CN110421265A - 一种利用飞秒激光加工不同形状亚波长周期结构的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种利用飞秒激光加工不同形状亚波长周期结构的方法和装置。亚波长周期结构由于其具有传统材料不具备的特有性质而受到广泛关注，比如负折射率、全吸收等，随着技术的进步这种结构逐渐向着近红外、可见光方向发展，这要求周期单元的尺寸一般在百纳米量级，而且不同形状所激发的共振强度不同。飞秒激光加工技术具有无需掩膜、速度快等特点，被视为未来推动亚波长周期结构发展的主要技术，但是由于激光经过透镜聚焦后是圆形高斯光斑，又由于大数值孔径聚焦透镜的工作聚焦短，因此飞秒激光加工的形状很难改变。本发明通过采用大数值孔径、背向加工等技术将飞秒激光加工尺寸控制在小于亚波长微结构单元尺寸的三分之一以内，进一步通过扫描拼接的方式实现不同形状微结构的加工，如长方形、正方形、椭圆等。本发明解决了飞秒激光加工亚波长周期结构单元形状控制难的问题。

Description

一种利用飞秒激光加工不同形状亚波长周期结构的方法和 装置
技术领域
本发明涉及飞秒激光加工，特别是一种利用飞秒激光加工不同形状亚波长周期结构的方法和装置。
背景技术
亚波长周期结构由于其具有传统材料不具备的特有性质而受到广泛关注，比如渔网结构材料的负折射率、全吸收等。亚波长周期结构与入射电磁波耦合激发表面等离子体共振增强局域的电磁场强度，能进一步增强线性或非线性电磁波吸收和辐射。另外，调节亚波长周期结构的形状、尺寸和周期可控制具有某一特定空间分布、频谱分布、角分布的电磁波的透过。随着技术的进步这种结构逐渐向着近红外、可见光方向发展，这要求周期单元的尺寸一般在百纳米量级，而且不同形状所激发的共振强度不同。
传统上，纳米量级的微结构可以使用电子束光刻(EBL)或聚焦离子束光刻(FIBL)制备。但是，电子束光刻或聚焦离子束光刻价格昂贵、加工速度慢、需要特殊的加工环境，如洁净室、高真空条件等。飞秒激光加工技术具有无需掩膜、速度快等特点，被视为未来推动亚波长周期结构发展的主要技术，已经广泛应用在加工波导、光子晶体、光存储器等中。但是由于激光经过透镜聚焦后是圆形高斯光斑，又由于大数值孔径聚焦透镜的工作聚焦短，因此飞秒激光加工的形状很难改变。
本发明通过采用大数值孔径、背向加工等技术将飞秒激光加工尺寸控制在小于亚波长微结构单元尺寸的三分之一以内，进一步通过扫描拼接的方式实现不同形状微结构的加工，如长方形、正方形、椭圆等。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种利用飞秒激光加工不同形状亚波长周期结构的方法和装置。
本发明的技术解决方案如下：
一种利用飞秒激光加工不同形状亚波长周期结构装置，其特点在于：该装置包括飞秒激光器、能量调节器、快门、扩束器、大数值孔径聚焦透镜、供待加工样品放置的电动移动平台、计算机、白光源、镜筒透镜和CCD；
沿所述的飞秒激光器光束输出方向依次是能量调节器、快门、扩束器、大数值孔径聚焦透镜和待加工样品，沿所述的白光源光束传输方向依次是所述的大数值孔径聚焦透镜、待加工样品和CCD；
所述的计算机控制快门开启实现飞秒激光入射到待加工样品表面，大数值孔径聚焦透镜实现单点加工尺寸远小于亚波长微结构单元尺寸，计算机控制电动移动平台定位加工位置，进而控制待加工样品的相邻加工点之间的重合度，实现扫描拼接，获得不同形状单元的亚波长周期微结构。
所述的扩束器具备可变扩束倍数。
所述的大数值孔径聚焦透镜的数值孔径大于0.9。
所述的电动移动平台的移动精度优于100nm。
所述的大数值孔径聚焦透镜同时可用于显微成像，实现微加工实时监控。
一种利用飞秒激光加工不同形状亚波长周期结构的方法，包括以下步骤：
1)调节飞秒激光器的重复频率和能量以及调节能量调节器，使到达待加工样品表面的激光光束恰好穿透待加工样品形成一个孔洞且不损坏大数值孔径聚焦透镜；
2)调节CCD位置使成像面在大数值孔径聚焦透镜的焦平面上，调节白光源的强度使在计算机上呈现的CCD图像清晰；
3)计算机采用LABVIEW软件控制处于电动移动平台上的待加工样品，飞秒激光光束辐照在待加工样品表面形成的圆形孔洞的直径在数十纳米量级，设置电动移动平台的单次位移距离为圆形孔洞直径的四分之一；
4)计算机同步飞秒激光器和电动移动平台，电动移动平台移动一次到目标点，飞秒激光器发出一次激光，加工长方形微结构的一个微结构单元，电动移动平台移动8～10次，形成8～10个部分重叠在一起的接近长方形的孔洞，孔洞的尺寸在百纳米量级；
5)加工完微结构的一个微结构单元后，将电动移动平台的单次位移距离为微结构的周期，重复步骤3)和4)，加工又一个微结构单元；
6)重复步骤5)直到微结构加工完成。
与在先技术相比，本发明具有以下技术效果：
(1)与在先飞秒激光加工亚波长周期结构的方法相比，该技术具有可加工不同形状周期单元的优势，通过采用可调扩束器、大数值孔径聚焦物镜、背向加工技术实现飞秒激光加工点尺寸小于亚波长周期结构单元尺寸的三分之一，进一步通过扫描拼接的方法，控制相邻加工点之间的相对位置从而实现长方形、椭圆、正方形单元结构加工。(根据文献报道长方形、椭圆单元结构的渔网结构超材料具有更强共振特性)
(2)与电子束、离子束加工方法相比，该技术具有加工速度快、无需掩膜、加工环境要求简单等优点。
附图说明
图1是本发明飞秒激光加工不同形状亚波长周期结构的装置示意图。
图中：1-飞秒激光器，2-能量调节器，3-快门，4-扩束器，5-大数值孔径聚焦透镜，6-待加工样品，7-电动移动平台，8-计算机，9-白光源，10-镜筒透镜，11-CCD
图2是本发明飞秒激光加工出的长方形亚波长周期结构的示意图。
图中：每个长方形为亚波长周期结构单元，构成长方形的圆形为飞秒激光加工出的孔洞。
图3使本发明飞秒激光加工出的正方形亚波长周期结构的示意图。
图中：每个正方形为亚波长周期结构单元，构成正方形的圆形为飞秒激光加工出的孔洞。
图4是本发明飞秒激光加工出的椭圆形亚波长周期结构的示意图。
图中：每个椭圆形为亚波长周期结构单元，构成椭圆形的圆形为飞秒激光加工出的孔洞。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
参阅图1，图1是本发明飞秒激光加工不同亚波长周期结构的装置示意图，由图可见，本发明飞秒激光加工不同亚波长周期结构的装置，沿飞秒激光器1光束输出方向依次是能量调节器2、快门3、扩束器4、大数值孔径聚焦透镜5和待加工样品6；待加工样品6置于电动移动平台7上。
所述的计算机8控制快门3开启和关闭实现飞秒激光加工，计算机8控制电动移动平台7精确定位加工位置，设置快门3的开启和关闭的频域与激光脉冲频率匹配。电动移动平台7每移动一次，快门3开启和关闭一次，飞秒激光器1发出一次激光，辐照在在待加工样品6表面形成一个圆形孔洞；大数值孔径聚焦透镜5实现单点加工尺寸远小于亚波长微结构单元尺寸，通过移动待加工样品6控制相邻加工点之间的重合度，实现扫描拼接，由此获得不同形状亚波长周期微结构。
所述的白光源9采用透射式照明，沿光束方向依次是待加工样品6、大数值孔径聚焦透镜5、镜筒透镜10，最后经由与计算机8相连的CCD11成像。
所述的飞秒激光器1为Spectra-Physics公司的Spirit one 1040-8-SHG激光器。
利用所述装置加工不同形状亚波长周期结构的方法，该方法包括以下步骤：
1)调节飞秒激光器1的重复频率和能量以及调节能量调节器2，使到达待加工样品6表面的激光光束恰好穿透待加工样品6形成一个孔洞且不损坏大数值孔径聚焦透镜5；
2)调节CCD11位置使成像面在大数值孔径聚焦透镜5的焦平面上，调节白光源9的强度使在计算机8上呈现的CCD图像清晰；
3)计算机8采用LABVIEW软件控制处于电动移动平台7上的待加工样品6，飞秒激光光束辐照在待加工样品6表面形成的圆形孔洞的直径在数十纳米量级，设置电动移动平台7的单次位移距离为圆形孔洞直径的四分之一；
4)计算机8同步飞秒激光器1和电动移动平台7，电动移动平台7移动一次到目标点，飞秒激光器1发出一次激光，加工长方形微结构的一个微结构单元，电动移动平台7移动8～10次，形成8～10个部分重叠在一起的接近长方形的孔洞，孔洞的尺寸在百纳米量级；
5)加工完微结构的一个长方形微结构单元后，将电动移动平台7的单次位移距离为微结构的周期，重复步骤3)和4)，加工又一个长方形微结构单元；
6)重复步骤5)直到长方形微结构加工完成；
7)计算机8同步飞秒激光器1和电动移动平台7，电动移动平台7移动一次到目标点，飞秒激光器1发出一次激光，加工长方形微结构的一个微结构单元，电动移动平台7移动4次，形成4个部分重叠在一起的接近正方形的孔洞，孔洞的尺寸在百纳米量级；
8)加工完微结构的一个正方形微结构单元后，将电动移动平台7的单次位移距离为微结构的周期，重复步骤3)和7)，加工又一个正方形微结构单元；
9)重复步骤8)直到正方形微结构加工完成；
10)计算机8同步飞秒激光器1和电动移动平台7，电动移动平台7移动一次到目标点，飞秒激光器1发出一次激光，加工椭圆形微结构的一个微结构单元，电动移动平台7移动16-18次，形成16～18个部分重叠在一起的接近椭圆形的孔洞，孔洞的尺寸在百纳米量级；
11)加工完微结构的一个椭圆形微结构单元后，将电动移动平台7的单次位移距离为微结构的周期，重复步骤3)和10)，加工又一个椭圆形微结构单元；
12)重复步骤11)直到正方形微结构加工完成。

Claims (6)

1.一种利用飞秒激光加工不同形状亚波长周期结构装置，其特征在于：该装置包括飞秒激光器(1)、能量调节器(2)、快门(3)、扩束器(4)、大数值孔径聚焦透镜(5)、供待加工样品(6)放置的电动移动平台(7)、计算机(8)、白光源(9)、镜筒透镜(10)和CCD(11)；
沿所述的飞秒激光器(1)光束输出方向依次是能量调节器(2)、快门(3)、扩束器(4)、大数值孔径聚焦透镜(5)和待加工样品(6)，沿所述的白光源(9)光束传输方向依次是所述的大数值孔径聚焦透镜(5)、待加工样品(6)和CCD(11)；
所述的计算机(8)控制快门(3)开启实现飞秒激光入射到待加工样品(6)表面，大数值孔径聚焦透镜(5)实现单点加工尺寸远小于亚波长微结构单元尺寸，计算机(8)控制电动移动平台(7)定位加工位置，进而控制待加工样品(6)的相邻加工点之间的重合度，实现扫描拼接，获得不同形状单元的亚波长周期微结构。
2.根据权利要求1所述的利用飞秒激光加工不同形状亚波长周期结构的装置，其特征在于：所述的扩束器(4)具备可变扩束倍数。
3.根据权利要求1所述的利用飞秒激光加工不同形状亚波长周期结构的装置，其特征在于：所述的大数值孔径聚焦透镜(5)的数值孔径大于0.9。
4.根据权利要求1所述的利用飞秒激光加工不同形状亚波长周期结构的装置，其特征在于：所述的电动移动平台(7)的移动精度优于100nm。
5.根据权利要求1-4任一所述的利用飞秒激光加工不同形状亚波长周期结构的方法和装置，其特征在于：所述的大数值孔径聚焦透镜(5)同时可用于显微成像，实现微加工实时监控。
6.一种利用飞秒激光加工不同形状亚波长周期结构的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)调节飞秒激光器(1)的重复频率和能量以及调节能量调节器(2)，使到达待加工样品(6)表面的激光光束恰好穿透待加工样品(6)形成一个孔洞且不损坏大数值孔径聚焦透镜(5)；
2)调节CCD(11)位置使成像面在大数值孔径聚焦透镜(5)的焦平面上，调节白光源(9)的强度使在计算机(8)上呈现的CCD图像清晰；
3)计算机(8)采用LABVIEW软件控制处于电动移动平台(7)上的待加工样品(6)，飞秒激光光束辐照在待加工样品(6)表面形成的圆形孔洞的直径在数十纳米量级，设置电动移动平台(7)的单次位移距离为圆形孔洞直径的四分之一；
4)计算机(8)同步飞秒激光器(1)和电动移动平台(7)，电动移动平台(7)移动一次到目标点，飞秒激光器(1)发出一次激光，加工长方形微结构的一个微结构单元，电动移动平台(7)移动8～10次，形成8～10个部分重叠在一起的接近长方形的孔洞，孔洞的尺寸在百纳米量级；
5)加工完微结构的一个微结构单元后，将电动移动平台(7)的单次位移距离为微结构的周期，重复步骤3)和4)，加工又一个微结构单元；
6)重复步骤5)直到微结构加工完成。
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