CN114217369B - 光栅制备方法及光栅制备系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光栅制备方法及光栅制备系统。所述光栅制备方法应用于基板，包括：生成激光，激光用于在基板的第一方向扫描生成第一光栅；控制基板移动预设距离，以使激光在基板的第二方向扫描生成第二光栅；其中，第一光栅包括多个第一子光栅，第二光栅包括多个连接光栅和多个第二子光栅；连接光栅的一端与第一光栅连接，连接光栅的另一端与第二子光栅连接。本发明的光栅制备方法能够使得已生成纳米光栅对准位置的光场增强，从而引起新生成的自对准第二纳米光栅与已生成第一纳米光栅的自对准生长及定向拼接，最终实现大面积均匀纳米光栅的制备。

Description

光栅制备方法及光栅制备系统

技术领域

本发明涉及光栅加工技术领域，尤其涉及一种光栅制备方法及光栅制备系统。

背景技术

光栅作为一种周期性表面结构，由于其特殊的光学性能被广泛应用于各种领域。

然而，当前制备光栅的过程中伴随着许多限制，仍然难以实现大面积纳米光栅的均匀制备。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种光栅制备方法及光栅制备系统。其中，所述光栅制备方法能够使得已生成纳米光栅对准位置的光场增强，从而引起新生成的自对准第二光栅与已生成第一光栅的自对准生长及定向拼接，最终实现大面积纳米光栅的制备。

第一方面，本申请提供了光栅制备方法，应用于基板，所述光栅制备方法包括：

生成激光，所述激光用于在所述基板的第一方向扫描生成第一光栅；

控制所述基板移动预设距离，以使所述激光在所述基板的第二方向扫描生成第二光栅；

其中，所述第一光栅包括多个第一子光栅，所述第二光栅包括多个第二子光栅、多个连接光栅，所述多个连接光栅的一端与对应的所述第一子光栅连接，所述多个连接光栅的另一端与对应的所述第二子光栅连接。

本实施例通过激光在基板的第一路径上扫描生成第一光栅，并控制基板移动预设距离，使激光聚焦在第二路径上，扫描生成第二光栅，其中所述第二光栅包括连接光栅、第二子光栅，所述连接光栅连接已有的第一子光栅和新生成的第二子光栅。能够将不同扫描路径的第一光栅和第二光栅定向拼接在一起形成新的光栅结构，实现对入射激光的光场再分配，在已生成纳米光栅对准的位置，即已生成纳米光栅的延长位置产生光学增强效应并发生烧蚀，从而实现纳米光栅的自对准生长；同时，上述的自对准生长过程中，初始光栅的非对准将会在后续激光中逐步纠正、对准，最终实现不同扫描路径的纳米光栅的对准生长，进而实现无限大面积的纳米光栅的制备。

在一些实施例中，所述预设距离小于或等于预设阈值。

在一些实施例中，所述第一方向与所述第二方向的方向相同或相反。

在一些实施例中，相邻所述第一子光栅间隔第一间距，所述第二子光栅与对应的所述第一子光栅在第二方向上间隔第二间距，所述第二间距为第一间距的一半。

在一些实施例中，所述激光沿所述第一方向扫描的光斑与第一光栅至少部分重叠。

在一些实施例中，所述第一光栅与对应第二光栅形成光栅组；控制所述基板往复移动，以使所述激光在所述基板上扫描生成多个所述光栅组；其中，相邻所述光栅组对应连接。

在一些实施例中，所述激光为P偏振激光。

第二方面，本申请还提供了一种光栅制备系统，应用于基板，所述光栅制备系统包括：

激光器，用于生成激光，并用于在所述基板的第一方向扫描生成第一光栅；

控制器，与所述激光器连接；

位移台，用于承载所述基板；

其中，所述控制器还用于控制所述位移台移动预设距离，以使所述激光在所述基板的第二方向扫描生成连接光栅和第二子光栅；其中，所述连接光栅的一端与所述第一光栅连接，所述连接光栅的另一端与所述第二子光栅连接。

在一些实施例中，所述光栅制备系统还包括：

成像装置，与所述激光器连接，用于通过所述激光器采集所述基板的图像；其中，所述控制器还用于根据所述图像计算得到所述预设距离，所述控制器根据所述预设距离控制所述位移台移动。

在一些实施例中，所述成像装置包括：

LED光源，用于发出单色光；成像透镜组，与所述LED光源连接，用于将所述单色光照射至所述基板上，并收集反射光；CMOS相机，与所述成像透镜组连接，用于获取所述反射光并生成所述图像。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：

图1为本发明光栅制备方法的一流程图；

图2为本发明光栅制备方法的一光栅示意图；

图3为本发明光栅制备方法的另一光栅示意图；

图4为本发明光栅制备方法的又一光栅示意图；

图5为本发明光栅制备方法的再一光栅示意图；

图6为本发明光栅制备方法的还一光栅示意图；

图7为本发明光栅制备方法获取的大面积均匀自对准光栅显微示意图；

图8为本发明光栅制备系统的一结构示意图。

附图标记：100、光栅制备系统；110、激光器；111、超快光源；112、第一半波片；113、格兰棱镜；115、凸透镜；116、凹透镜；117、第二半波片；118、二向色镜；119、聚焦物镜；120、成像装置；121、分束镜；122、反射镜；123、CMOS相机；124、LED光源；130、基板；140、位移台；150、控制器。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

需要说明的是，光栅是由大量等宽等间距的平行狭缝构成的表面周期性结构，制备光栅的方法包括电子束光刻、聚焦离子束光刻以及各类掩模刻蚀方案等，其中，通过激光诱导的方法能够生成尺寸极小的光栅纳米结构。当基板被接近其本身损伤阈值的超短脉冲激光能量辐射时，其表面会产生稳定的表面周期性结构。具体的，由于飞秒激光的峰值功率和光强非常高，脉宽短，能够聚焦到非常小的空间区域内，且与基板作用时间极短，利用飞秒激光与基板相互作用，能够在基板表面形成光栅纳米结构。例如，当金属被飞秒激光照射时，入射激光与激发出的表面等离激元波发生干涉，并将产生能量的周期性分配，从而引起样品表面的选择性烧蚀，进而导致材料表面生成交替分布的周期结构。

根据上述激光诱导周期性表面结构的周期小于入射激光的波长，例如本发明实施例中制备激光诱导周期性表面结构所对应结构周期小于入射激光的波长，因此所述激光诱导周期性结构表面也称为亚波长纳米结构。

可以理解的，通过上述激光诱导周期性表面结构的方法，能够在加工样品上产生具有一定周期的光栅纳米结构。然而，上述激光诱导产生的光栅是在光栅平行方向上宽度有限的光栅，即按照常规技术，激光诱导产生的光栅面积有限。生产大面积的光栅需要分别生成不同区域的光栅，并将各区域光栅拼接在一起，从而形成所需的大面积光栅纳米结构。但对于纳米光栅对准通常要求位移精度达到数十乃至几个纳米，由于加工平台的限制，难以实现纳米级精度的对准，使得在制备大面积纳米光栅时难以实现不同区域纳米光栅的对准拼接进而影响纳米光栅的高效大面积加工。

请参阅图1，第一方面，本申请提供了一种光栅制备方法，应用于基板，所述光栅制备方法包括：

步骤S101、生成激光；

步骤S102、控制所述基板移动预设距离；

其中，所述激光用于在所述基板的第一方向扫描生成第一光栅；所述基板移动预设距离，以使所述激光在所述基板的第二方向扫描生成第二光栅；其中，所述第一光栅包括多个第一子光栅，所述第二光栅包括多个第二子光栅、多个连接光栅，所述多个连接光栅的一端与对应的所述第一子光栅连接，所述多个连接光栅的另一端与对应的所述第二子光栅连接。

可以理解的，本实施例中通过上述激光诱导周期性表面结构的方法在基板上生成所述的光栅纳米结构。具体的，所述激光的光斑聚焦在基板的第一路径上，通过将基板以一定速度水平位移，使得激光沿第一方向(水平方向)扫描所述基板，激光光斑在基板的第一路径上生成沿着基板移动反方向的均匀光栅，即所述第一光栅，其中所述基板可以是固体材料、薄膜。随后控制基板移动预设距离，所述预设距离的方向与第一方向垂直，即基板沿着第一方向的垂直方向移动，使得激光光斑聚焦在基板的第二路径上并沿第二路径扫描生成所述第二光栅。由于环境和机械误差，基板移动后的所处的第二路径扫描起点不一定与第一路径的扫描起点在扫描路径的水平方向上相同，即不同路径上的激光光斑的辐照区域的起始位置在扫描方向存在偏移，从而导致不同激光扫描的第一路径、第二路径上产生的纳米光栅非对准生成，即第一光栅和第二光栅没有对准生成。控制基板移动预设距离，能够调整不同路径上扫描激光的光斑重叠程度，所述预设距离即所述激光生成第一光栅的第一扫描路径与激光生成第二光栅的第二扫描路径之间的距离。本实施例通过调整预设距离，使激光扫描的光斑适当地覆盖局部的已形成光栅，能够在第二路径后续扫描中，实现对入射激光和表面等离激元波的能量再分配，在已生成纳米光栅对准的位置，即已生成纳米光栅的延长位置产生光学增强效应，并发生烧蚀，从而对生成非对准纳米光栅的逐步纠正并实现在纳米光栅对准的位置形成光栅，使得纳米光栅自动对准生长。

具体的，上述激光光斑在所述基板的第一路径生成第一光栅后移动预设距离，使激光光斑聚焦在基板的第二路径上，同时第二路径上的激光光斑在扫描时覆盖部分已生成的第一路径上的第一光栅。基板匀速水平移动，激光光斑辐射在基板的部分第一光栅和第二路径上，由于第一光栅作为基板表面已有的结构，在入射激光的辐射下，所述第一光栅使得生成第二光栅的能量发生定向分配。在第一光栅相应的位置上因为光场能量分配的集中，将烧蚀形成第二子光栅和连接第一子光栅和第二子光栅的连接光栅。同时，上述的自动对准生长过程中，由于光栅耦合效应，初始光栅的非对准将会在后续激光中逐步纠正、对准，最终实现不同扫描路径的纳米光栅的自动对准生长。其中，所述第一方向与第二方向互相平行，且生成的第一光栅、第二光栅分别与对应的第一方向、第二方向垂直，所述预设距离的方向与第一方向垂直。

具体的，本实施例中根据不同的激光参数以及生成光栅的不同参数，可以设置相应的预设距离。例如，超快激光参数为：激光波长为520nm，脉冲宽度为300fs，激光单脉冲能量为0.24μJ，激光脉冲重复频率为1kHz，基板运动速度为2mm/s，生成的纳米光栅为均匀的周期直线条纹结构，则所述预设距离为2μm。

请参阅图2至图6，当扫描激光采用所述激光参数时，采取不同的预设距离将使生成不同的第二光栅，具体如下所述：

当预设距离等于4.5μm时，如图2所示，激光光斑沿第一方向在第一路径上扫描并烧蚀出第一光栅1，控制基板移动，使激光光斑聚焦在第二路径上，其中，所述d1为第一路径与第二路径的间隔距离。本实施例中，激光光斑在第二路径上的运动方向，即所述第二方向，与第一方向互相平行且方向相同。可以理解的，激光光斑在扫描第二路径时，所述第一路径与第二路径之间的预设距离较大，激光光斑的覆盖范围与第一光栅没有重叠，烧蚀生成第二光栅2的位置与激光光斑在第二路径上扫描的起点、环境因素以及基板表面的参数等有关，而与第一光栅1无关。因此第一光栅1与第二光栅2的拼接相连需要参考多种影响因素，通过手动调节使后面生成的第二光栅2与已生成的第一光栅1对准。当预设距离大于4.5μm时，生成第二光栅的情况同上述。

当预设距离等于3.5μm时，如图3所示，激光光斑沿第一方向在第一路径上扫描并烧蚀出第一光栅1，控制基板移动，使激光光斑聚焦在第二路径上，其中，所述d2为第一路径与第二路径的间隔距离。可以理解的，激光光斑在扫描第二路径时，光斑的覆盖范围与已生成的第一光栅1有部分重叠，基板表面的第一光栅1对第二路径上的入射激光产生影响，使基板表面的能量发生定向再分配，所述第一光栅1使得第二路径与第一光栅1相对应的位置上产生光场增强，激光光斑在光场增强的位置辐照生成第二光栅2。即当预设距离等于3.5μm时，激光光斑在第二路径扫描生成的第二光栅2的位置，与第一光栅1相对应。可以理解的，第二光栅2的生成位置与激光光斑在第二路径上扫描的起点、环境因素以及基板表面的参数等无关，而只与第一光栅1有关。

当预设距离等于3.0μm时，如图4所示，激光光斑沿第一方向在第一路径上扫描并烧蚀出第一光栅1，控制基板移动，使激光光斑聚焦在第二路径上，其中，所述d3为第一路径与第二路径的间隔距离。所述d3小于所述d2，则激光光斑与第一光栅1的重叠部分比上述预设距离为d2时更大。可以理解的，当激光光斑辐射在基板上时，第一光栅1对入射激光产生影响，在与第一光栅相对应的第二路径上产生光场增强，生成第二光栅2，且在第一子光栅与第二子光栅之间生成连接光栅。可以理解的，第二光栅2的生成位置同样与激光光斑在第二路径上扫描的起点、环境因素以及基板表面的参数等无关，而只与第一光栅1有关，且第二子光栅与第一子光栅还通过连接光栅进行连接。

当预设距离等于2.0μm时，如图5所示，激光光斑沿第一方向在第一路径上扫描并烧蚀出第一光栅1，控制基板移动，使激光光斑聚焦在第二路径上，其中，所述d4为第一路径与第二路径的间隔距离。可以理解的，入射激光会与已生成的基板表面的第一光栅1相互作用，导致基板表面的光场再分布，并在光场增强的位置烧蚀形成第二子光栅和连接光栅。且，在预设距离等于2.0μm时，在入射激光以及表面散射波的作用下，第一光栅会熔融并重组结构，如图5中的第二光栅2所示，在第二子光栅自动对准第一子光栅生成的基础上，两个区域的光栅还以连接光栅定向拼接，并倾斜生长，形成均匀平行的周期直线光栅纳米结构。

当预设距离等于1.5μm时，如图6所示，激光光斑沿第一方向在第一路径上扫描并烧蚀出第一光栅1，控制基板移动，使激光光斑聚焦在第二路径上，其中，所述d5为第一路径与第二路径的间隔距离。可以理解的，第二路径上的激光光斑与已生成第一光栅的重叠范围较大。此时产生的第二光栅2将从第一光栅直接延伸自对准生长，即第二光栅2由第一光栅1处延伸，其获取光栅结构仍与预设距离等于2μm时所获取的纳米光栅结构一致。

可以理解的，第一光栅中包括多个第一子光栅，第二光栅中包括多个第二子光栅。在第一方向或第二方向上，激光光斑匀速移动，能够在基板上扫描生成包含无限个子光栅的第一光栅或第二光栅。具体的，如图5所示，控制基板移动预设距离后，激光光斑从图5左侧处开始扫描生成第二光栅。其中，左侧的第二路径上生成的与第一光栅发生定向拼接(即生成连接光栅连接第一子光栅和第二子光栅)，且激光光斑对生成的光栅结构发生二次烧蚀，使所述第一光栅、倾斜生长。当激光光斑扫描至图5的右侧时，由于入射激光激发的表面等离激元波在传播的过程中的鲁棒性，弯曲的光栅结构逐渐变为笔直倾斜。且根据光栅耦合效应，上述形成的笔直倾斜的子光栅会影响左侧子光栅的生成形状。在已生成均匀平行的第二子光栅后，激光光斑生成的后续第二子光栅将平行于已有第二子光栅，实现倾斜自对准生长。

可以理解的，控制激光的扫描路径的间隔距离即所述预设距离，能够实现不同程度的光栅自动对准生长，即上述中基板移动不同预设距离时，分别生成不同的第二光栅。不同参数的扫描激光在基板上产生能量再分配的预设距离不同，本实施例在此不一一敷述。

具体的，通过设置合适的预设距离，能够使扫描路径上的光栅与已有的光栅结构发生定向拼接甚至倾斜生长，实现不同区域的光栅结构的自动对准拼接。且由于光栅耦合效应，每一条路径上的子光栅继承已有子光栅的生长特性，且不受生成子光栅个数的限制，在已有子光栅的调节下，后续生成的子光栅将更平滑稳定。

本实施例通过激光在基板的第一路径上扫描生成第一光栅，并控制基板移动预设距离，使激光聚焦在第二路径上，扫描生成第二子光栅和连接光栅，所述连接光栅连接已有的第一子光栅和新生成的第二子光栅。能够将不同扫描路径的第一光栅和第二光栅定向拼接在一起形成新的光栅结构，实现对入射激光的光场再分配，在已生成光栅对准的位置，即已生成光栅的延长位置产生光学增强效应并发生烧蚀，从而实现纳米光栅的自对准生长；同时，上述的自对准生长过程中，已生成光栅的非对准将会在后续激光中逐步纠正、对准，最终实现不同扫描路径的纳米光栅的对准生长，进而实现无限大面积的纳米光栅的制备。

请再次参阅图2至图7，在一些实施例中，所述预设距离小于或等于预设阈值。

具体的，由上述基板移动不同预设距离时生成第二光栅的不同可知，根据不同的光栅制备需求和激光参数，可以选择不同的预设距离。

例如，激光采用上述激光参数：

当预设距离大于3.5μm时，生成第二光栅的形状、位置与第一光栅无关，即光栅制备中无自动对准生成。

当预设距离小于或者等于3.0μm且大于2.0μm时，在第一光栅相对应的位置生成第二子光栅和连接光栅，所述第一子光栅和第二子光栅通过连接光栅定向连接。控制基板移动预设距离为3.0μm后，生成的光栅结构为如图4所示的波纹状结构。

当预设距离小于或者等于2.0μm，第二光栅不仅与第一光栅定向拼接，且第一光栅、第二光栅二次烧蚀，倾斜生长，形成平行均匀的周期直线条纹光栅结构。可以理解的，根据制备光栅为均匀周期直线条纹光栅或者波纹状光栅等，选取不同的预设阈值，当预设距离处于预设阈值的范围内时，光栅的制备过程具有上述结构特点。

图7为预设距离为2.0μm获取的自对准纳米光栅扫描电镜显微图，利用所述光栅制备方法，可实现纳米光栅的自对准生长，从而高效大面积地获取均匀无缝的纳米光栅结构。

请再次参阅图4，在一些实施例中，所述第一方向与所述第二方向的方向相同或相反。

具体的，在第一扫描路径上激光光斑沿第一方向进行扫描，所述第一方向如图4中s1所示，在第二扫描路径上激光光斑沿第二方向进行扫描，所述第二方向如图4中s2所示。则第一方向与第二方向相同，所述第二子光栅与连接光栅平行连接在一起。图5中的θ为连接光栅与第二方向所成的锐角，所述θ朝向右侧，即连接光栅往左边倾斜。当第二方向为s3，所述s3与s1、s2的方向相反，即第一方向与第二方向的方向相反时，所述第二子光栅与连接光栅仍然平行连接，但是连接光栅与第二方向所成的锐角朝向左侧，即连接光栅往右边倾斜。

可以理解的，生成的连接光栅以及倾斜的第二子光栅的倾斜方向，与激光扫描的第二方向有关。通过在不同扫描路径中采取与上一个扫描路径相同的扫描方向，能够获得与上一个光栅平行连接的新光栅，实现在基板上获取周期直线条纹状的光栅结构；而采取与上一个扫描路径相反的扫描方向，能够获得跟上一个光栅成一定夹角连接的新光栅，实现在基板上获取波纹状的光栅结构。

请再次参阅图4，在一些实施例中，相邻所述第一子光栅间隔第一间距，所述第二子光栅与对应的所述第一子光栅在第二方向上间隔第二间距，所述第二间距为第一间距的一半。

由上述内容可知，控制基板移动预设距离后，所述预设距离小于预设阈值，能够获得与第一光栅相对应的第二光栅。具体的，激光参数不变且基板匀速水平移动时，激光光斑在扫描路径上生成的子光栅之间的间隔相等，即所述多个第一子光栅之间的间隔与多个第二子光栅的间隔都相等，所述间隔为第一间距。如图4中所示，在虚线方向上生成第二子光栅，其中虚线到相邻两边的第一方向上的第一子光栅的距离为第二间距。由于生成第二光栅的入射激光与第一光栅互相作用，第二子光栅的生成位置处于第一方向上的虚线处，即第二间距为第一间距的一半。

可以理解的，第二路径与第一路径相隔预设距离，生成的第二光栅与第一光栅自动对准拼接。具体的，在相邻两个第一子光栅的中线处，产生光场增强，则无论激光光斑的辐射条件以及环境因素，都将在所述中线处定向生成所述第二子光栅，从而实现第二光栅的自动对准生成。

请再次参阅图2至图3，在一些实施例中，所述激光沿所述第二方向扫描的光斑与第一光栅至少部分重叠。

具体的，如图2，当预设距离为d1时，激光光斑即图中的虚线圆，与第一光栅没有重叠的部分，则无法根据已生成的第一光栅，生成自动对准的第二光栅。如图3所示，当预设距离为d2时，激光光斑与第一光栅有部分重叠，则第一光栅与入射激光相互作用，使得相邻第一子光栅之间的光场得到增强，从而在每个第一子光栅的对应位置生成第二子光栅。通过控制激光光斑与已生成光栅的重叠程度，能够实现不同扫描路径光栅的自动对准、定向连接以及倾斜生长。

在一些实施例中，所述第一光栅与对应的第二光栅形成光栅组；控制所述基板往复移动，以使所述激光在所述基板上扫描生成多个所述光栅组；其中，相邻所述光栅组对应连接。

可以理解的，控制基板移动预设距离后，生成与第一光栅自动对准的第二光栅。以所述第二光栅为已生成光栅为例。再将所述基板移动预设距离，激光光斑沿第三路径扫描基板，此时的第二光栅与入射激光相互作用，使得基板上的能量再分配，在与第二光栅相对应的位置光场增强，并生成第三光栅。根据预设距离继续移动基板，能够在基板上生成无数个与相邻路径的已生成光栅相对应的新生成光栅，且所述已生成光栅与新生成光栅为一个光栅组。光栅组中的光栅通过控制预设距离实现自动对准生长，同时光栅组间的光栅同样能够实现自动对准生长。则通过本实施例自动对准生成无数个光栅组，激光诱导能够生成无限大面积的均匀光栅结构。

在一些实施例中，所述激光为P偏振激光。

可以理解的，当p偏振激光(即激光的偏振方向与扫描方向平行)入射到已生成的光栅结构上时，光栅耦合效应沿垂直于光栅结构的方向发生，从而产生光栅耦合的光学增强效应，以负反馈的方式调节后续产生的子光栅，在经过多次激光脉冲后，形成稳定均匀的光栅结构。而s偏振激光(即激光的偏振方向与扫描方向垂直)沿基板扫描时，由于光栅耦合的传播与子光栅的产生是垂直的，因此光栅耦合效应无法调节新产生的子光栅，则后续的子光栅无法继承已生成子光栅的特点，容易造成光栅结构混乱。因此，相比于s偏振激光，p偏振激光在扫描的过程中制备的光栅结构更加均匀。此外，激光的偏振方向与扫描方向的夹角(锐角)小于30°时，制备的光栅结构仍然较为均匀；当夹角超过30°时，制备的光栅结构产生较大紊乱，制备结构均匀性差。

请参阅图8，第二方面，本申请提供了一种光栅制备系统100，应用于基板130，包括：激光器110，用于生成激光，并用于在所述基板130的第一方向扫描生成第一光栅；控制器150，与所述激光器110连接；位移台140，用于承载所述基板130；其中，所述控制器150还用于控制所述位移台140移动预设距离，以使所述激光在所述基板130的第二方向扫描生成连接光栅和第二子光栅；其中，所述连接光栅的一端与所述第一光栅连接，所述连接光栅的另一端与所述第二子光栅连接。

具体的，所述激光器110包括超快光源111、能量调节模块、扩束准直模块、半波片。其中，所述超快光源111用于发出脉冲重复频率连续可控的飞秒高斯线偏振脉冲激光，所述出射脉冲激光依次通过能量调节模块、扩束准直模块、半波片，依次实现对加工激光的能量、光斑尺寸和偏振的调制。其中，改变出射激光的能量，可调控制备纳米光栅的加工深度及占空比。通过改变出射激光的波长可以改变纳米光栅的周期，如为实现更大周期的纳米光栅可采用红外波段的超快激光进行加工，为实现更小周期的纳米光栅可采用紫外波段的超快激光进行加工。此外，也可以通过改变入射激光与加工基板130表面的入射夹角以及加工环境介质，如在氮气、液体中进行加工，实现对纳米光栅周期的调控。

具体的，出射激光依次经过由第一半波片112和格兰棱镜113组成的能量调节模块以进行激光能量调节；并进一步通过由凹透镜116和凸透镜115组成的扩束准直模块进行激光光斑扩束；扩束激光通过第二半波片117进行偏振调整，产生特定偏振方向的线光源高斯光束；最后经过二向色镜118反射，并入射到由聚焦物镜119进行聚焦，照射至基板130表面；通过调整聚焦物镜119到基板130的距离，将光斑焦点的聚焦位置调整基板130表面；所述基板130位于位移台140上，利用控制器150控制位移台140以一定的速度移动，飞秒激光扫描生成第一光栅，控制器150控制位移台140移动预设距离，即所述基板130移动预设距离，再次扫描生成第二子光栅和连接光栅，进而实现各个区域纳米光栅的制备及不同路径的光栅结构间的自对准拼接，从而实现高效大面积纳米光栅的制备。

可以理解的，由于超快光源111发出的是飞秒高斯脉冲激光，即用于制备光栅的激光为飞秒激光，通过激发基板表面等离激元波的传播而间接诱导亚波长级别光栅结构的生成，因此不受衍射极限及聚焦光斑大小的限制。同时，在保证激光脉冲重叠率不变的情况下，通过对激光脉冲重复频率和扫描速度的调整，可使得制备光栅的速度提高数个数量级。通过改变激光光斑尺寸，如利用线光源进行加工，可进一步实现同一加工参数下的更大加工面积，进而提高相同时间内产生纳米光栅的数量，提高纳米光栅的制备效率。

具体的，不同的扫描路径影响纳米光栅的拼接情况，进而产生特殊的纳米光栅结构，如通过改变扫描间距，即所述预设距离，能够改变自对准光栅间的拼接方式，从而制备波纹纳米光栅。

通过本实施例的光栅制备系统100，调控激光的偏振态、扫描方向及扫描间距。其中激光偏振态的不同决定了生成光栅的取向，当激光偏振态平行于扫描路径时，纳米光栅的自对准效果最强。扫描方向决定了加工过程中的不同扫描路径所形成的不同纳米光栅的对齐情况，例如第一方向与第二方向相同或者相反时，连接新生成第二子光栅与已生成第一子光栅的连接光栅的倾斜方向不同。而扫描间距，即预设距离则决定后续纳米光栅的拼接情况，调控不同激光光斑的位置，如图5所示，使得后续入射激光适当地覆盖局部的已生成第一光栅区域时，第一光栅对准位置的光学增强效应得以增强，最终引起新生成自对准第二光栅与已生成第一光栅的自对准生长及定向拼接，从而实现大面积纳米光栅的制备。

综上所述，本实施例提供的光栅制备系统100可实现激光诱导自对准生长纳米光栅的均匀、高效、大面积制备，从而有效地解决传统微纳加工技术制备效率低，加工面积小，制备成本高，加工氛围要求高以及大面积制备中不同区域纳米光栅的对准拼接等问题。

请再次参阅图8，在一些实施例中，所述光栅制备系统100还包括：成像装置120，与所述激光器110连接，用于通过所述激光器110采集所述基板130的图像；其中，所述控制器150还用于根据所述图像计算得到所述预设距离，所述控制器150根据所述预设距离控制所述位移台140移动。

具体的，所述成像装置120用于对所述基板130进行图像获取。通过成像装置120能够实时观测基板130上光栅制备的情况。根据生成光栅的图像能够选择合适的预设距离，使激光光斑在扫描新的路径时覆盖部分已生成光栅，从而实现高效大面积的均匀光栅制备。

请再次参阅图8，在一些实施例中，所述成像装置120包括：LED光源124，用于发出单色光；成像透镜组，与所述LED光源124连接，用于将所述单色光照射至所述基板130上，并收集反射光；CMOS相机123，与所述成像透镜组连接，用于获取所述反射光并生成所述图像。

具体的，所述成像透镜组包括分束镜121和反射镜122。在制备光栅的过程中，LED光源124发出单色光经过分束镜121反射，依次通过二向色镜118、聚焦物镜119至基板130表面区域，而后沿入射路径传播，依次经过聚焦物镜119、二向色镜118和分束镜121，最后通过反射镜122进入CMOS相机123成像，实现对基板130上激光制备光栅状况的实时观测。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (9)

1.光栅制备方法，应用于基板，其特征在于，所述光栅制备方法包括：

生成激光，所述激光用于在所述基板的第一方向扫描生成第一光栅；

控制所述基板移动预设距离，以使所述激光在所述基板的第二方向扫描生成第二光栅；所述预设距离的方向与第一方向垂直，所述第一方向与所述第二方向互相平行，所述第一方向与所述第二方向的方向相同或相反，且生成的所述第一光栅、所述第二光栅分别与对应的第一方向、第二方向垂直；

其中，所述第一光栅包括多个第一子光栅，所述第二光栅包括多个第二子光栅、多个连接光栅，所述多个连接光栅的一端与对应的所述第一子光栅连接，所述多个连接光栅的另一端与对应的所述第二子光栅连接；

其中，入射激光会与已生成的基板表面的所述第一光栅相互作用，导致所述基板表面的光场再分布，并在光场增强的位置烧蚀形成所述第二子光栅和连接光栅；在入射激光以及表面散射波的作用下，第一光栅熔融并重组结构，在第二子光栅自动对准第一子光栅生成的基础上，两个区域的光栅以连接光栅定向拼接，并倾斜生长，形成均匀平行的周期直线光栅纳米结构；

在入射激光激发的表面等离激元波的传播的过程中，在已生成均匀平行的第二子光栅后，将激光光斑生成的后续第二子光栅平行于已有所述第二子光栅，实现倾斜自对准生长。

2.根据权利要求1所述的光栅制备方法，其特征在于，所述预设距离小于或等于预设阈值。

3.根据权利要求1所述的光栅制备方法，其特征在于，相邻所述第一子光栅间隔第一间距，所述第二子光栅与对应的所述第一子光栅在第二方向上间隔第二间距，所述第二间距为第一间距的一半。

4.根据权利要求1所述的光栅制备方法，其特征在于，所述激光沿所述第二方向扫描的光斑与第一光栅至少部分重叠。

5.根据权利要求4所述的光栅制备方法，其特征在于，所述第一光栅与对应的所述第二光栅形成光栅组；

控制所述基板往复移动，以使所述激光在所述基板上扫描生成多个所述光栅组；其中，相邻所述光栅组对应连接。

6.根据权利要求1至5任一项所述的光栅制备方法，其特征在于，所述激光为P偏振激光。

7.光栅制备系统，应用于基板，其特征在于，包括：

激光器，用于生成激光，并用于在所述基板的第一方向扫描生成第一光栅；

控制器，与所述激光器连接；

位移台，用于承载所述基板；

其中，所述控制器还用于控制所述位移台移动预设距离，以使所述激光在所述基板的第二方向扫描生成连接光栅和第二子光栅；其中，第二光栅包括多个所述第二子光栅和多个所述连接光栅，所述连接光栅的一端与所述第一光栅连接，所述连接光栅的另一端与所述第二子光栅连接；所述预设距离的方向与第一方向垂直，所述第一方向与所述第二方向互相平行，所述第一方向与所述第二方向的方向相同或相反，且生成的所述第一光栅、所述第二光栅分别与对应的第一方向、第二方向垂直；

其中，入射激光会与已生成的基板表面的所述第一光栅相互作用，导致所述基板表面的光场再分布，并在光场增强的位置烧蚀形成所述第二子光栅和连接光栅；在入射激光以及表面散射波的作用下，第一光栅熔融并重组结构，在第二子光栅自动对准第一子光栅生成的基础上，两个区域的光栅以连接光栅定向拼接，并倾斜生长，形成均匀平行的周期直线光栅纳米结构；

在入射激光激发的表面等离激元波的传播的过程中，在已生成均匀平行的第二子光栅后，将激光光斑生成的后续第二子光栅平行于已有所述第二子光栅，实现倾斜自对准生长。

8.根据权利要求7所述的光栅制备系统，其特征在于，还包括：

成像装置，与所述激光器连接，用于通过所述激光器采集所述基板的图像；

其中，所述控制器还用于根据所述图像计算得到所述预设距离。

9.根据权利要求8所述的光栅制备系统，其特征在于，所述成像装置包括：

LED光源，用于发出单色光；

成像透镜组，与所述LED光源连接，用于将所述单色光照射至所述基板上，并收集反射光；

CMOS相机，与所述成像透镜组连接，用于获取所述反射光并生成所述图像。