CN113777675B - 一种激光诱导纳米球聚集排布制备超表面的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种激光诱导纳米球聚集排布制备超表面的方法，属于激光应用技术领域。本发明基于激光诱导自组装技术，使用连续激光器作为激发光源，在空间光调制器、光阑、螺旋相位板或轴锥镜阵列的作用下，产生目标结构光场，使二硒化钼纳米球在乙醇溶液中由于光热效应、光阱效应而按照入射光场强度分布进行有效可调控的聚集排布，进而形成超表面。相比传统制造超表面的方法，这种自下而上的加工方式，降低了加工成本，并能够实现规模化、集成化和功能化应用，有望运用于新型微纳光学结构、微纳光学器件的加工和制造。
Description
技术领域
本发明涉及激光应用技术领域，尤其涉及一种激光诱导纳米球聚集排布制备超表面的方法。
背景技术
超材料和超表面有望成为先进微纳器件的未来发展方向之一，利用激光诱导自组装技术，促进半导体加工、增材制造、光刻技术和其它先进领域的蓬勃发展，具有十分重要的意义和研究价值。
现有的全息光镊、扫描光镊等光镊技术，主要用来操纵聚苯乙烯小球、硅小球、金属小球等，通过结构光场给小球施加光压及产生光动力，然而，光镊技术主要是用来捕获和移动单个或几个微粒，不能形成规模化、集成化和功能化的实际应用。本发明通过利用空间光调制器改变入射光场分布，促使半导体纳米球按照入射光场强度分布进行排布，通过设计图案实现三维空间排布微粒，自组装构成特定的微纳光学结构。
现有的超表面制造如光刻技术，采用“自上而下”的加工方式，对掩膜版等设备的精度要求极高，造价高昂。然而，通过激光诱导半导体纳米球的自组装技术，采用自搭建的实验系统，实现半导体纳米球“自下而上”的超表面设计，为新型微纳光学结构、微纳光学器件的加工和制造提供一种全新的策略。
发明内容
为了解决现有技术中的上述缺陷，本发明提供一种激光诱导纳米球聚集排布制备超表面的方法，这可能成为发展超表面器件自下而上的制备新方法，并有望制备二硒化钼纳米球等超表面器件。
上述目的是通过如下技术方案实现的：
一种激光诱导纳米球聚集排布制备超表面的方法，其步骤如下：
步骤一：利用双面胶将两层盖玻片的三个边缘相粘结制作简易样品室，通过注射器把分散均匀的纳米球乙醇溶液从未粘结的玻璃边缘一端注射到样品室中；
步骤二：利用连续激光器作为激发光源，经空间滤波器扩束准直后，通过偏振镜过滤高斯光束，在空间光调制器的作用下产生目标结构光场，经凸透镜组调整光束直径后，再利用分光镜将激发光源和照明光源分别通过光学显微物镜辐射到样品室和数字采集相机中成像，通过LED光源作为照明光源，对样品室进行辅助照明；
步骤三：将步骤二中产生的目标结构光场通过光学显微物镜垂直聚焦于样品室的下表面，经纳米球乙醇溶液吸热膨胀产生气泡后，即可在样品室的下表面聚集排布形成与入射光场强度分布一致的激光诱导纳米球自组装微纳光学结构。
进一步的，步骤一中，所述纳米球为二硒化钼纳米球。
进一步的，步骤二中，所述目标结构光场的产生器件还包括使用光阑、螺旋相位板或轴锥镜阵列。
进一步的，步骤二中，所述光学显微物镜的倍数为40倍。
进一步的，步骤二中，所述数字采集相机为CCD相机或CMOS相机。
进一步的，步骤三中，所述纳米球乙醇溶液吸热膨胀产生气泡的入射激光功率，要不低于乙醇溶液的热膨胀阈值。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：
(1)自制二硒化钼纳米球独特的层级结构和高吸收的特点，使其能够产生足够的光热效应与提供光动力来进行聚集排布，与传统方法相比，被入射激光源捕获的微粒数目从少数若干个变为大量的、可堆叠组装的，能够实现规模化、集成化和功能化的器件应用。
(2)本发明基于激光诱导自组装的思想，使用连续激光器作为激发光源，在空间光调制器、光阑、螺旋相位板或轴锥镜阵列的作用下，即可产生目标结构光场，使纳米球在乙醇溶液中由于光热效应、光阱效应而按照入射光场强度分布进行有效可调控的聚集排布，相比传统制造超表面的方法，这种自下而上的加工方式，降低了加工成本，其创新性和新颖性有望应用并革新微纳光学结构和超表面器件领域。
附图说明
图1是本发明提供的激光诱导纳米球聚集排布制备超表面的实验系统装置结构示意图。
其中，1为连续式激光器，2为空间滤波器，3为第一凸透镜，4为孔径光阑，5为第一偏振镜，6为空间光调制器，7为第二偏振镜，8为第二凸透镜，9为第三凸透镜，10为分光镜，11为显微物镜，12为滤光片，13为LED光源，14为CMOS相机，15为样品室，16为计算机。
图2是利用本发明方法进行激光诱导纳米球聚集排布制备超表面的样品室实物图。
图3是本发明实施例所述的采用孔径光阑产生菲涅尔衍射光场进行纳米球聚集排布得到的一种类菲涅尔波带片的超表面结构。
图4是利用本发明方法得到的一种类菲涅尔波带片超表面结构，应用于微尺度光放大和聚焦效应的功能展示。
图5是利用本发明方法得到的一种类菲涅尔波带片超表面结构，经灰度图像处理后透射光场的强度分布。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，以下采用实施例对本发明技术方案作详细说明，但本发明要求保护的范围并不局限于下述的实施例。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。
实施例1
如图1所示，一种激光诱导纳米球聚集排布制备超表面的方法，使用的实验系统具体包括：
连续式固体激光器-1，空间滤波器-2，第一凸透镜-3，孔径光阑-4，第一偏振镜-5，空间光调制器-6，第二偏振镜-7，第二凸透镜-8，第三凸透镜-9，分光镜-10，显微物镜-11，滤光片-12，LED光源-13，CMOS相机-14，样品室-15，计算机-16，其中：连续式固体激光器-1发出激光光源，经空间滤波器-2扩束和第一凸透镜-3准直后，由孔径光阑-4消除杂散光，第一偏振镜-5为起偏器，空间光调制器-6用来产生目标结构光场，包括透射式和反射式两种，第二偏振镜-7为检偏器，凸透镜-8和凸透镜-9焦距分别为20cm和5cm，用来缩束，分光镜-10将激发光源通过显微物镜-11聚焦到样品室-15中，LED光源-13用来辅助照明，滤光片-12用来滤掉初始激光源的影响，CMOS相机-14用来检测通过显微物镜-11对样品室成像的画面，并受计算机-16控制曝光时间和捕捉画面。
本实施例所使用的连续式固体激光器为长春光电生产的MGL-III-532全固态激光器，激发波长为532nm，输出功率为100mW，束腰直径为1.2mm。
本实施例所使用的空间光调制器为北京杏林睿光生产的透射式液晶空间光调制器，型号为RL-SLM-T1。
本实施例所使用的CMOS相机为滨松ORCA-spark数字CMOS相机，型号为C11440-36U。
本实施例所使用的显微物镜为奥林巴斯生产的40倍物镜，型号为LCAchN40X。
一种激光诱导纳米球聚集排布制备超表面的方法，具体操作步骤如下：
步骤一：利用双面胶将两层盖玻片的三个边缘相粘结制作简易样品室，通过注射器把分散均匀的二硒化钼纳米球乙醇溶液从未粘结的玻璃边缘一端注射到样品室中；
步骤二：利用连续激光器作为激发光源，经空间滤波器扩束准直后，通过偏振镜过滤高斯光束，在空间光调制器的作用下产生目标结构光场，经凸透镜组调整光束直径后，再利用分光镜将激发光源和照明光源分别通过光学显微物镜辐射到样品室和数字采集相机中成像，通过LED光源作为照明光源，对样品室进行辅助照明；
步骤三：将步骤二中产生的目标结构光场通过光学显微物镜垂直聚焦于样品室的下表面，经二硒化钼纳米球乙醇溶液吸热膨胀产生气泡后，即可在样品室的下表面聚集排布形成与入射光场强度分布一致的激光诱导纳米球自组装微纳光学结构。
图2是利用本发明方法进行激光诱导纳米球聚集排布制备超表面的样品室实物图。
实施例2
其它步骤均与实施例1相同，不同之处在于：去掉实验系统中的第一偏振镜-5，空间光调制器-6和第二偏振镜-7，由孔径光阑产生的菲涅尔衍射直接作为目标结构光场，入射到样品室中。
如图3所示，为本发明实施例所述的采用孔径光阑产生菲涅尔衍射光场进行纳米球聚集排布得到的一种类菲涅尔波带片的超表面结构。
如图4所示，为利用本发明方法得到的一种类菲涅尔波带片超表面结构，应用于微尺度光放大和聚焦效应的功能展示。
如图5所示，为利用本发明方法得到的一种类菲涅尔波带片超表面结构，经灰度图像处理后透射光场的强度分布图。
Claims (5)
1.一种激光诱导二硒化钼纳米球聚集排布制备超表面的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：利用双面胶将两层盖玻片的三个边缘相粘结制作简易样品室，通过注射器把分散均匀的二硒化钼纳米球乙醇溶液从未粘结的玻璃边缘一端注射到样品室中；
步骤二：利用连续激光器作为激发光源，经空间滤波器扩束准直后，通过偏振镜过滤高斯光束，在空间光调制器的作用下产生目标结构光场，经凸透镜组调整光束直径后，再利用分光镜将激发光源和照明光源分别通过光学显微物镜辐射到样品室和数字采集相机中成像，通过LED光源作为照明光源，对样品室进行辅助照明；
步骤三：将步骤二中产生的目标结构光场通过光学显微物镜垂直聚焦于样品室的下表面，经二硒化钼纳米球乙醇溶液吸热膨胀产生气泡后，即可在样品室的下表面聚集排布形成与入射光场强度分布一致的激光诱导二硒化钼纳米球自组装微纳光学结构。
2.根据权利要求1所述的一种激光诱导二硒化钼纳米球聚集排布制备超表面的方法，其特征在于，所述目标结构光场的产生器件还包括使用光阑、螺旋相位板或轴锥镜阵列。
3.根据权利要求1所述的一种激光诱导二硒化钼纳米球聚集排布制备超表面的方法，其特征在于，所述光学显微物镜的倍数为40倍。
4.根据权利要求1所述的一种激光诱导二硒化钼纳米球聚集排布制备超表面的方法，其特征在于，所述数字采集相机为CCD相机或CMOS相机。
5.根据权利要求1所述的一种激光诱导二硒化钼纳米球聚集排布制备超表面的方法，其特征在于，所述二硒化钼纳米球乙醇溶液吸热膨胀产生气泡的入射激光功率，要不低于乙醇溶液的热膨胀阈值。
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