CN111007586B - 一种大尺寸纳米周期光栅的制备方法 - Google Patents

一种大尺寸纳米周期光栅的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大尺寸纳米周期光栅的制备方法，具体包括以下步骤：建立光路系统；调整激光能量密度，在加工样品表面制备出激光光斑的光栅夹缝结构，并获取光栅夹缝结构内相邻两个激光诱导表面周期性微结构之间的间距d1；通过三维移动平台沿着Y方向多次移动加工样品；通过三维移动平台将加工样品沿着X方向移动设定距离，使加工样品表面制备出的当前激光光斑的光栅夹缝结构与前一激光光斑的光栅夹缝结构之间的结构间距d2与间距d1相等；重复上述步骤，在加工样品表面制备出任意长度和宽度的纳米周期光栅。本发明只需控制激光能量密度和移动平台，就能直接制备大尺寸纳米周期光栅，工艺简单，对环境要求极低，方便实现。

Description

一种大尺寸纳米周期光栅的制备方法
技术领域
本发明涉及光学器件技术领域，尤其涉及一种大尺寸纳米周期光栅的制备方法。
背景技术
随着人类科技的飞速发展，光学器件小型化微型化迅猛发展，器件尺寸由传统的毫米量级深入到微米、甚至纳米量级。光栅作为光学衍射元件和计量元件，应用领域也越来越广。特别是周期深入到纳米尺度的光栅，其在计量光学中发挥着重要的作用。目前一般采用紫外光刻技术在有机无机薄膜材料中制备纳米光栅，采用电子束刻蚀技术可以在金属材料上制备纳米光栅。然而，无论是光刻技术还是电子束刻蚀技术，其制备设备系统都十分复杂，对于制作光栅的环境温度、洁净度等要求极高，同时也伴随着高昂的制作成本。并且对于大尺寸光栅的制作而言，传统的制作方法往往需要光栅拼接等复杂繁琐的工艺来实现，并且光栅拼接处也伴随着激光损伤阈值低等问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种大尺寸纳米周期光栅的制备方法，能够较为便捷地实现飞秒激光写光栅，同时可以实现任一周期大尺寸纳米周期光栅的制备。
一种大尺寸纳米周期光栅的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1，建立光路系统，
所述光路系统包括激光器、白光光源、第一光路、第二光路、激光波长反射膜、聚焦透镜、加工样品以及三维移动平台，
所述激光器发出的激光经第一光路照射到激光波长反射膜上，经激光波长反射膜反射后的激光聚焦到聚焦透镜，照射到加工样品上，所述加工样品固定在三维移动平台上；
所述白光光源依次经过第二光路、激光波长反射膜和聚焦透镜照射到加工样品上，对所述加工样品进行照明，白光光源在加工样品表面反射并沿原路返回，通过CCD相机接收成像；
步骤2，调整激光能量密度，在加工样品表面制备出激光光斑的光栅夹缝结构，并通过CCD相机获取激光光斑的光栅夹缝结构内相邻两个激光诱导表面周期性微结构之间的间距d1；
步骤3，通过三维移动平台沿着Y方向多次移动加工样品，在加工样品表面的纵向方向上制备出多个连续的光栅夹缝结构；
步骤4，通过三维移动平台将加工样品沿着X方向移动设定距离，使加工样品表面制备出的当前激光光斑的光栅夹缝结构与其邻侧激光光斑的光栅夹缝结构之间的结构间距d2与间距d1相等；
步骤5，重复步骤3和步骤4，在加工样品表面制备出任意长度和宽度的纳米周期光栅。
优选地，所述第一光路包括沿着激光的传播方向依次设置的衰减器、非球面激光束整形器和方形光斑整形器，所述激光器发出的激光强度呈高斯型分布的圆形光斑经非球面激光束整形器后，变成激光强度呈平顶分布的圆形光斑，激光强度呈平顶分布的圆形光斑经方形光斑整形器后变成方形光斑，方形光斑照射到激光波长反射膜，所述激光波长反射膜与方形光斑的入射方向成45°夹角。
优选地，步骤S2中调整激光能量密度，在加工样品表面制备出激光光斑的具体步骤为：
首先，调整衰减器，将激光的激光能量密度调节至加工样品激光损伤阈值；
然后，将同一激光能量密度的脉冲激光多次辐照在加工样品表面，从而在加工样品表面制备出激光光斑的光栅夹缝结构。
优选地，所述步骤3中，加工样品每次沿着Y方向移动的距离等于激光光斑的光栅夹缝结构的宽度；
加工样品沿着Y方向移动的次数N＝L/n，其中L为纳米周期光栅的宽度，n为激光光斑的光栅夹缝结构的宽度。
优选地，所述第二光路包括银镜和分束镜，所述银镜与分束镜平行设置，银镜与白光光源的入射方向成45°夹角，分束镜与激光波长反射膜相垂直。
优选地，所述当前激光光斑的光栅夹缝结构与其邻侧激光光斑的光栅夹缝结构之间的结构间距d2是指当前激光光斑的光栅夹缝结构内最左边的激光诱导表面周期性微结构与邻侧激光光斑的光栅夹缝结构内最右边的激光诱导表面周期性微结构之间的距离。
优选地，激光光斑的光栅夹缝结构由多个等距分布的激光诱导表面周期性微结构构成；
光栅夹缝结构内相邻两个激光诱导表面周期性微结构之间的间距
Figure BDA0002324519910000031
其中，εm为激光传播介质的介电常数，εs为加工样品介电常数，λ为激光波长，η为介质-加工样品界面有效折射率的实部。
优选地，所述加工样品的材料为有机薄膜、无机材料、金属材料中的任一种。
优选地，所述激光器输出的激光波长可以为任意输出波长，
所述激光器为飞秒激光器或者皮秒激光器，脉宽小于10ps，单脉冲激光能量密度能达到加工样品激光损伤阈值以上。
本发明的有益效果是：
1、本发明只需控制激光能量密度，就能直接产生纳米周期光栅结构，对环境要求极低，且通过对激光波长的控制，能够对纳米光栅的周期进行人为的调控，从而实现不同周期纳米光栅的输出。
2、通过移动三维移动平台，可以快速制备出任意大尺寸的纳米周期光栅，不用进行光栅拼接等复杂操作，且本发明可以利用飞秒激光在有机、无机或金属材料上制备周期纳米光栅，应用更加广泛，无材料选择方面的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明光路系统的结构示意图。
图2是本发明制备得到的大尺寸纳米周期光栅的结构示意图。
图中标号的含义为：
1-激光器，2-衰减器，3-非球面激光束整形器，4-方形光斑整形器，5-银镜，6-分束镜，7-激光波长反射膜，8-聚焦透镜，9-加工样品，10-三维移动平台，11-CCD相机，12-白光光源，13为激光光斑的光栅夹缝结构，14为激光诱导表面周期性微结构。
具体实施方式
为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
下面通过具体的实施例并结合附图对本申请做进一步的详细描述。
本发明给出一种大尺寸纳米周期光栅的制备方法，所述大尺寸纳米周期光栅是指光栅量级为厘米级及厘米级以上级别的光栅，该制备方法不仅制备过程简单、制备环境要求较低，而且光栅周期控制方便，可以有效的控制光栅制作成本，并且通过调节三维移动平台，可以实现任意尺寸纳米光栅元件的制备，从而满足任何场景下的光栅应用制备需求。
本发明的大尺寸纳米周期光栅的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1，建立光路系统，
所述光路系统包括激光器1、白光光源12、第一光路、第二光路、激光波长反射膜7、聚焦透镜8、加工样品9以及三维移动平台10。
所述第一光路包括沿着激光的传播方向依次设置的衰减器2、非球面激光束整形器3和方形光斑整形器4，所述激光器1发出的激光强度呈高斯型分布的圆形光斑经非球面激光束整形器3后，变成激光强度呈平顶分布的圆形光斑，激光强度呈平顶分布的圆形光斑经方形光斑整形器4后变成方形光斑，方形光斑照射到激光波长反射膜7，所述激光波长反射膜7与方形光斑的入射方向成45°夹角。
所述激光器1发出的激光经第一光路照射到激光波长反射膜7上，经激光波长反射膜7反射后的激光聚焦到聚焦透镜8，照射到加工样品9上，所述加工样品9固定在三维移动平台10上。
所述第二光路包括银镜5和分束镜6，所述银镜5与分束镜6平行设置，银镜5与白光光源12的入射方向成45°夹角，分束镜6与激光波长反射膜7相垂直。
所述白光光源12依次经过第二光路、激光波长反射膜7和聚焦透镜8照射到加工样品9上，对所述加工样品9进行照明，白光光源12在加工样品9表面反射并沿原路返回，通过CCD相机11接收成像。
步骤2，调整激光能量密度，在加工样品9表面制备出激光光斑的光栅夹缝结构13，并通过CCD相机11获取激光光斑的光栅夹缝结构13内相邻两个激光诱导表面周期性微结构14之间的间距d1。
所述激光光斑的光栅夹缝结构13由多个等距分布的激光诱导表面周期性微结构14构成。
光栅夹缝结构13内相邻两个激光诱导表面周期性微结构14之间的间距
Figure BDA0002324519910000061
其中，εm为激光传播介质的介电常数，εs为加工样品介电常数，λ为激光波长，η为介质-加工样品界面有效折射率的实部。
具体地，调整激光能量密度，在加工样品9表面制备出激光光斑的光栅夹缝结构13的具体步骤为：首先，调整衰减器2，将激光的激光能量密度调节至加工样品的激光损伤阈值。然后，将同一激光能量密度的脉冲激光多次辐照在加工样品9表面，从而在加工样品9表面制备出激光光斑的光栅夹缝结构13。
步骤3，通过三维移动平台沿着Y方向多次移动加工样品，从而在加工样品表面的纵向方向上制备出多个连续的光栅夹缝结构。
加工样品9每次沿着Y方向移动的距离等于制备出的激光光斑的光栅夹缝结构的宽度n，激光光斑的光栅夹缝结构的宽度n可通过CCD相机获取的光栅夹缝结构测量得到。每移动一次加工样品，均将同一激光能量密度的脉冲激光多次辐照在加工样品表面。
加工样品9沿着Y方向移动的次数N＝L/n，其中L为所需制备的纳米周期光栅的宽度，n为激光光斑的光栅夹缝结构的宽度。
步骤4，通过三维移动平台10将加工样品9沿着X方向移动设定距离，使加工样品9表面制备出的当前激光光斑的光栅夹缝结构与前一激光光斑的光栅夹缝结构之间的结构间距d2与间距d1相等。
所述当前激光光斑的光栅夹缝结构与其邻侧激光光斑的光栅夹缝结构之间的结构间距d2是指当前激光光斑的光栅夹缝结构内最左边的激光诱导表面周期性微结构与邻侧激光光斑的光栅夹缝结构内最右边的激光诱导表面周期性微结构之间的距离。
步骤5，重复步骤3和步骤4，在加工样品9表面制备出任意长度和宽度的纳米周期光栅。
本实施例中，所述加工样品9的材料为有机薄膜、无机材料、金属材料中的任一种，有机薄膜可选取PDMS薄膜等，无极材料可选取石英玻璃等，金属材料选取铝、银等金属材料。所述激光器1输出的激光波长可以为任意输出波长，激光器1为飞秒激光器或者皮秒激光器，脉宽小于10ps，单脉冲能量结合光斑尺寸能达到加工样品激光损伤阈值。
下面通过举例，具体说明本发明的大尺寸纳米周期光栅的制备方法的具体实施方式。
假设激光器1发出的激光波长为800nm，激光脉冲宽度为150fs，本发明待制备出的纳米周期光栅为40.0198mm*150mm的纳米周期光栅。
激光器1发出的激光脉冲经衰减器2、非球面激光束整形器3和方形光斑整形器4后，变成400μm*150μm的正方形光斑。
然后，调节衰减器2，将激光能量密度调节至0.16J/cm2；激光能量密度调节到位后，对加工样品9进行100次激光辐照，在加工样品表面制备出第一发激光光斑的光栅夹缝结构；然后，利用CCD相机11观察加工样品表面激光光斑的光栅夹缝结构13，测量得到光栅夹缝结构内相邻两个激光诱导表面周期性微结构14之间的间距d1为0.6μm。
然后，利用三维移动平台10，将加工样品9沿着Y方向移动150μm，将能量密度为0.16J/cm2的脉冲激光辐照在加工样品表面100次，从而在第一发激光光斑的光栅夹缝结构的纵向制备出与其连续的另一光栅夹缝结构。重复本步骤，将加工样品9沿着Y方向移动1000次，每次均移动150μm，这样，可在加工样品表面制备出尺寸为400μm*150mm的纳米周期光栅。
然后，利用三维移动平台，将加工样品9沿着X方向直线移动400.2μm，移动到位后，对加工样品9进行100次激光辐照(激光的能量密度也为0.16J/cm2)，在加工样品9表面制备出激光光斑的光栅夹缝结构13，加工样品上当前位置的激光光斑的光栅夹缝结构与其邻侧的激光光斑的光栅夹缝结构之间的结构间距d2同样为0.6μm，与间距d1相等。
最后，重复上述步骤，利用三维移动平台10，将加工样品9沿着Y方向、X方向分别移动1000次和100次，从而可在加工样品9表面制备出40.0198mm*150mm的纳米周期光栅。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (9)

1.一种大尺寸纳米周期光栅的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1，建立光路系统，
所述光路系统包括激光器、白光光源、第一光路、第二光路、激光波长反射膜、聚焦透镜、加工样品以及三维移动平台，
所述激光器发出的激光经第一光路照射到激光波长反射膜上，经激光波长反射膜反射后的激光聚焦到聚焦透镜，照射到加工样品上，所述加工样品固定在三维移动平台上；
所述白光光源依次经过第二光路、激光波长反射膜和聚焦透镜照射到加工样品上，对所述加工样品进行照明，白光光源在加工样品表面反射并沿原路返回，通过CCD相机接收成像；
步骤2，调整激光能量密度，在加工样品表面制备出激光光斑的光栅夹缝结构，并通过CCD相机获取激光光斑的光栅夹缝结构内相邻两个激光诱导表面周期性微结构之间的间距d1；
步骤3，通过三维移动平台沿着Y方向多次移动加工样品，在加工样品表面的纵向方向上制备出多个连续的光栅夹缝结构；
步骤4，通过三维移动平台将加工样品沿着X方向移动设定距离，使加工样品表面制备出的当前激光光斑的光栅夹缝结构与其邻侧激光光斑的光栅夹缝结构之间的结构间距d2与间距d1相等；
步骤5，重复步骤3和步骤4，在加工样品表面制备出任意长度和宽度的纳米周期光栅。
2.根据权利要求1所述的大尺寸纳米周期光栅的制备方法，其特征在于，所述第一光路包括沿着激光的传播方向依次设置的衰减器、非球面激光束整形器和方形光斑整形器，所述激光器发出的激光强度呈高斯型分布的圆形光斑经非球面激光束整形器后，变成激光强度呈平顶分布的圆形光斑，激光强度呈平顶分布的圆形光斑经方形光斑整形器后变成方形光斑，方形光斑照射到激光波长反射膜，所述激光波长反射膜与方形光斑的入射方向成45°夹角。
3.根据权利要求2所述的大尺寸纳米周期光栅的制备方法，其特征在于，步骤S2中调整激光能量密度，在加工样品表面制备出激光光斑的具体步骤为：
首先，调整衰减器，将激光的激光能量密度调节至加工样品激光损伤阈值；
然后，将同一激光能量密度的脉冲激光多次辐照在加工样品表面，从而在加工样品表面制备出激光光斑的光栅夹缝结构。
4.根据权利要求1所述的大尺寸纳米周期光栅的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，加工样品每次沿着Y方向移动的距离等于激光光斑内的光栅夹缝结构的宽度；
加工样品沿着Y方向移动的次数N＝L/n，其中L为纳米周期光栅的宽度，n为激光光斑内的光栅夹缝结构的宽度。
5.根据权利要求1所述的大尺寸纳米周期光栅的制备方法，其特征在于，所述第二光路包括银镜和分束镜，所述银镜与分束镜平行设置，银镜与白光光源的入射方向成45°夹角，分束镜与激光波长反射膜相垂直。
6.根据权利要求1所述的大尺寸纳米周期光栅的制备方法，其特征在于，所述当前激光光斑的光栅夹缝结构与其邻侧激光光斑的光栅夹缝结构之间的结构间距d2是指当前激光光斑的光栅夹缝结构内最左边的激光诱导表面周期性微结构与邻侧激光光斑的光栅夹缝结构内最右边的激光诱导表面周期性微结构之间的距离。
7.根据权利要求6所述的大尺寸纳米周期光栅的制备方法，其特征在于，激光光斑的光栅夹缝结构由多个等距分布的激光诱导表面周期性微结构构成。
8.根据权利要求1所述的大尺寸纳米周期光栅的制备方法，其特征在于，所述加工样品的材料为有机薄膜、无机材料、金属材料中的任一种。
9.根据权利要求1所述的大尺寸纳米周期光栅的制备方法，其特征在于，所述激光器输出的激光波长可以为任意输出波长，
所述激光器为飞秒激光器或者皮秒激光器，脉宽小于10ps，单脉冲能量结合光斑尺寸能达到加工样品激光损伤阈值以上。
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