CN109865939A - 一种双飞秒激光束柱透镜汇聚干涉制备大面积周期微纳结构的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双飞秒激光束柱透镜汇聚干涉制备大面积周期微纳结构的装置，包括样品固定在精密移动的五轴平移台上,通过半波片改变偏振方向，飞秒激光光源输出的高斯光束经分光片分成强度1:1的两束激光，分别经过两个柱透镜汇聚形成干涉。激光的功率、偏振方向、两束光的同时、快门开关、样品移动方向与速度等由计算机控制系统完成。本发明采用柱面透镜汇聚的方案实现双光束干涉,能够制备规则的、大面积的周期条纹纳米结构。本发明具有操作便捷,经济高效，抗干扰能力强等优点，可用于大面制备金属、半导体微纳光栅结构，对材料表面光学性进行调控，如吸收、发光、着色等，对材料表面浸润性进行调控，如疏缩水、油等。

Description

一种双飞秒激光束柱透镜汇聚干涉制备大面积周期微纳结构 的装置

技术领域

本发明涉及激光制备微纳结构技术领域，尤其是一种双飞秒激光束柱透镜汇聚干涉制备大面积周期微纳结构的装置。

背景技术

飞秒激光直写可以方便在金属、半导体、透明材料、聚合物等表面诱导周期纳米条纹、颗粒等结构，在材料表面性能调控方面有重要的应用，如超疏水表面、吸收与发光增强、金属表面着色、亚波长增透等。但是，通过直写的方式制备周期纳米条纹结构存在两个方面的问题。其一是制备大面积周期微纳结构时，出现许多交叉、分叉、断裂等条纹不规则等问题；其二是外激光直写加工速度慢，加工效率低。利用飞秒激光快速高效的制备规则的大面积周期性微纳结构是材料表面性能调控的一个重要技术手段，有助于进一步提高材料表面性能，推动飞秒激光诱导周期条纹在材料表面改性方面应用与推广。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种双飞秒激光束柱透镜汇聚干涉制备大面积周期微纳结构的装置，本发明采用柱面透镜汇聚的方案实现双光束干涉,能够制备规则的、大面积的周期条纹纳米结构。通过沿Z轴干涉条纹方向移动样品，利用飞秒激光诱导自组织周期条纹生长的特性，可以制备宽度为光束直径的长条形光栅。进一步平移光束直径的距离，继续平行与长条形光栅反向移动样品，就可以制备大面积的规则光栅。本发明具有操作便捷,经济高效，抗干扰能力强等优点，可用于大面制备金属、半导体微纳光栅结构，对材料表面光学性进行调控，如吸收、发光、着色等，对材料表面浸润性进行调控，如疏缩水、油等。

实现本发明的具体技术方案是：

一种双飞秒激光束柱透镜汇聚干涉制备大面积周期微纳结构的装置，其特点包括：

一个由飞秒激光光源、电子快门、第一衰减片、半波片构成的光源控制系统；

一个由分光片、第一高反镜、延迟线、第二高反镜、第三高反镜、第四高反镜、第五高反镜、第二衰减片、第一柱透镜及第二柱透镜构成的双飞秒激光束同时干涉系统；

一个由样品台、五轴平移台、带CCD的显微镜及显微镜座构成的样品加工与监测系统；

一个由计算机构成的控制系统；

所述光源控制系统、双飞秒激光束同时干涉系统、样品加工与监测系统及控制系统整合在实验装置上；

其中，所述光源控制系统由飞秒激光光源发生的高斯光束依次通过快门、衰减片及半波片；

所述双飞秒激光束同时干涉系统将来自光源控制系统的高斯光束由分光片分为两束激光脉冲，一束激光脉冲经过第一高反镜、延迟线、第二高反镜及第一柱透镜汇聚到样品台上；另一束激光脉冲经过第三高反镜、第四高反镜（10），第五高反镜、第二衰减片及第二柱透镜汇聚到样品台上；

所述样品加工与监测系统的样品台设于五轴平移台上，带CCD的显微镜设于显微镜座上；

所述控制系统的计算机分别与电子快门、延迟线、五轴平移台及带CCD的显微镜电连接。

所述第一柱透镜及第二柱透镜相对于样品台对称设置，通过第一柱透镜的一束激光脉冲与通过第二柱透镜的另一束激光脉冲汇聚到样品台上。

所述五轴平移台为具有三个平移运动副与两个旋转运动副的工作台。

为便于叙述，本发明在说明书附图的图1上设置了空间直角坐标系，即为样品台的移动坐标，其中，设定图1的水平方向为X轴、图1的竖直方向为Y轴、与图1纸面垂直的方向为Z 轴。将样品设置在样品台上实施微纳结构的制备。

本发明利用第一柱透镜及第二柱透镜汇聚激光束取代通常使用的球面透镜汇聚激光束在样品表面形成激光焦斑，激光焦斑是一个长度等于光束直径的细线型光斑。本发明将一个球面透镜汇聚的直径小于0.1mm的圆形激光焦斑变成一个由第一柱透镜及第二柱透镜汇聚的10*0.05mm的细线型激光焦斑。这一焦斑的形成与通常使用的圆形焦斑相比，可以一次性形成较大面积的周期纳米结构。通过计算机控制五轴平移台及样品台的高速移动，改变样品相对于激光焦斑的汇聚位置，即可高效率的在样品表面制备出大面积的周期纳米条纹结构。

本发明光源控制系统由飞秒激光光源发生的高斯光束依次通过快门、衰减片及半波片，采用半波片将激光偏振方向调到与Y轴平行，使得样品表面的双光束干涉刻线与飞秒激光诱导的周期纳米条纹平行。

本发明双飞秒激光束同时干涉系统将来自光源控制系统的高斯光束由分光片分为两束激光脉冲，一束激光脉冲经过第一高反镜、延迟线、第二高反镜及第一柱透镜汇聚到样品台上；另一束激光脉冲经过第三高反镜、第四高反镜，第五高反镜、第二衰减片及第二柱透镜汇聚到样品台上，双光束干涉导致激光焦斑光强周期分布，进而约束周期纳米条纹沿平行光强干涉方向生长，形成规则的长条纹。

沿Z轴方向匀速移动样品，在样品表面形成大面积的周期条纹结构，平移台的速度取决于激光功率35uJ与重复频率100HZ。平移台的速度v=重复频率*激光焦斑宽度/(3～8）。

沿Z轴方向匀速移动样品，在样品表面形成一条宽度为光束直径的周期条纹结构后，再将样品沿着Y轴方向平移，平移距离为光束直径的0.6-0.8倍，利用飞秒激光诱导周期条纹结构的自组织有序生长的特性，然后沿Z轴反方向移动，再制备出与上一条平行的周期条纹结构。重复上述步骤，最后制备出大面积的周期纳米条纹结构。

两个柱透镜对称设置，半波片将激光偏振方向调到与两个柱透镜中心连线平行即与Y轴方向平行，使得双光束干涉刻线的方向与飞秒激光诱导的周期纳米条纹平行；双光束干涉导致激光焦斑光强周期分布，有效约束周期纳米条纹沿双光束干涉刻线方向生长，形成规则的长条纹。

本发明采用柱面透镜汇聚的方案实现双光束干涉,能够制备规则的、大面积的周期条纹纳米结构。通过沿Z轴干涉条纹方向移动样品，利用飞秒激光诱导自组织周期条纹生长的特性，可以制备宽度为光束直径的长条形光栅。进一步平移光束直径的距离，继续平行与长条形光栅反向移动样品，就可以制备大面积的规则光栅。本发明具有操作便捷,经济高效，抗干扰能力强等优点，可用于大面制备金属、半导体微纳光栅结构，对材料表面光学性进行调控，如吸收、发光、着色等，对材料表面浸润性进行调控，如疏缩水、油等。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为理论计算得到的双光束干涉强度周期条纹图案示意图；

图3为激光功率为35uJ时扫描速率为0mm\s的结果示意图；

图4为激光功率为35uJ时扫描速率为0.6mm\s的结果示意图。

具体实施方式

参阅图1，本发明包括：

一个由飞秒激光光源1、电子快门2、第一衰减片3、半波片4构成的光源控制系统；

一个由分光片5、第一高反镜6、延迟线7、第二高反镜8、第三高反镜9、第四高反镜10、第五高反镜11、第二衰减片12、第一柱透镜13及第二柱透镜14构成的双飞秒激光束同时干涉系统；

一个由样品台15、五轴平移台16、带CCD的显微镜17及显微镜座19构成的样品加工与监测系统；

一个由计算机18构成的控制系统；

所述光源控制系统、双飞秒激光束同时干涉系统、样品加工与监测系统及控制系统整合在实验装置20上；

其中，所述光源控制系统由飞秒激光光源1发生的高斯光束依次通过快门2、衰减片3及半波片4；

所述双飞秒激光束同时干涉系统将来自光源控制系统的高斯光束由分光片5分为两束激光脉冲，一束激光脉冲经过第一高反镜6、延迟线7、第二高反镜8及第一柱透镜13汇聚到样品台15上；另一束激光脉冲经过第三高反镜9、第四高反镜10、第五高反镜11、第二衰减片12及第二柱透镜14汇聚到样品台15上；

所述样品加工与监测系统的样品台15设于五轴平移台16上，带CCD的显微镜17设于显微镜座19上；

所述控制系统的计算机18分别与电子快门2、延迟线7、五轴平移台16及带CCD的显微镜17电连接。

所述第一柱透镜13及第二柱透镜14相对于样品台15对称设置，通过第一柱透镜13的一束激光脉冲与通过第二柱透镜14的另一束激光脉冲汇聚到样品台15上。

所述五轴平移台16为具有三个平移运动副与两个旋转运动副的工作台。

本发明是这样工作的

参阅图1、图2，将欲制备样品固定在样品台15上，且位于第一柱透镜13及第二柱透镜14的焦点处。本发明通过飞秒激光光源1输出的高斯光束，由计算机18控制电子快门2选择激光脉冲数目，经过第一衰减片3改变激光功率，经过半波片4改变激光的偏振方向；再通过一个1:1的分光片5分为两束激光脉冲，其中，一束激光脉冲经过第一高反镜6、延迟线7、第二高反镜8及第一柱透镜13汇聚到样品表面；另一束激光脉冲经过第三高反镜9、第四高反镜10、第五高反镜11、第二衰减片12及第二柱透镜14汇聚到样品表面，两束激光脉冲通过调节延迟线7在样品表面进行干涉并形成激光焦斑，两束激光脉冲通过调节延迟线实现两束光脉冲到达样品表面的同时、共线。第一柱透镜13及第二柱透镜14等高平行放置，焦距400mm，调节样品表面与两个柱透镜中心连线平行即与Y轴方向平行，形成良好的干涉。半波片4将激光偏振方向调到与两个柱透镜中心连线方向即Y轴方向平行，保证双光束干涉刻线与飞秒激光诱导的周期纳米条纹平行。

计算机18通过控制带CCD的显微镜17对样品表面制备的周期纳米结构实施图像监控；计算机18通过控制电子快门2实现选择激光脉冲个数；计算机18通过控制延迟线7实现两束光脉冲同时到达样品表面；

本发明将第一柱透镜13及第二柱透镜14对称放置，半波片4将激光偏振方向调到与两个柱透镜中心连线方向，即Y轴方向平行，保证双光束干涉刻线与飞秒激光诱导的周期纳米条纹平行，样品台15沿Z轴方向匀速移动，在样品表面形成大面积的、规则的周期纳米条纹结构。

依据设定激光功率35uJ及重复频率100HZ，确定样品台15的移动速度，沿Z轴方向匀速移动样品，在样品表面形成一条宽度为光束直径的周期条纹结构后，再将样品沿着Y轴方向平移，平移距离为光束直径的0.6-0.8倍，利用飞秒激光诱导周期条纹结构的自组织有序生长的特性，然后沿Z轴反方向移动，再制备出与上一条平行的周期条纹结构。重复上述步骤，最后制备出大面积的周期纳米条纹结构。

参阅图2、图3，为了更为准确的解释本发明双光束制备规则的周期纳米条纹结构，图2是理论计算得到的双光束干涉强度分布周期条纹图案，通过与图3对比，可以清晰地看到干涉条纹结构上分布着平直、规则的条纹，实现了预期的周期纳米条纹结构。

参阅图3，样品不动，将单束激光的脉冲能量调到35uJ，样品台15的速度调到0.0mm/s时，照射2个脉冲后，在样品硅表面得到非常平直、规则的平行于干涉条纹的周期纳米条纹结构，由于干涉光强约束了周期条纹的形成，从而大大提高了条纹的规则性。

参阅图4，将飞秒激光光源1输出的高斯光束的重复频率调到100Hz，单束激光的脉冲能量调到35uJ，样品台15的速度调到0.6mm/s时，在表面制备了大面积规则的周期条纹结构。

Claims (3)

1.一种双飞秒激光束柱透镜汇聚干涉制备大面积周期微纳结构的装置，其特征在于,该装置包括：

一个由飞秒激光光源（1）、电子快门（2）、第一衰减片（3）、半波片（4）构成的光源控制系统；

一个由分光片（5）、第一高反镜（6）、延迟线（7）、第二高反镜（8）、第三高反镜（9）、第四高反镜（10）、第五高反镜（11）、第二衰减片（12）、第一柱透镜（13）及第二柱透镜（14）构成的双飞秒激光束同时干涉系统；

一个由样品台（15）、五轴平移台（16）、带CCD的显微镜（17）及显微镜座（19）构成的样品加工与监测系统；

一个由计算机（18）构成的控制系统；

所述光源控制系统、双飞秒激光束同时干涉系统、样品加工与监测系统及控制系统整合在实验装置（20）上；

其中，所述光源控制系统由飞秒激光光源（1）发生的高斯光束依次通过快门（2）、衰减片（3）及半波片（4）；

所述双飞秒激光束同时干涉系统将来自光源控制系统的高斯光束由分光片（5）分为两束激光脉冲，一束激光脉冲经过第一高反镜（6）、延迟线（7）、第二高反镜（8）及第一柱透镜（13）汇聚到样品台（15）上；另一束激光脉冲经过第三高反镜（9）、第四高反镜（10），第五高反镜（11）、第二衰减片（12）及第二柱透镜（14）汇聚到样品台（15）上；

所述样品加工与监测系统的样品台（15）设于五轴平移台（16）上，带CCD的显微镜（17）设于显微镜座（19）上；

所述控制系统的计算机（18）分别与电子快门（2）、延迟线（7）、五轴平移台（16）及带CCD的显微镜（17）电连接。

2.根据权利要求1所述的一种双飞秒激光束柱透镜汇聚干涉制备大面积周期微纳结构的装置，其特征在于，所述第一柱透镜（13）及第二柱透镜（14）相对于样品台（15）对称设置，通过第一柱透镜（13）的一束激光脉冲与通过第二柱透镜（14）的另一束激光脉冲汇聚到样品台（15）上。

3.根据权利要求1所述的一种双飞秒激光束柱透镜汇聚干涉制备大面积周期微纳结构的装置，其特征在于，所述五轴平移台（16）为具有三个平移运动副与两个旋转运动副的工作台。