CN110385530A - 一种准分子激光刻蚀氟化钙晶体形成周期性条纹的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种准分子激光刻蚀氟化钙晶体形成周期性条纹的方法。该方法使准分子激光器产生的纳秒紫外脉冲光束依次经衰减片、成像光阑和聚焦物镜整形后辐照在氟化钙晶体表面。本发明不仅在氟化钙晶体形成周期性条纹，而且制备方法耗时短、效率高，准分子激光与氟化钙晶体材料的作用时间仅为几十纳秒，整个激光作用过程也仅需数秒即可完成。本发明提供的方法简单易控，激光的能量密度和频率、辐照的时间和脉冲数等均可精确控制。本发明提供的方法中使用了纳秒准分子激光，相对飞秒激光成本更低。

Description

一种准分子激光刻蚀氟化钙晶体形成周期性条纹的方法
技术领域
本发明属于透明光学材料技术领域，具体是涉及一种准分子激光刻蚀氟化钙晶体形成周期性条纹的方法。
背景技术
随着激光技术的发展，激光被广泛应用于材料微加工领域。研究人员在使用激光对材料进行微加工过程中，发现多脉冲激光辐照材料后在其表面会出现有序的表面纳米结构。1961年Birnbaum[Applied Physics,1965,36:3688]利用脉冲激光加工各种半导体材料时首次发现了这种周期性的表面条纹结构。此后，人们在金属、半导体、绝缘介质以及聚合物等材料表面均发现了周期性条纹结构。激光诱导周期性条纹结构通常与辐照激光的波长和偏振态具有明显关联，尤其是在超短脉冲激光，如飞秒激光作用下，该现象几乎出现在任何材料表面。激光诱导周期性条纹结构的制备过程不需要繁琐的步骤，简单的工艺就可以实现材料表面功能化，拓展了材料的应用，是一种经济友好的制备方法。
在纳秒准分子激光作用下，研究人员也在许多材料表面发现了周期性条纹结构，比如，K.Serna[Applied Physics,1994,A 58:197-202]使用脉宽为12ns的193nmArF准分子激光辐照Ge/Sb/Ge/Sb多层膜，J.J.Yu[Applied Surface Science,2000,154-155:670-674]使用脉宽为23ns的248nm KrF准分子激光辐照SiO2/Si结构，以及黄峰等[中国激光，2001，28：189-192]利用脉宽为50ns的308nmXeCl准分子激光处理高分子PET纤维等的过程中均在材料表面观察到了波纹结构。但是作为一种优异的光学材料，在氟化钙晶体的准分子激光辐照过程中，研究人员并未观察到周期性条纹结构[Proceedings of SPIE，2002，4637：13-20；Applied Surface Science 2013，265：648-652]。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种准分子激光刻蚀氟化钙晶体形成周期性条纹的方法。
为了实现本发明的目的，本发明采用了以下技术方案：
一种准分子激光刻蚀氟化钙晶体形成周期性条纹的方法，使准分子激光器产生的纳秒紫外脉冲光束依次经衰减片、成像光阑和聚焦物镜整形后辐照在氟化钙晶体表面。
进一步的技术方案：所述氟化钙晶体为单晶材料或多晶材料。
进一步的技术方案：所述准分子激光器为波长是157nm的F2准分子激光器或波长是193nm的ArF准分子激光器或波长是248nm的KrF准分子激光器或波长是308nm的XeCl准分子激光器或波长是351nm的XeF准分子激光器。
进一步的技术方案：所述纳秒紫外脉冲光束脉宽范围为1～100纳秒、能量密度大于氟化钙晶体的损伤阈值。
进一步的技术方案：所述氟化钙晶体表面法线与入射光束的夹角大于0°且小于1°。
本发明的有益效果在于：
(1)纳秒紫外脉冲光束经衰减片、成像光阑和聚焦物镜后，准分子激光器出光口的矩形光斑被整形成圆形光斑，其中圆形光斑直径可低至微米量级。与初始矩形光斑相比，经聚焦后圆形光斑的能量密度提升几个数量级。本发明发现氟化钙样品表面周期性条纹的形成存在一个能量窗口，即能量窗口需要大于氟化钙晶体的损伤阈值，又要小于氟化钙晶体形成深坑状形貌损伤的能量，也就是说大于或小于能量窗口均不能形成周期性条纹，那么本发明通过改变激光器本身的放电电压并结合衰减片即可调节初始光束的能量，从而实现对能量窗口的控制。本申请可以快速将纳秒紫外脉冲光束整形为可在氟化钙晶体表面进行刻蚀并形成的周期性条纹的光束。
(2)本发明与传统的光刻技术等相比，本发明制备方法耗时短、效率高，准分子激光与氟化钙晶体材料的作用时间仅为几十纳秒，整个激光作用过程也仅需数秒即可完成。本发明提供的方法简单易控，激光的能量密度和频率、辐照的时间和脉冲数等均可精确控制。
(3)本发明提供的方法中使用了纳秒准分子激光，准分子激光的波长处于紫外波段，单光子能量高，峰值功率大，对材料的热影响小，非常适用于微纳形貌的加工，而且相对飞秒激光成本更低。
附图说明
图1为激光辐照实验装置。
图2为193nm ArF准分子激光辐照氟化钙单晶后表面形成的周期性条纹。
图3为248nm KrF准分子激光辐照氟化钙单晶后表面形成的周期性条纹。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明技术方案做出更为具体的说明。关于衰减片、成像光阑和聚焦物镜的介绍如下：
衰减片：主要用于对光路中的激光能量进行衰减调整，以满足刻蚀需求。
成像光阑：截取初始光斑中的一部分，形成圆形的均匀光束。
聚焦物镜：通过聚焦成像，将光阑处的圆形光斑成像在样品所处位置。
实施例1
(1)激光辐照装置如图1所示，实验在标准大气环境下进行。光源系统为ArF准分子激光器，激光波长为193nm，脉宽约为20ns，初始光斑尺寸为20mm×8mm，光斑近平顶分布。激光束依次经过衰减片、成像光阑和聚焦物镜后垂直作用于样品。经过聚焦物镜后在样品处的圆形光斑直径约为160μm。通过控制系统可以操作准分子激光系统，实现激光器的开启和关断，以及放电电压、脉冲数量、重复频率等激光参数的调整，同时可以控制三维移动平台的移动，以改变样品上辐照点位置。
(2)将氟化钙单晶样品固定于三维移动平台上，使光束垂直入射到样品，为了避免垂直入射产生的反射光对光束参数产生影响，可将氟化钙单晶样品位置略微调整，使样品表面法线与入射光束的夹角大于0°、小于1°。
(3)选取激光脉冲能量密度为7.34mJ/cm2，单脉冲辐照氟化钙单晶样品。使用扫描电镜获取周期性条纹的微观形貌。如图2所示，在激光辐照区域出现多个周期性条纹，条纹间距从170nm到550nm不等。
实施例2
(1)激光辐照装置如图1所示，实验在标准大气环境下进行。光源系统为KrF准分子激光器，激光波长为248nm，脉宽约为20ns，初始光斑尺寸为20mm×8mm，光斑近平顶分布。激光束依次经过衰减片、成像光阑和聚焦物镜后垂直作用于样品。经过聚焦物镜后在样品处的圆形光斑直径约为350μm。控制系统可同时控制准分子激光系统和三维移动平台。
(2)将氟化钙单晶样品固定于三维移动平台上，使光束垂直入射到样品，为了避免垂直入射产生的反射光对光束参数产生影响，可将氟化钙单晶样品位置略微调整。
(3)选取激光脉冲能量密度为36.67mJ/cm2，单脉冲辐照氟化钙单晶样品。使用扫描电镜获取周期性条纹的微观形貌。如图2所示，该条纹结构中间间距宽，两边形成分叉结构间距窄，测量后周期分别约为1000nm和300nm。

Claims (5)

1.一种准分子激光刻蚀氟化钙晶体形成周期性条纹的方法，其特征在于：使准分子激光器产生的纳秒紫外脉冲光束依次经衰减片、成像光阑和聚焦物镜整形后辐照在氟化钙晶体表面。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述氟化钙晶体为单晶材料或多晶材料。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述准分子激光器为波长是157nm的F2准分子激光器或波长是193nm的ArF准分子激光器或波长是248nm的KrF准分子激光器或波长是308nm的XeCl准分子激光器或波长是351nm的XeF准分子激光器。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述纳秒紫外脉冲光束脉宽范围为1～100纳秒、能量密度大于氟化钙晶体的损伤阈值。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述氟化钙晶体表面法线与入射光束的夹角大于0°且小于1°。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111451629A (zh) * 2020-04-20 2020-07-28 中国科学院合肥物质科学研究院 一种准分子激光后端光路系统
CN113210871A (zh) * 2021-04-29 2021-08-06 中国石油大学(北京) 准分子激光器的光路系统及聚酰亚胺薄膜的制备方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0555749A (ja) * 1991-08-22 1993-03-05 Fujitsu Ltd 多層配線回路基板の製造方法及び誘電体ミラーマスクの製造方法
KR20060090055A (ko) * 2005-02-07 2006-08-10 삼성전자주식회사 레이저 장치 및 이를 이용한 박막트랜지스터의 제조방법
CN102416527A (zh) * 2011-07-29 2012-04-18 武汉理工大学 纳秒激光刻蚀亚波长周期性条纹的方法
CN103193999A (zh) * 2013-03-29 2013-07-10 西南科技大学 脉冲激光在共轭聚合物表面制备条纹结构的方法和设备
CN103737181A (zh) * 2013-12-24 2014-04-23 西安交通大学 一种提高ito导电薄膜表面红外波段透光率的方法
JP6063636B2 (ja) * 2012-04-10 2017-01-18 株式会社東芝 レーザ加工装置、レーザ加工システム、レーザ加工方法
CN106654814A (zh) * 2017-03-09 2017-05-10 中国科学院合肥物质科学研究院 可用于晶化和剥离的两用准分子激光系统

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0555749A (ja) * 1991-08-22 1993-03-05 Fujitsu Ltd 多層配線回路基板の製造方法及び誘電体ミラーマスクの製造方法
KR20060090055A (ko) * 2005-02-07 2006-08-10 삼성전자주식회사 레이저 장치 및 이를 이용한 박막트랜지스터의 제조방법
CN102416527A (zh) * 2011-07-29 2012-04-18 武汉理工大学 纳秒激光刻蚀亚波长周期性条纹的方法
JP6063636B2 (ja) * 2012-04-10 2017-01-18 株式会社東芝 レーザ加工装置、レーザ加工システム、レーザ加工方法
CN103193999A (zh) * 2013-03-29 2013-07-10 西南科技大学 脉冲激光在共轭聚合物表面制备条纹结构的方法和设备
CN103737181A (zh) * 2013-12-24 2014-04-23 西安交通大学 一种提高ito导电薄膜表面红外波段透光率的方法
CN106654814A (zh) * 2017-03-09 2017-05-10 中国科学院合肥物质科学研究院 可用于晶化和剥离的两用准分子激光系统

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
WANG, XI等: "Study on damage of CaF2 windows irradiated by 248nm ultraviolet excimer laser", 《CONFERENCE ON PACIFIC-RIM LASER DAMAGE - OPTICAL MATERIALS FOR HIGH-POWER LASERS》 *
虞钢 等: "《激光先进制造技术及其应用》", 31 October 2016, 国防工业出版社 *
雷仕湛 等: "《激光智能制造技术》", 30 June 2018, 复旦大学出版社 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111451629A (zh) * 2020-04-20 2020-07-28 中国科学院合肥物质科学研究院 一种准分子激光后端光路系统
CN113210871A (zh) * 2021-04-29 2021-08-06 中国石油大学(北京) 准分子激光器的光路系统及聚酰亚胺薄膜的制备方法
CN113210871B (zh) * 2021-04-29 2022-06-17 中国石油大学(北京) 具有周期性微纳结构的聚酰亚胺薄膜的制备方法

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