方法，其特征在于：所示狭缝能够对相位整形后的光束进行振幅整形，从而实现对于光束的相位、振幅协同整形，协同整形使得获得的整形光束在形状和尺寸上具有很大的灵活性；利用物镜对该整形光束进行聚焦之后，聚焦光束在传递过程中会发生衍射，衍射之后光束变为多光点光束；控制待加工材料位于聚焦物镜的焦平面上，利用多光点光束在指定材料上进行聚焦，由于暗区的材料会保留而其他区域的材料则在极短的时间内会激发大量自由电子，从而引发材料发生相变，最终实现材料的去除；在去除区域因而能获得纳米缝隙，而协同整形光束则保证了所形成的纳米缝隙形状呈现蝶形；在光路中放置能量调节装置可以控制获得的纳米缝隙的尺寸，而控制狭缝装置的宽度可以控制蝶形纳米缝隙的形状。
4.实现如权利要求1所述方法的装置，其特征在于：主要由能量调节装置、反射式相位型液晶空间光调制器、第一平凸透镜、第二平凸透镜、狭缝装置和聚焦物镜组成；入射光束经过能量调节装置后进入反射式相位型液晶空间光调制器进行相位整形，整形后的光束经过第一平凸透镜和第二平凸透镜之后被无衍射地传递到狭缝装置处。
5.如权利要求4所述装置，其特征在于：所述狭缝装置与第二平凸透镜的距离应为第二平凸透镜的焦距。
6.如权利要求4所述装置，其特征在于：所述第一平凸透镜与反射式相位型液晶空间光调制器的距离应为第一平凸透镜的焦距；第一平凸透镜与第二平凸透镜的距离应为第一平凸透镜的焦距或第二平凸透镜的2倍。
7.如权利要求4或5或6所述装置，其特征在于：工作过程为：
(1)飞秒激光器放大级产生高斯激光，通过能量调节装置进行能量控制；
(2)高斯激光以小角度入射到反射式相位型液晶空间光调制器上；
(3)通过计算机在空间光调制器上加载相位，对高斯光进行相位整形；
(4)通过两个相同焦距的平凸透镜构成的4f系统对光束进行搬运，消除衍射影响；
(5)在物镜之前放置狭缝装置，对相位整形光束进行进一步振幅整形；
(6)利用物镜对光束进行聚焦，在焦点处获得多光点光束；
(7)用多光点光束加工指定材料，获得蝶形纳米缝隙。
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