CN114324436A - 一种微纳结构的激光加工与实时原位高分辨观测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种微纳结构的激光加工与实时原位高分辨观测装置，包括激光器、CCD相机和光源，激光器经过激光加工光路聚焦在样品上，光源经过照明光路倾斜照射在样品上，并通过显微成像光路反射到CCD相机中；激光束依次经过电子快门、渐变中性滤光片、长焦透镜、反射镜组、二向色镜和显微物镜聚焦在样品上，构成了激光加工光路；照明光依次经过短焦透镜、分束镜、二向色镜和显微物镜倾斜照射在样品上，构成了照明光路；样品反射的照明光依次经过显微物镜、二向色镜、分束镜进入CCD相机中，构成了显微成像光路。本发明在照明光路上采用短波长照明光，以斜入射照明样品的方式提高了成像质量，实现了在加工过程中对材料表面进行原位观测。
Description
技术领域
本发明涉及激光微加工及显微成像领域，特别涉及一种微纳结构的激光加工与实时原位高分辨观测装置。
背景技术
激光与金属、半导体、电介质等材料相互作用均会在材料表面诱导各种微纳结构，包括微纳锥形阵列、微纳岛状阵列、周期表面微纳结构(Laser-Induced Periodic SurfaceStructures,LIPSS)等，这些微纳结构在材料改性方面具有很重要的作用。尤其是LIPSS这种结构，自1965年首次报道以来已被广泛地研究，已被发现具有抗反射、着色、增强拉曼散射、疏水疏油、抗腐蚀、抗磨减阻、抗菌等复合功能，在微光学、微机电、微流体、微生物芯片领域有较大的应用潜力。研究LIPSS的形成机理对调控LIPSS形貌及其表面性能具有非常重要的意义。然而，LIPSS的形成机理至今还存在争议，尚无定论。因此，观察LIPSS的演化，分析其LIPSS的形成机理是一个十分重要且值得研究的基础科学问题。
现阶段实验中观察亚微米级微纳结构产生及演化的研究方法主要有两种：(1)采用激光异位加工、异位观测的研究，即为了研究不同激光参数对微纳结构的影响，先在一种激光参数下在样品的一个位置进行辐照，然后改变激光参数换一个表面位置再继续进行辐照，后续将样品用扫描电子显微镜(SEM)或原子力显微镜(AFM)等昂贵的、具备高空间分辨率能力的仪器进行形貌表征；(2)采用双光路原位加工、原位观察的研究，即将激光器发射的激光用分束镜分为两路，一路作为激光加工光路，另一路经光谱展宽为白光后用于照明，构建显微成像光路，该方法可在飞秒激光与材料作用的同一位置改变不同激光参数多次辐照，实现对LIPSS演化的原位观测。
上述两种研究方法仍存在一些不足。方法(1)的问题是：在加工过程中需要用不同激光参数在样品表面不同位置进行辐照，通过比较不同位置上的LIPSS结构，推测LIPSS形成机制。然而，未被激光辐照前，样品表面各处微观形貌并不可能是完全相同的，样品表面预先存在的一些微小缺陷、结构等差异都会影响LIPSS的形成，对研究激光参数对LIPSS的影响进而分析LIPSS形成机理造成干扰。方法(2)的问题是：为了提高显微成像的空间分辨能力，通常使用大数值孔径、高倍显微物镜进行加工和观测，然而加工光经高倍显微物镜聚焦后焦斑仅为1微米左右，焦斑区的LIPSS仅1～3条。为了扩大LIPSS的面积以便观测，需要在激光加工光路和显微成像光路共路的位置上放置凹透镜来来扩大焦斑。但是，引入的凹透镜位于成像光路中增加了成像系统的色差和球差，引起图像畸变，降低了成像质量。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种微纳结构的激光加工与实时原位高分辨观测装置，在加工和成像时使用同一高倍显微物镜，在加工光路进入显微物镜之前上使用长焦透镜有效扩大了样品表面的可加工区面积和成像系统的有价值观测面积，在照明光路上采用短波长照明光，以斜入射照明样品的方式提高了成像质量，实现了在加工过程中对材料表面进行原位观测，避免了材料表面不同位置的微小差异所带来的干扰，对研究激光诱导表面微纳结构的调控机制和形成机理具有一定的意义。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种微纳结构的激光加工与实时原位高分辨观测装置，包括激光器、CCD相机和光源，所述激光器经过激光加工光路聚焦在样品上，所述光源经过照明光路倾斜照射在样品上，并通过显微成像光路反射到CCD相机中；
所述激光器产生的激光束依次经过电子快门、渐变中性滤光片、长焦透镜、反射镜组、二向色镜和显微物镜聚焦在样品上，构成了激光加工光路；所述光源产生的照明光依次经过短焦透镜、分束镜、二向色镜和显微物镜倾斜照射在样品上，构成了照明光路；所述样品反射的照明光依次经过显微物镜、二向色镜、分束镜进入CCD相机中，构成了显微成像光路。
进一步，所述光源放置在短焦透镜的前焦面上，所述光源产生的照明光经过短焦透镜聚焦后形成与短焦透镜主轴成夹角的平行照明光，所述平行照明光经过分束镜后以偏离显微物镜主轴的方向进入显微物镜，用于斜入射照明样品表面。
进一步，所述长焦透镜的焦距f≥1000mm，所述长焦透镜将激光束先聚焦后再以发散光进入显微镜，用于扩大聚焦在样品表面的焦斑面积。
进一步，所述反射镜组包括第一反射镜和第二反射镜，激光束依次经过第一反射镜和第二反射镜，用于以确保激光束以45°角入射二向色镜。
进一步，所述激光加工光路经过二向色镜，所述二向色镜反射激光束；所述照明光路和显微成像光路经过二向色镜时，所述照明光透过二向色镜，用于实现激光加工光路、照明光路和显微成像光路的共路。
进一步，所述光源为非相干光源，所述非相干光源的波长为近紫外短波光的波长。
进一步，所述显微成像光路中还包括筒镜，所述筒镜位于分束镜与CCD相机之间。
进一步，所述分束镜为45°分束镜，所述分束镜用于反射光源产生的照明光，且所述样品反射的照明光可透过分束镜。
进一步，所述显微物镜为放大倍率至少100倍的高倍显微物镜。
本发明的有益效果在于：
本发明所述的微纳结构的激光加工与实时原位高分辨观测装置，采用长焦透镜将激光先聚焦后散焦进入物镜，扩大了样品表面的可加工区域，扩大了高倍物镜下的有价值观测区域；
本发明所述的微纳结构的激光加工与实时原位高分辨观测装置，采用高倍显微物镜同时进行加工和观测，在成像光路上未引入多余透镜，避免了给成像系统带来球差和色差，可以在照明光短波长和物镜的高数值孔径保障下实现高空间分辨率(～300nm)成像，为分析微纳的调控过程和形成机理提供直观可靠的观测手段。
本发明所述的微纳结构的激光加工与实时原位高分辨观测装置，采用单色非相干光进行斜入射式照明成像，对于LIPSS这类立体结构观测结果要好于垂直入射照明。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所述的微纳结构的激光加工与实时原位高分辨观测装置的示意图。
图2是成像效果图对比。其中，(a)是照明光垂直入射照明，(b)是照明光斜入射照明，(c)是同一位置的SEM图。
图中：
1-激光器；2-电子快门；3-渐变中性滤光片；4-长焦透镜；5-第一反射镜；6-第二反射镜；7-二向色镜；8-显微物镜；9-样品；10-三维位移台；11-分束镜；12-筒镜；13-CCD相机；14-短焦透镜；15-光源。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
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，旨在用于解释本发明，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，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，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。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本发明所述的微纳结构的激光加工与实时原位高分辨观测装置，包括激光器1、CCD相机13和光源15，所述激光器1经过激光加工光路聚焦在样品9上，所述光源15经过照明光路倾斜照射在样品9上，并通过显微成像光路反射到CCD相机13中；
所述激光器1可以是连续光激光器，也可以是脉冲激光器。所述激光器1产生的激光束依次经过电子快门2、渐变中性滤光片3、长焦透镜4、反射镜组、二向色镜7和显微物镜8聚焦在样品9上，构成了激光加工光路；所述激光器1发射的一束线偏振激光，经过电子快门2、渐变中性滤光片3、长焦透镜4、第一反射镜5和第二反射镜6、二向色镜7后经由显微物镜8聚焦到三维位移台10上的样品9表面，实现对样品表面的微加工。所述电子快门2通过调节开合的时间来控制通过的激光脉冲数。所述渐变中性滤光片3通过旋转来调节通过的激光功率的大小。长焦透镜4的焦距f＝1000mm，长焦透镜4需放置在距离显微物镜8后端面的1.2m-1.3m位置处，激光通过长焦透镜4后先聚焦到显微物镜8后方然后再散焦，扩大了激光经由物镜聚焦后的焦斑面积。第一反射镜5和第二反射镜6均为45°反射镜，激光束依次经过第一反射镜5和第二反射镜6，用于以确保激光束以45°角入射二向色镜7。所述二向色镜7的作用是对激光束加工光全反射，而对照明光全透射。二向色镜7需要45°放置，当激光束以45°入射时会被全部反射进入显微物镜8，然后聚焦在样品9上。样品9表面反射的加工光无法通过二向色镜7，因此最终不会被收集。显微物镜8为无限远显微物镜，其放大倍率100倍，数值孔径NA＝0.9。需要配套使用筒镜12，才可实现显微系统的整体放大倍率为100倍。
所述光源15产生的照明光依次经过短焦透镜14、分束镜11、二向色镜7和显微物镜8倾斜照射在样品9上，构成了照明光路；所述光源15为非相干光源，所述非相干光源的波长为近紫外短波光的波长。实施例中光源15为近紫外LED灯。光源15发出的照明光通过短焦透镜14整形为近平行光，并经由45°的分束镜11反射部分光后，通过二向色镜7后经由显微物镜8聚焦到样品表面实现照明。调节光源15来实现斜入射照明：将光源15放置在短焦透镜14前焦面上，在垂直于短焦透镜14主光轴的平面内平移，可进一步结合光源15的旋转，使其发光经过短焦透镜14聚焦后，形成与短焦透镜14主轴成一定夹角的平行光，经过45°分束镜后以偏离显微镜主8轴的方向进入显微物镜8，实现斜入射照明样品表面。
所述样品9反射的照明光依次经过显微物镜8、二向色镜7、分束镜11进入CCD相机13中，构成了显微成像光路。样品9表面反射的照明光会通过二向色镜7和分束镜11，再经过筒镜12聚焦到CCD相机13上，最终可观测到样品表面的结构。样品9可以为金属、半导体和电介质等。
具体地，以掺杂钛蓝宝石的飞秒激光系统为例，其发射的飞秒激光中心波长为800nm，脉冲宽度为120fs，重复频率为1kHz。附图2给出了在激光能流密度F＝2.96J/cm2，脉冲数N＝12时，飞秒激光辐照半导体6H-SiC后在表面形成的结构，不同成像方法得到的成像效果对比图。对于图2(a)和图2(b)，其中图2(a)为照明光垂直入射照明，图2(b)为本发明的斜入射照明，图2(c)为同一位置的SEM图。通过对比成像的效果图可以发现，对于材料表面的LIPSS，采用本发明的斜入射照明显微成像的效果要远好于照明光垂直入射照明。本发明的斜入射照明显微成像的效果已经接近SEM图。
综上所述：本发明给出了微纳结构的激光加工与实时原位高分辨(～300nm)观测装置，利用本装置可以有效提升对于LIPSS等微纳结构的观测效果。同时需要指出的是，本发明装置也可被用于异位研究LIPSS等微纳结构的实验中。
应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种微纳结构的激光加工与实时原位高分辨观测装置，其特征在于，包括激光器(1)、CCD相机(13)和光源(15)，所述激光器(1)经过激光加工光路聚焦在样品(9)上，所述光源(15)经过照明光路倾斜照射在样品(9)上，并通过显微成像光路反射到CCD相机(13)中；
所述激光器(1)产生的激光束依次经过电子快门(2)、渐变中性滤光片(3)、长焦透镜(4)、反射镜组、二向色镜(7)和显微物镜(8)聚焦在样品(9)上，构成了激光加工光路；所述光源(15)产生的照明光依次经过短焦透镜(14)、分束镜(11)、二向色镜(7)和显微物镜(8)倾斜照射在样品(9)上，构成了照明光路；所述样品(9)反射的照明光依次经过显微物镜(8)、二向色镜(7)、分束镜(11)进入CCD相机(13)中，构成了显微成像光路。
2.根据权利要求1所述的微纳结构的激光加工与实时原位高分辨观测装置，其特征在于，所述光源(15)放置在短焦透镜(14)的前焦面上，所述光源(15)产生的照明光经过短焦透镜(14)聚焦后形成与短焦透镜(14)主轴成夹角的平行照明光，所述平行照明光经过分束镜后以偏离显微物镜(8)主轴的方向进入显微物镜(8)，用于斜入射照明样品(9)表面。
3.根据权利要求1所述的微纳结构的激光加工与实时原位高分辨观测装置，其特征在于，所述长焦透镜(4)的焦距f≥1000mm，所述长焦透镜(4)将激光束先聚焦后再以发散光进入显微镜(8)，用于扩大聚焦在样品(9)表面的焦斑面积。
4.根据权利要求1所述的微纳结构的激光加工与实时原位高分辨观测装置，其特征在于，所述反射镜组包括第一反射镜(5)和第二反射镜(6)，激光束依次经过第一反射镜(5)和第二反射镜(6)，用于以确保激光束以45°角入射二向色镜。
5.根据权利要求1所述的微纳结构的激光加工与实时原位高分辨观测装置，其特征在于，所述二向色镜(7)呈45°放置，所述激光加工光路以45°射入二向色镜(7)，所述二向色镜(7)反射激光束；所述照明光路和显微成像光路经过二向色镜(7)时，所述照明光透过二向色镜(7)，用于实现激光加工光路、照明光路和显微成像光路的共路。
6.根据权利要求1所述的微纳结构的激光加工与实时原位高分辨观测装置，其特征在于，所述光源(15)为非相干光源，所述非相干光源的波长为近紫外短波光的波长。
7.根据权利要求1所述的微纳结构的激光加工与实时原位高分辨观测装置，其特征在于，所述显微成像光路中还包括筒镜(12)，所述筒镜(12)位于分束镜(11)与CCD相机(13)之间。
8.根据权利要求1所述的微纳结构的激光加工与实时原位高分辨观测装置，其特征在于，所述分束镜(11)为45°分束镜，所述分束镜(11)用于反射光源(15)产生的照明光，且所述样品(9)反射的照明光可透过分束镜(11)。
9.根据权利要求1所述的微纳结构的激光加工与实时原位高分辨观测装置，其特征在于，所述显微物镜(8)为放大倍率至少100倍的高倍显微物镜。
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