CN112570911B - 利用锥透镜实现硬脆材料纳米级小孔的加工系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用锥透镜实现硬脆材料纳米级小孔的加工系统及方法，解决现有利用锥透镜在硬脆性材料表面制备小孔时难以加工亚30nm以下小孔以及小孔结构均匀性较差的问题。本发明加工系统包括飞秒激光器、偏振控制模块、能量控制模块、锥透镜、准直镜、显微加工模块、控制系统、球透镜和光谱探测模块；偏振控制模块、能量控制模块、锥透镜、准直镜、显微加工模块沿飞秒激光器的出射光路依次设置，控制系统分别控制光谱探测模块、飞秒激光器和显微加工模块；光谱探测模块通过球透镜对纳米小孔的光散射信息进行采集，并将该信息反馈至控制系统，控制系统根据该信息对贝塞尔光针在硬脆材料中的位置进行精确补偿控制和修正。

Description

利用锥透镜实现硬脆材料纳米级小孔的加工系统及方法

技术领域

本发明属于激光加工领域，具体涉及一种利用锥透镜实现硬脆材料纳米级小孔的加工系统及方法，该系统和方法采用飞秒激光在硬脆性材料(石英玻璃、蓝宝石、金刚石等)上制备亚30nm小孔。

背景技术

飞秒激光三维微纳米加工技术是一种新型极端光场微纳米制造技术，该技术在航空、生物医学、新能源、国防、环境监测等领域纳米级高精密元器件的制备方面有着广泛的应用前景。飞秒激光与物质作用的非线性多光子电离机制，使得其加工的特征线宽可以小于光学衍射极限，即w<1.22λ/D，其中λ为激光波长，D为出光口直径。

基于飞秒激光与有机材料作用的双光子聚合原理，飞秒脉冲可以在有机材料中实现空间超高分辨纳米加工，但是双光子聚合的材料局限于有机聚合物，使得材料的应用范围受到限制。然而，对于更具应用前景的工程硬脆性材料，如蓝宝石、碳化硅、金刚石等，则需飞秒激光刻蚀(Ablation)进行加工。由于硬质材料的硬度大、烧蚀阈值高，因此往往需要采用较大能量、高重复频率的飞秒激光脉冲实施加工，随着飞秒激光脉冲数增加，材料中的热累积和热扩散效应会愈来愈明显，严重影响飞秒激光刻蚀加工的分辨率、精度和表面形貌质量，使得当前飞秒激光在硬脆性材料上难以加工出特征尺寸小于100nm的复杂纳米结构。传统光刻技术是通过减小波长实现空间超高分辨的纳米加工(特征尺寸<100nm)，由于紫外和深紫外光通常要在真空环境中传输，寻找适合该波段传输的光学材料非常困难，而且价格昂贵，导致光刻技术难度增加和成本大幅度提升。面对巨大的技术难度和成本压力，人们开始寻找一些“简单”新型的纳米加工方法。

近年来，人们提出了利用锥透镜空间整形原理产生非衍射贝塞尔飞秒激光束，从而在硬脆性材料表面制备了特征尺寸远远小于入射光波长的小孔阵列结构。由于锥透镜产生的贝塞尔光束本身具有非衍射特性，即贝塞尔光束可以在传播纵深方向形成非常细的光针，从而在材料内部进行大深宽比结构的加工制备。但是，利用锥透镜在硬脆性材料表面制备小孔时，存在以下问题：1)由于热效应存在，实现亚30nm小孔飞秒激光直写加工非常困难，难以实现亚30nm以下小孔的加工；2)在硬脆性材料表面制备小孔时，能量注入不稳定，导致加工小孔的结构均匀性较差。

发明内容

本发明的目的是解决现有利用锥透镜在硬脆性材料表面制备小孔时难以加工亚30nm以下小孔以及小孔结构均匀性较差的问题，提供一种利用锥透镜实现硬脆材料纳米级小孔的加工系统及方法，该系统和方法通过锥透镜将飞秒激光在空间上进行压缩整形，获得具有贝塞尔结构的空间光束，通过该光束与硬脆性材料作用的非线性效应可以获得大深宽比(20:1)的纳米通道结构。

为实现以上发明目的，本发明的技术解决方案为：

一种利用锥透镜实现硬脆材料纳米级小孔的加工系统，包括飞秒激光器、偏振控制模块、能量控制模块、锥透镜、准直镜、显微加工模块、控制系统、球透镜和光谱探测模块；所述偏振控制模块、能量控制模块、锥透镜、准直镜、显微加工模块沿飞秒激光器的出射光路依次设置，飞秒激光器出射的飞秒激光入射至偏振控制模块，偏振控制模块控制飞秒激光的偏振态后将其入射至能量控制模块，能量控制模块控制飞秒激光的输入功率后将其入射至锥透镜，锥透镜将空间高斯分布的光束整形为贝塞尔光束，贝塞尔光束经准直镜准直后进入显微加工模块，显微加工模块将出射的贝塞尔光锥聚焦于待加工硬脆材料表面，实现纳米小孔的加工；所述控制系统分别控制光谱探测模块、飞秒激光器和显微加工模块；所述光谱探测模块通过球透镜对纳米小孔的光散射信息进行采集，并将该信息反馈至控制系统，控制系统根据该信息对贝塞尔光锥在硬脆材料中的位置进行精确补偿控制和修正；所述贝塞尔光锥的光锥长度DOF和中心光斑d的计算如下；

其中，k为光波波矢；β为光锥体的发散角，光锥体的发散角β由锥透镜的锥角α得到，n·sinα＝sin(α+β)，n为锥透镜折射率；f₁为显微加工模块的长焦透镜焦距，f₂为显微加工模块的短焦物镜焦距；w为束腰半径。

进一步地，所述能量控制模块和锥透镜之间还设置有倍频晶体，用于将输入的飞秒激光波长减半。

进一步地，所述锥透镜为锥透镜微阵列。

进一步地，所述贝塞尔光锥的光锥长度DOF为10～200um，中心光斑d为300～1000nm。

进一步地，所述光谱探测模块为光谱仪。

进一步地，所述偏振控制模块包括偏振棱镜和波片。

进一步地，所述能量控制模块包括中性密度片和可控衰减片。

进一步地，所述飞秒激光器出射的飞秒激光波长为800nm和1030nm。

同时，本发明还提供一种基于上述利用锥透镜实现硬脆材料纳米级小孔的加工系统的加工方法，包括以下步骤：

步骤一、选择相匹配的锥透镜和显微加工模块，使得贝塞尔光锥的光锥长度DOF和中心光斑d的计算如下：

步骤二、飞秒激光器开始工作，显微加工模块将出射的贝塞尔光锥聚焦于待加工硬脆材料表面，实现纳米小孔的加工；

步骤三、光谱探测模块通过球透镜对纳米小孔的光散射信息进行实时采集，并将该信息反馈至控制系统，控制系统根据该信息对贝塞尔光锥在硬脆材料中的位置进行精确补偿控制，直至符合小孔尺寸要求，从而实现加工能量在z轴输入的修正；

步骤四、根据步骤三补偿后的位置信息在待加工硬脆材料表面进行高精度纳米小孔的加工。

与现有技术相比，本发明技术方案具有以下有益效果：

1.本发明系统和方法通过光谱探测模块实时观测加工的纳米小孔，并对纳米小孔的光散射信息进行捕捉反馈，通过控制系统(压电加工台)对贝塞尔光锥在材料中的位置(z位置)进行精确补偿控制，实现加工能量z轴输入的修正，从而实现高质量均匀性纳米孔阵列加工。

2.本发明基于锥透镜的加工系统和方法可以将激光器输出的高斯光束转换为贝塞尔光束，贝塞尔光束在空间上为“细针”状结构，通过整形后贝塞尔“细针”独特的空间光场分布特性，其可与硬脆性材料作用表现出非热电子纵向占优的特点，并结合非线性多光子效应，可以有效抑制横向热扩散，使得激光加工区域可以小于激光衍射极限的尺寸，进而可实现硬脆性材料上亚30nm小孔的加工制备。

3.本发明系统和方法利用锥透镜空间整形原理产生非衍射贝塞尔飞秒激光束，将原本成高斯分布的飞秒激光在空间上整形为具有贝塞尔轮廓的锥形光场，锥形光场最宽处为高斯形光场宽度的一半，同时结合飞秒激光与材料作用的非线性效应，大大减小了激光加工的特征尺寸，该方法突破了光学衍射极限，可以在硬脆性材料上一步加工获得亚30nm特征尺寸的结构制备。

4.本发明加工方法是一种无掩膜直写加工技术，通过飞秒激直写方法一步获得亚30nm小孔结构，具有环境友好、成本低加工、特征尺寸小、可实现大深宽比的特点。

附图说明

图1为本发明利用锥透镜实现硬脆材料纳米级小孔的加工系统的示意图；

图2为本发明高斯型光斑经锥透镜形成贝塞尔光锥的光场示意图；

图3为本发明显微加工模块的组成示意图；

图4为本发明实施例一加工的小孔示意图；

图5为本发明实施例一加工的小孔局部放大示意图；

图6为本发明实施例二加工的小孔示意图；

图7为本发明实施例二加工的小孔局部放大示意图。

附图标记：1-飞秒激光器，2-偏振控制模块，3-能量控制模块，4-锥透镜，5-准直镜，6-显微加工模块，7-控制系统，8-球透镜，9-光谱探测模块，10-倍频晶体。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

本发明提供一种利用锥透镜实现硬脆材料纳米级小孔的加工系统及方法，该系统和方法利用锥透镜空间整形原理产生非衍射贝塞尔飞秒激光束，将原本成高斯分布的飞秒激光在空间上整形为具有贝塞尔轮廓的锥形光场，锥形光场最宽处为高斯形光场宽度的一半，同时结合飞秒激光与材料作用的非线性效应，可以大大减小激光加工的特征尺寸。该方法突破了光学衍射极限，可以在硬脆性材料上加工获得亚30nm特征尺寸的结构制备。基于上述原理，申请人已成功在硬脆性二氧化硅(SiO₂)材料表面制备了特征尺寸为25nm的小孔阵列结构。

如图1所示，本发明利用锥透镜实现硬脆材料纳米级小孔的加工系统包括飞秒激光器1、偏振控制模块2、能量控制模块3、锥透镜4、准直镜5、显微加工模块6、控制系统7和光谱探测模块9。偏振控制模块2、能量控制模块3、锥透镜4、准直镜5、显微加工模块6沿飞秒激光器1的出射光路依次设置，飞秒激光器1出射的飞秒激光入射至偏振控制模块2，偏振控制模块2控制飞秒激光的偏振态后将其入射至能量控制模块3，能量控制模块3控制飞秒激光的输入功率后将其入射至锥透镜4，锥透镜4将空间高斯分布的光束整形为贝塞尔光束，贝塞尔光束经准直镜5准直后进入显微加工模块6，显微加工模块6将出射的贝塞尔光锥聚焦于待加工硬脆材料表面，实现纳米小孔的加工。控制系统7分别与光谱探测模块9、飞秒激光器1和显微加工模块6连接。本发明系统通过锥透镜4产生贝塞尔光锥，光锥在Z轴方向呈纺锤形“光针”分布，可以将光束在纵向(z轴)进行延展，同时在横向进行压缩，飞秒激光“光针”在纵深方向可以有效穿透材料内部，形成高压、高温电离等离子体，等离子体在纵向进行爆破。

本发明通过光谱探测模块9实时观测待加工表面，光谱探测模块9具体可采用光谱仪，光谱仪通过球透镜8对待加工表面纳米小孔的光散射信息进行捕捉反馈，并将该信息反馈至控制系统7，控制系统7根据该信息对贝塞尔光针在硬脆材料中的位置进行精确补偿控制。待加工表面纳米小孔的大小不同，散射光波长则不同，通过检测光谱线位移，即可检测出纳米小孔的尺寸，若该尺寸不符合要求，此时，控制系统7(压电加工台)通过显微加工模块6对贝塞尔光针在材料中的位置(z位置)进行精确补偿控制，实现加工能量在z轴输入的修正，从而实现高质量均匀性纳米孔阵列加工。此时，基于自聚集和等离子散焦的互相作用过程，当贝塞尔光针埋入石英晶体内部时，会在样品表面和材料内部同时形成两个能量分布区域，其中表面区域易于达到气化温度从而与样品分离，而内部区域材料失去表面材料约束后会发生一系列复杂的膨胀，当z轴定位在适合位置时，内部材料会明显失去表面材料约束，进而会发生一系列复杂的膨胀，喷蚀和重铸过程，并最终形成了圆盘-纳米孔装结构。

本发明系统在能量控制模块3和锥透镜4之间还设置有倍频晶体10，用于将输入的飞秒激光波长减半。本发明系统中，加工波长与材料有关，通过倍频(或者波长减半)可以针对不同波长吸收敏感的材料实现加工，灵活调控加工材料范围。此时，采用主流商业用飞秒激光器，其输出激光波为800nm、1030nm，倍频波长为400nm和515nm。

如图2所示，本发明利用锥透镜4对飞秒激光脉冲进行空间整形，将高斯分布的飞秒激光在空间上改造为贝塞尔轮廓的锥形光场分布，锥形光场最宽处为高斯形光场宽度的一半，光锥体的发散角β则由锥透镜4的锥角α决定，β角的大小遵守斯涅耳公式：

n·sinα＝sin(α+β) (1)

其中，n为锥透镜折射率，在光锥内部，径向上的光场分布近似为一个贝塞尔函数，其中心光斑d的大小为：

其中，k为光波波矢。

在加工系统中，由锥透镜4产生的贝塞尔光束经过一个由长焦透镜跟短焦物镜组成的显微加工模块6(即4f系统)之后，其中心光斑d的大小为：

其中，f₁为显微加工模块6的长焦透镜焦距，f₂为显微加工模块6的短焦物镜焦距，w为高斯光斑直径，光锥长度(即聚焦深度)为：

用于加工的贝塞尔光束具有中心光斑小、光斑景深深等其他光束没有或无法同时兼顾的特性，适用于在透镜材料中诱导大深径比的通道结构。本发明贝塞尔光锥的光锥长度DOF为10～200um，光斑d为300～1000nm。在上述参数范围内，光锥加工机理为由一维光场分布特性导致的表面辅助材料去除机理，可以实现极限尺度的小孔的加工。

如图3所示，中心波长为1030nm光纤飞秒激光经偏振控制模块2和能量控制模块3后，进入锥透镜4(Thorlabs，AX-250，锥顶角α为1°)，经准直镜(f＝200mm)准直后，再通过半透半反镜进入显微加工模块6并聚焦于待加工样品表面。为提高打印效率，本发明锥透镜4可采用锥透镜微阵列(N×N)，实现并行快速加工小孔结构阵列，从而实现多个小孔的同时加工，大幅提高了加工效率。本发明偏振控制模块2可包括偏振棱镜和波片，或者只采用偏振片，通过偏振棱镜和波片控制激光偏振，可实现高精度的加工。本发明能量控制模块3包括中性密度片和可控衰减片，或者采用格兰棱镜+偏振片。

基于上述系统，本发明还提供了一种利用锥透镜实现硬脆材料纳米级小孔的加工方法，包括以下步骤：

步骤一、选择相匹配的锥透镜和显微加工模块，使得贝塞尔光锥的光锥长度DOF和中心光斑d的计算如下：

步骤二、飞秒激光器1开始工作，显微加工模块6将出射的贝塞尔光锥聚焦于待加工硬脆材料表面，实现纳米小孔的加工；

步骤三、光谱探测模块9通过球透镜8对纳米小孔的光散射信息进行实时采集，并将该信息反馈至控制系统7，控制系统7根据该信息对贝塞尔光针在硬脆材料中的位置进行精确补偿控制，直至符合小孔尺寸要求，从而实现加工能量在z轴输入的修正；

步骤四、根据步骤三补偿后的位置信息在待加工硬脆材料表面进行高精度纳米小孔的加工。

实施例一

在石英表面进行微孔加工，本发明使用的激光器为中科院物理研究所自主研制的Ti:Sapphire激光器，中心波长为800nm，重复频率为1kHz，激光单脉冲能量为1μJ，脉宽为30fs，加工物镜(即短焦物镜)为×50物镜，数值孔径为0.6，工作距离10mm。如图4所示，加工的结构为圆盘加中心孔洞的“帽型结构”。其中，对于中心孔洞较大的结构，中心孔洞的直径占到整体直径的1/2到1/3，孔洞大小在100-200nm之间。对于中心孔洞较小的结构，中心孔洞的直径占到整体直径的1/10到1/5，中心孔洞直径小于100nm，将这些结构利用分辨率更高的SEM表征，结果如图5所示，可以看到样品中含有大量的中心孔洞小于50nm的纳米结构。

通过实验发现，利用中心波长800nm，脉冲宽度为30fs的飞秒脉冲可以通过锥透镜4在样品表面加工出大量中心孔洞小于50nm的“帽型结构”。但同时也有大量尺寸远大于50nm的结构出现。产生巨大波动的原因可能是加工平台的快速移动过程中，加工平台上下以及左右均出现剧烈的晃动，也有可能是加工过程中激光器能量波动导致的。因此，采用能量更加稳定，重复频率调整更加灵活，从而有利于控制平台移动速度的光纤激光器成为了一种可以选择的优化途径，后面的实验结果都是基于飞秒光纤激光器进行的。

实施例二

该实施例中使用的激光器为安扬激光生产，最高输出功率20W的光纤激光器，加工时所用物镜×50，重复频率为100Hz，激光单脉冲能量为1.5μJ，中心波长1030nm，脉冲宽度300fs，经过BBO晶体倍频之后可以产生中心波长515nm的飞秒激光。相比于800nm的Ti:Sapphire激光器，515nm激光脉冲具有更短的光波波长，有利于加工出更小的结构。脉冲重复频率可以通过外触发方式灵活调整，配合激光器内部重复频率设置，激光器的重复频率可以实现从1Hz～5M Hz的大范围内灵活调整，方便将移动平台调整到可以稳定运转的工作速度。通过光电二极管链接示波器，观察波形可以发现，单脉冲的能量波动可以控制在1％～2％之间，相比于Ti:Sapphire激光器，光纤激光器具有更高的能量稳定性，这些优势都有利于获得更精细，更稳定的纳米结构。

将波长为515nm的飞秒激光经锥透镜4空间整形、又经长焦透镜准直后，进入显微加工模块6，再通过×50物镜聚焦于石英表面。激光重频为100Hz，加工平台以100μm/s的速度做近似匀速移动。加工结果如图6所示，图中存在大量之前出现的“帽型结构”。这些“帽型结构”的外围大小为300-600nm之间，帽型结构内部大都存在一个直径为外围大小1/8到1/10的中心孔洞，尺寸在20-50nm之间。将这些帽状结构放大来看，可以看到期间具有多个中心孔洞小于30nm的点相连的情况，如图7所示。另外一些“帽型结构”进一步放大，这些点的大小均在30nm以下。相比于之前使用重复频率固定，且能量波动较大的Ti:sapphire激光器，利用光纤激光器红外光倍频后的加工结果在结构特征尺寸以及加工结构大小稳定性上均有明显的提升，当前可以通过对于飞秒激光的空间整形技术，实现加工出特征尺寸小于30nm微纳加工的极限加工指标。

Claims (8)

1.一种利用锥透镜实现硬脆材料纳米级小孔的加工系统，其特征在于：包括飞秒激光器(1)、偏振控制模块(2)、能量控制模块(3)、锥透镜(4)、准直镜(5)、显微加工模块(6)、控制系统(7)、球透镜(8)和光谱探测模块(9)；

所述偏振控制模块(2)、能量控制模块(3)、锥透镜(4)、准直镜(5)、显微加工模块(6)沿飞秒激光器(1)的出射光路依次设置，飞秒激光器(1)出射的飞秒激光入射至偏振控制模块(2)，偏振控制模块(2)控制飞秒激光的偏振态后将其入射至能量控制模块(3)，能量控制模块(3)控制飞秒激光的输入功率后将其入射至锥透镜(4)，锥透镜(4)将空间高斯分布的光束整形为贝塞尔光束，贝塞尔光束经准直镜(5)准直后进入显微加工模块(6)，显微加工模块(6)将出射的贝塞尔光锥聚焦于待加工硬脆材料表面，实现纳米小孔的加工；

所述控制系统(7)用于分别控制光谱探测模块(9)、飞秒激光器(1)和显微加工模块(6)；所述光谱探测模块(9)通过球透镜(8)对纳米小孔的光散射信息进行采集，并将该信息反馈至控制系统(7)，控制系统(7)根据该信息对贝塞尔光锥在硬脆材料中的Z轴位置进行精确补偿控制和修正；

所述贝塞尔光锥的光锥长度DOF和中心光斑d的计算如下，所述贝塞尔光锥的光锥长度DOF为10～200um，中心光斑d为300～1000nm；

其中，k为光波波矢；β为光锥体的发散角，光锥体的发散角β由锥透镜的锥角α得到，n·sinα＝sin(α+β)，n为锥透镜折射率；f₁为显微加工模块的长焦透镜焦距，f₂为显微加工模块的短焦物镜焦距；w为束腰半径。

2.根据权利要求1所述的利用锥透镜实现硬脆材料纳米级小孔的加工系统，其特征在于：所述能量控制模块(3)和锥透镜(4)之间还设置有倍频晶体(10)，用于将输入的飞秒激光波长减半。

3.根据权利要求2所述的利用锥透镜实现硬脆材料纳米级小孔的加工系统，其特征在于：所述锥透镜(4)为锥透镜微阵列。

4.根据权利要求1或2或3所述的利用锥透镜实现硬脆材料纳米级小孔的加工系统，其特征在于：所述光谱探测模块(9)为光谱仪。

5.根据权利要求4所述的利用锥透镜实现硬脆材料纳米级小孔的加工系统，其特征在于：所述偏振控制模块(2)包括偏振棱镜和波片。

6.根据权利要求5所述的利用锥透镜实现硬脆材料纳米级小孔的加工系统，其特征在于：所述能量控制模块(3)包括中性密度片和可控衰减片。

7.根据权利要求6所述的利用锥透镜实现硬脆材料纳米级小孔的加工系统，其特征在于：所述飞秒激光器(1)出射的飞秒激光波长为800nm和1030nm。

8.一种基于权利要求1至7任一所述利用锥透镜实现硬脆材料纳米级小孔的加工系统的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、选择相匹配的锥透镜和显微加工模块，使得贝塞尔光锥的光锥长度DOF和中心光斑d如下：

步骤二、飞秒激光器开始工作，显微加工模块将出射的贝塞尔光锥聚焦于待加工硬脆材料表面，实现纳米小孔的加工；

步骤三、光谱探测模块通过球透镜对纳米小孔的光散射信息进行实时采集，并将该信息反馈至控制系统，控制系统根据该信息对贝塞尔光锥在硬脆材料中的位置进行精确补偿控制，直至符合小孔尺寸要求，从而实现加工能量在z轴输入的修正；

步骤四、根据步骤三补偿后的位置信息在待加工硬脆材料表面进行高精度纳米小孔的加工。

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