CN112355483A - 一种飞秒激光在硅表面制备亚微米同心圆环的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种飞秒激光在硅表面制备亚微米同心圆环的方法，属于激光应用领域。本发明将飞秒激光单脉冲垂直入射透过具有一定厚度的钒酸钇晶体，得到偏振方向互相垂直的、脉冲能量相等的具有一定脉冲延迟的飞秒激光双脉冲序列，钒酸钇晶体的厚度的范围应满足，使得相应波长的飞秒激光单脉冲透过后产生的双脉冲脉冲延迟范围约为0.5ps‑1.5ps；然后使用衰减片将飞秒激光双脉冲的总能量密度调整到待加工样品材料硅的烧蚀阈值的1.6倍至2.2倍；然后将此垂直偏振的飞秒激光双脉冲通过平凸透镜垂直聚焦到待加工材料表面；使用光学开关打开时间控制聚焦到材料表面脉冲序列的个数为4‑6个，单点辐照硅材料表面，即可在硅表面制备出亚微米同心圆环结构。

Description

一种飞秒激光在硅表面制备亚微米同心圆环的方法
技术领域
本发明涉及一种飞秒激光在硅表面制备亚微米同心圆环的方法，属于激光应用领域。
背景技术
目前，亚微米、纳米级同心圆环结构的制备吸引了大量的研究兴趣，由于此类结构在等离子透镜制造、表面增强拉曼散射、激光束成形和光子纳米射流的调制等领域有着巨大潜在的研究价值。当前，诸如电子束刻蚀，聚焦离子束刻蚀和模板辅助方法之类的方法可以用于制造具有高质量的纳米同心结构。然而，这些方法需要昂贵的装置以及复杂的制造过程和真空环境，使得其制备成本较高。
在文献“Appl Surf Sci 2010；256:3653-3660.”中，使用线偏振激光在锆基金属玻璃表面上加工出了周期在几微米级别的同心圆环；在文献“Appl Phys Lett 2013；102.”中，使用线偏振飞秒激光在熔融石英表面加工出凹坑结构，在凹坑侧壁上形成了周期在十几微米的同心圆环。然而上述方法制备得到的同心圆环结构的周期在几微米至十几微米之间，使得它们并不处于亚微米、纳米量级。
发明内容
本发明的目的是提供一种飞秒激光在硅表面制备亚微米同心圆环的方法，该方法使用偏振方向互相垂直的具有一定脉冲延迟的飞秒激光双脉冲序列，在硅表面制备亚微米同心圆环。
为实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种飞秒激光在硅表面制备亚微米同心圆环的方法，包括如下步骤：
步骤一：将飞秒激光单脉冲垂直入射透过具有一定厚度的钒酸钇晶体，得到偏振方向互相垂直的具有一定脉冲延迟的飞秒激光双脉冲序列，然后将飞秒激光双脉冲的总能量密度调整到待加工样品材料硅的烧蚀阈值的1.6倍至2.2倍范围内即可。
步骤二：将步骤一中得到的飞秒激光双脉冲序列通过光学透镜垂直聚焦到待加工样品材料硅表面，单点辐照，在辐照区域产生呈径向分布的表面等离激元极化波(surfaceplasmon plariton)，激光与径向分布的表面等离激元极化波相互作用后，即可在样品表面得到亚微米同心圆环结构。
进一步的，步骤一中钒酸钇晶体的厚度的范围应满足，使得相应波长的飞秒激光单脉冲透过后产生的双脉冲脉冲延迟范围约为0.5ps-1.5ps；钒酸钇晶体的光轴平行于入射表面，并且光轴与入射飞秒激光的偏振方向之间的夹角为45°。
步骤二所述单点辐照时，使用的双脉冲序列的个数为4个至6个。
步骤二所述硅材料为晶面指数为(1 1 1)的单晶硅。
实现上述方法的装置，包括：飞秒激光器、衰减片、钒酸钇晶体、第一反射镜、第二反射镜、光快门、第三反射镜、第四反射镜、第五反射镜和聚焦透镜；飞秒激光器发射出的激光已经经过衰减片、钒酸钇晶体、第一反射镜、第二反射镜、光快门、第三反射镜、第四反射镜和第五反射镜后，产生偏振方向互相垂直的具有一定脉冲延迟的飞秒激光双脉冲序列，经透镜聚焦后即可在硅表面制备出亚微米同心圆环。
有益效果：
本发明使用具有一定厚度的钒酸钇晶体，将飞秒激光单脉冲转化为偏振方向互相垂直的具有一定脉冲延迟的飞秒激光双脉冲序列，经过光学透镜聚焦后在(1 1 1)单晶硅表面单点辐照一定个数的双脉冲序列，在辐照区域产生呈径向分布的表面等离激元极化波，激光与径向分布的表面等离激元极化波相互作用后即可在样品表面得到亚微米同心圆环结构。相比于电子束刻蚀，聚焦离子束刻蚀和模板辅助等传统方法，本发明工艺过程简单，成本低。
附图说明
图1是本发明的加工方法的光路图。
图2是本发明实施例所述的在硅材料表面加工出的亚微米级同心圆环结构。
图3是形状为“BIT”的大面积的亚微米同心圆环阵列的光学显微镜图。
图4是使用白光照射加工区域产生并观测结构色的示意图。
其中，1-飞秒激光器；2-衰减片；3-钒酸钇晶体；4-第一反射镜；5-第二反射镜；6-光快门；7-第三反射镜；8-第四反射镜；9-第五反射镜；10-聚焦透镜；11-待加工样品材料硅。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的内容进一步说明。
实施例1：
一种飞秒激光在硅表面制备亚微米同心圆环的方法，具体步骤如下：
步骤(1)使用飞秒激光器1产生800nm水平偏振的飞秒激光单脉冲，经由衰减片2将聚焦后激光能量密度调整为待加工样品材料硅的烧蚀阈值的两倍左右(1.6倍至2.2倍范围内)，约为1.0J/cm2；
步骤(2)将步骤(1)中所的飞秒激光单脉冲垂直入射透过厚度为1.2mm的钒酸钇晶体3，旋转钒酸钇晶体3使其光轴与步骤(1)中所的飞秒激光单脉冲的偏振方向的夹角为45°，得到偏振方向互相垂直的、脉冲能量相等的、脉冲延迟约为0.85ps的飞秒激光双脉冲序列；
步骤(3)将飞秒激光器1的重复频率修改为10Hz，即每秒钟发射10个脉冲，通过控制光快门6的打开时间，即可控制辐照到待加工样品表面步骤(2)中飞秒激光双脉冲序列的个数。将步骤(2)中得到的飞秒激光双脉冲序列经由第一反射镜4、第二反射镜5、第三反射镜7、第四反射镜8和第五反射镜9反射到达聚焦透镜10，经由聚焦透镜10聚焦到待加工样品材料硅11的表面，控制光快门6的打开时间分别为0.4s，0.5s和0.6s，聚焦到待加工样品材料硅11的表面的飞秒激光双脉冲序列的个数为4个、5个和6个，在辐照区域产生呈径向分布的表面等离激元极化波，激光与径向分布的表面等离激元极化波相互作用后，即可得到如图2所示的周期在亚微米量级的同心圆环结构。
如图2所示，(a)、(b)和(c)分别表示飞秒激光双脉冲序列的个数为4个、5个和6个时，所得到的周期在亚微米量级的同心圆环结构。经测量，得到的同心圆环的周期均约为730nm，处在亚微米量级。
如图1所示，实现上述方法的装置如下：
本发明所使用的飞秒激光器1为美国光谱物理(Spectrum Physics)公司生产的激光器，激光中心波长800nm，脉冲宽度50fs，最大重复频率1KHz，单面冲最大能量3mJ，光强分布为高斯形，出口激光为水平线偏振。衰减片2用于调节照射到待加工材料表面的飞秒激光的能量。钒酸钇晶体3的光轴与激光偏振方向的夹角为45°，用于将飞秒激光单脉冲转换为偏振方向互相垂直的、脉冲能量相等的具有一定脉冲延迟的飞秒激光双脉冲序列，本实施例中钒酸钇晶体的厚度为1.2mm，产生的双脉冲脉冲延迟约为0.85ps。本发明不局限于钒酸钇晶体的厚度为1.2mm，只需要钒酸钇晶体的厚度的范围应满足以下要求，使得相应波长的飞秒激光单脉冲透过后产生的双脉冲脉冲延迟范围约为0.5ps-1.5ps即可。本实施例中聚焦透镜10为焦距为100mm的平凸透镜，用于将飞秒激光双脉冲序列光束聚焦到待加工样品材料硅表面。本发明不局限于聚焦透镜为焦距为100mm的平凸透镜，其他焦距的凸透镜或加工物镜均可。
实施例2：
以采用本发明的方法，在硅表面制备大面积的亚微米同心圆环阵列，并应用于结构色的展示。
加工设备与飞秒激光加工参数与实施例1相同。在硅片表面加工形状为“BIT”的大面积的亚微米同心圆环阵列，区域大小为3.7mm*2mm。如图3所示，是加工区域的光学显微镜图。由于同心圆环结构在各个方向上均有衍射光栅，因此当使用白光垂直照射加工区域时，如图4所示的方法，旋转加工区域所在的样品，在各个方向均可以观测到结构色。本发明的优势在于，相比于传统平行直线状的光栅结构，只能在一个方向(或对称的反方向)上才能观测到结构色，本发明得到的亚微米同心圆环阵列大大扩展了可以观测到结构色的方向的范围。
本发明不局限于上述最佳实施方式，如钒酸钇晶体的厚度不局限为1.2mm，只需要钒酸钇晶体的厚度的范围应满足以下要求，使得相应波长的飞秒激光单脉冲透过后产生的双脉冲脉冲延迟范围约为0.5ps-1.5ps。聚焦透镜不局限于为焦距为100mm的平凸透镜，其他焦距的凸透镜或加工物镜均可。
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 (6)

1.一种飞秒激光在硅表面制备亚微米同心圆环的方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：将飞秒激光单脉冲垂直入射透过具有厚度的钒酸钇晶体，得到偏振方向互相垂直的具有一定脉冲延迟的飞秒激光双脉冲序列，然后将飞秒激光双脉冲的总能量密度调整到待加工样品材料硅的烧蚀阈值的1.6倍至2.2倍范围内；
步骤二：将步骤一中得到的飞秒激光双脉冲序列通过光学透镜垂直聚焦到待加工样品材料硅表面，单点辐照，在辐照区域产生呈径向分布的表面等离激元极化波(surfaceplasmon plariton)，激光与径向分布的表面等离激元极化波相互作用后，即可在样品表面得到亚微米同心圆环结构。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤一中所述钒酸钇晶体的厚度的范围应满足如下要求：使得相应波长的飞秒激光单脉冲透过后产生的双脉冲脉冲延迟范围约为0.5ps-1.5ps。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：钒酸钇晶体的光轴平行于入射表面，并且光轴与入射飞秒激光的偏振方向之间的夹角为45°。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤二所述单点辐照时，使用的双脉冲序列的个数为4个至6个。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤二所述硅材料为晶面指数为(1 1 1)的单晶硅。
6.实现如权利要求1所述方法的装置，其特征在于：包括：飞秒激光器、衰减片、钒酸钇晶体、第一反射镜、第二反射镜、光快门、第三反射镜、第四反射镜、第五反射镜和聚焦透镜；飞秒激光器发射出的激光已经经过衰减片、钒酸钇晶体、第一反射镜、第二反射镜、光快门、第三反射镜、第四反射镜和第五反射镜后，产生偏振方向互相垂直的具有一定脉冲延迟的飞秒激光双脉冲序列，经透镜聚焦后即可在硅表面制备出亚微米同心圆环。
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