CN112355484A - 基于高斯光束聚焦直写的表面周期性锥形微结构加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于高斯光束聚焦直写的表面周期性锥形微结构的加工方法，用以解决现有技术中大面积表面周期锥形微结构加工效率低的问题。所述表面周期锥形微结构加工方法，首先将高斯激光光束导入聚焦物镜形成光斑，再根据基底材料损伤阈值调节相关参数，使聚焦光斑能量高于基底材料损伤阈值的区域为一椭球形，光斑对焦至基底加工面后，利用位移平台平移待加工基底，使聚焦光斑在基底表面的烧蚀出周期性锥形微结构。本发明无需高精度聚焦，利用高斯光束聚焦后自身的能量分布梯度，通过扫描的运动形式，在基底表面直接形成锥状周期微结构，一次性完成精细三维结构的加工，速度快、效率高，工艺流程简单，且可实现高精度连续非平面的加工。

Description

基于高斯光束聚焦直写的表面周期性锥形微结构加工方法
技术领域
本发明属于微纳加工领域，特别涉及一种基于高斯光束聚焦直写的表面周期性锥形微结构加工方法。
背景技术
光学材料的表面微结构可解决光线大角度入射增透与消偏振、宽带减反射、长效疏水表面等传统光学薄膜无法解决的技术瓶颈问题。通常采用激光蚀刻等方式进行微结构的加工。
现有技术中，当需要加工三维微结构时，通常在待加工表面采用激光器的均匀光斑分次加工出不同深度、尺寸的结构面，从而构建三维微结构。虽然这种方式充分利用了激光的能量，但是需要对三维结构的非平面进行多次加工，加工速度慢、效率低，且无法实现连续性要求较高的非平面结构面加工，难以高效、快速地实现在大面积的光学材料表面形成精细的三维结构。
发明内容
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，本发明旨在提供一种基于高斯光束聚焦直写的表面周期性锥形微结构加工方法，将准直整形后的高斯激光光束通过光阑和聚焦物镜进行光斑大小和中心能量密度的调整，使聚焦光斑高于基底材料损伤阈值的区域为一椭球形，通过光斑的移动对基底表面进行烧蚀从而一次性完成三维微结构的加工，加工速度快、效率高，工艺流程简单，可实现批量化生产。
为了实现上述目的，本发明实施例采用如下技术方案：
本发明实施例提供了一种基于高斯光束聚焦直写的表面周期性锥形微结构的加工方法，所述加工方法包括如下步骤：
步骤S1，对高斯激光光束进行准直整形，并导入聚焦物镜，形成聚焦光斑；
步骤S2，根据基底材料损伤阈值，调节激光器输出能量及聚焦光斑直径，再调节聚焦物镜参数，使聚焦光斑能量高于基底材料损伤阈值的区域为一椭球形，且椭球形半球截面外周线与锥形微结构截面的外周线相吻合；
步骤S3，将聚焦光斑中心对焦到待加工基底表面；
步骤S4，利用位移平台平移待加工基底，使聚焦光斑在基底表面的烧蚀出周期性锥形微结构。
作为本发明的一个优选实施例，所述步骤S2，首先调节聚焦光斑中心能量密度，使中心能量密度达到基底材料损伤阈值；再逐渐增加中心能量密度，使以中心为原点的三维直角坐标系三个轴向上预设距离处达到基底材料损伤阈值。
作为本发明的一个优选实施例，所述三个轴向上的预设距离，X轴和/或Y轴的预设距离为锥形微结构的底面边长的二分之一或二分之一周期，Z轴的预设距离为锥形微结构的高。
作为本发明的一个优选实施例，所述步骤S4烧蚀出周期性锥形微结构，包括：
步骤S41，将待加工基底沿垂直于半球截面方向直线移动，加工出具有V型截面的沟槽，通过扫描运动，加工出连续排列的具有V型截面的沟槽，每个沟槽间距为锥形微结构的周期；所述扫描运动每次增量不大于沟槽宽度；
步骤S42，将基底沿纵轴旋转90°，重复步骤S41，完成表面周期性锥形微结构的加工。
作为本发明的一个优选实施例，所述高斯激光光束，光路中至少包括一个光阑或调节光斑透镜组，所述光阑或透镜组位于聚焦物镜之前。
作为本发明的一个优选实施例，所述步骤S2通过光路中的光阑或透镜组调节光斑直径。
作为本发明的一个优选实施例，所述聚焦物镜参数，至少包括：物镜孔径、放大倍数。
本发明具有如下有益效果：
本发明实施例所提供的基于高斯光束聚焦直写的表面周期性锥形微结构的加工方法，首先对高斯激光光束进行准直整形，并导入聚焦物镜，形成聚焦光斑，再根据基底材料损伤阈值，调节激光器输出能量及聚焦光斑直径，再调节聚焦物镜参数，使聚焦光斑能量高于基底材料损伤阈值的区域为一椭球形，且椭球形半球截面外周线与锥形微结构截面的外周线相吻合，最后将聚焦光斑中心对焦到待加工基底表面，利用位移平台平移待加工基底，使聚焦光斑在基底表面的烧蚀出周期性锥形微结构。本发明基于高斯光束聚焦直写的表面周期性锥形微结构加工方法，无需高精度聚焦，利用高斯光束聚焦后自身的能量分布梯度，通过扫描的运动形式，在材料表面直接形成锥状周期微结构，一次性完成精细三维结构的加工，速度快、效率高，工艺流程简单，且可实现高精度连续非平面的加工。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明实施方式所提供的基于高斯光束聚焦直写的表面周期性锥形微结构加工方法流程图；
图2是本发明实施例中高斯光束聚焦直写系统光路搭建示意图；
图3是本发明实施例中高斯光束聚焦光斑能量分布示意图；
图4是本发明实施例中高斯光束聚焦直写扫描路径示意图；
图5是本发明实施例中加工ZnS基底后表面原子力显微镜扫描图像。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本发明基于高斯光束聚焦直写烧蚀，提供了一种表面周期性锥形微结构的加工方法，通过调整高斯激光光束的光斑大小、能量密度、扫描速度和光束聚焦后焦点与表面的相对位置，完成表面周期性锥形微结构的快速加工。
如图1所示，本发明实施方式提供的基于高斯光束聚焦直写的表面周期性锥形微结构的加工方法，包括如下步骤：
步骤S1，对高斯激光光束进行准直整形，并导入聚焦物镜，形成聚焦光斑。
本步骤中，所述高斯激光光束的光路，至少包括一个光阑或调节光斑透镜组，所述光阑或透镜组位于聚焦物镜之前。
通常情况下，激光器所发射的激光为高斯光束，为了使光束能量可控，通过调节使光束能量均匀化，形成均匀平面光束。本实施方式中所采用的是激光器所发出的高斯光束，不需要均匀化处理，将高斯光束直接通过聚焦物镜进行聚焦。
步骤S2，根据基底材料损伤阈值，调节激光器输出能量及聚焦光斑直径，再调节聚焦物镜参数，使聚焦光斑能量高于基底材料损伤阈值的区域为一椭球形，且椭球形半球截面外周线与锥形微结构截面的外周线相吻合。
本步骤中，通过光路中的光阑或透镜组调节光斑直径。所述聚焦物镜参数，至少包括：物镜孔径、放大倍数。
在进行调节时，首先调节聚焦光斑中心能量密度，使中心能量密度达到基底材料损伤阈值；再逐渐增加中心能量密度，使以中心为原点的三维直角坐标系三个轴向上预设距离处达到材料损伤阈值，此时，聚焦光斑能量高于基底材料损伤阈值的区域为一椭球形。三个轴向上的预设距离，X轴和/或Y轴的预设距离为锥形微结构的底面边长的二分之一或二分之一周期，Z轴的预设距离为锥形微结构的高，从而使椭球形在X－Z平面和Y－Z平面上的半球截面外周线与锥形微结构截面的外周线相吻合。
步骤S3，将聚焦光斑中心对焦到待加工基底表面。
步骤S4，利用位移平台平移待加工基底，使聚焦光斑在基底表面的烧蚀出周期性锥形微结构。
本步骤中，采用高精度位移平台，满足微结构加工的需要。
所述烧蚀出周期性锥形微结构，包括：
步骤S41，将待加工基底沿垂直于半球截面方向直线移动，加工出具有V型截面的沟槽，通过扫描运动，加工出连续排列的具有V型截面的沟槽，每个沟槽间距为锥形微结构的周期；所述扫描运动每次增量不大于沟槽宽度。
步骤S42，将基底沿纵轴旋转90°，重复步骤S41，完成表面周期性锥形微结构的加工。
本发明实施方式通过高斯光束聚焦直写系统实现，所述直写系统至少包括激光器、激光传输单元、辅助装置、位移平台及数据处理终端如计算机。通过上述组成的聚焦直写系统，搭建高斯光束光路，完成步骤S1至步骤S4的微结构加工过程。
本实施方式中的基底材料，为Si、Ge、ZnSe、ZnS等光学材料，通常为对激光有吸收的材料。
由以上可以看出，本实施方式基于高斯光束聚焦直写的表面周期性锥形微结构加工方法，无需高精度聚焦，利用高斯光束聚焦后自身的能量分布梯度，通过扫描的运动形式，在基底表面直接形成锥状周期微结构，一次性完成精细三维结构的加工，速度快、效率高，工艺流程简单，且可实现高精度连续非平面的加工。
下面以ZnS基底为例，对本发明作进一步详细说明，本实施例并不构成对本发明的限制。
实施例
本实施例采用基于高斯光束聚焦直写的表面周期性锥形微结构的加工方法，对红外基底材料ZnS表面进行微结构加工，目标是加工出周期8μm、高度400nm的锥状周期微结构激光直写加工。
本实施例采用如图2所示的高斯光束聚焦直写系统实现。如图2所示，所述系统包括：激光器、激光传输单元、辅助装置、三维平移台及计算机。
如图2所示，所述激光光源为40fm脉宽、800nm波长的飞秒激光器；激光传输单元至少包括：扩束镜组、第一反射镜、光阑、格兰激光棱镜、第二反射镜及聚焦物镜。激光光源发出的高斯光束经过如上所述的光路，通过聚焦物镜实现聚焦输出至三维平移台。所述辅助装置为加工过程提供相应的环境，至少包括压缩空气、杠杆千分表。所述压缩空气进行三维平移台的清洁和干燥；所述杠杆千分表实现三维平移台的高精度位移。三维平移台为承载装置，ZnS基片放置于三维平移台的工作区内。计算机与一维平移台相连，用于控制平移台的移动。
本实施例对ZnS基片表面加工锥形微结构步骤如下：
步骤S101，使激光器发出的高斯激光光束经过准直整形光路系统，透过40X聚焦物镜实现光束的会聚。
步骤S102，设置激光参数，平均功率1300μW，重复频率2000Hz，单脉冲能量0.65μJ，令会聚光束中心达到待加工材料的损伤阈值，再逐渐增加光斑中心能量密度，使光斑能量高于ZnS材料损伤阈值的区域为一椭球形。
如图3所示，光斑能量高于ZnS基底损伤阈值的区域，在X轴和Y轴的距离为锥形微结构的二分之一周期，Z轴的距离为锥形微结构的高，椭球形在X－Z平面和Y－Z平面上的半球截面外周线与锥形微结构截面的外周线相吻合。
步骤S103，利用杠杆千分尺对纵向位移的高精度测量，使会聚光束中心到达待加工ZnS基底表面。
步骤S104,利用高精度位移平台平移待加工材料，实现聚焦光斑对材料表面的扫描烧蚀，扫描速度为2mm/s。
如图4所示，本步骤扫描路径，首先沿y轴直线移动，直线移动的距离间隔为所述锥形微结构的周期；y轴方向加工完成后，位移平台沿x轴方向直线移动。
完成上述微结构加工后，利用原子力显微镜扫描加工后的ZnS表面，如图5所示，可加工出完整的表面周期性锥形微结构，速度快、效率高，且保证了加工精度，可批量化生产。
以上描述仅为本发明的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本发明中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本发明中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (7)

1.一种基于高斯光束聚焦直写的表面周期性锥形微结构的加工方法，其特征在于，所述加工方法包括如下步骤：
步骤S1，对高斯激光光束进行准直整形，并导入聚焦物镜，形成聚焦光斑；
步骤S2，根据基底材料损伤阈值，调节激光器输出能量及聚焦光斑直径，再调节聚焦物镜参数，使聚焦光斑能量高于材料损伤阈值的区域为一椭球形，且椭球形半球截面外周线与锥形微结构截面的外周线相吻合；
步骤S3，将聚焦光斑中心对焦到待加工基底表面；
步骤S4，利用位移平台平移待加工基底，使聚焦光斑在基底表面的烧蚀出周期性锥形微结构。
2.根据权利要求1所述的表面周期性锥形微结构的加工方法，其特征在于，所述步骤S2，首先调节聚焦光斑中心能量密度，使中心能量密度达到基底材料损伤阈值；再逐渐增加中心能量密度，使以中心为原点的三维直角坐标系三个轴向上预设距离处达到基底材料损伤阈值。
3.根据权利要求2所述的表面周期性锥形微结构的加工方法，其特征在于，所述三个轴向上的预设距离，X轴和/或Y轴的预设距离为锥形微结构的底面半径或二分之一周期，Z轴的预设距离为锥形微结构的高。
4.根据权利要求1所述的表面周期性锥形微结构的加工方法，其特征在于，所述步骤S4烧蚀出周期性锥形微结构，包括：
步骤S41，将待加工基底沿垂直于半球截面方向直线移动，加工出具有V型截面的沟槽，通过扫描运动，加工出连续排列的具有V型截面的沟槽，每个沟槽间距为锥形微结构的周期；所述扫描运动每次增量不大于沟槽宽度；
步骤S42，将基底沿纵轴旋转90°，重复步骤S41，完成表面周期性锥形微结构的加工。
5.根据权利要求1至4任一项所述的表面周期性锥形微结构的加工方法，其特征在于，所述高斯激光光束，光路中至少包括一个光阑或调节光斑透镜组，所述光阑或透镜组位于聚焦物镜之前。
6.根据权利要求5所述的表面周期性锥形微结构的加工方法，其特征在于，所述步骤S2通过光路中的光阑或透镜组调节光斑直径。
7.根据权利要求1至4任一项所述的表面周期性锥形微结构的加工方法，其特征在于，所述聚焦物镜参数，至少包括：物镜孔径、放大倍数。
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