CN114509836B - 一种正交光栅型微纳结构的制备方法及制备系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种正交光栅型微纳结构的制备方法及制备系统，包括：通过分束镜将由纳秒激光器产生的单光束分为两条光束；通过光学透镜组将所述两条光束会聚到样品架，形成双光束干涉条纹光场；调整纳秒激光器的加工参数，以使纳秒激光器满足预设的单位面积激光功率密度；其中，在所述预设的单位面积激光功率密度下的所述纳秒激光器能同时刻蚀出双光束干涉直写条纹结构与激光辐照诱导条纹结构；通过扫描控制，控制所述纳秒激光器对放置在样品架上的样品进行激光扫描加工，以使利用所述双光束干涉条纹光场在所述样品的表面上刻蚀出正交光栅型微纳结构。本发明解决了现有技术不能一步制备在不同方向上观察到结构色的正交光栅型微纳结构的技术问题。

Description

一种正交光栅型微纳结构的制备方法及制备系统

技术领域

本发明涉及激光纳米制造技术领域，尤其涉及一种正交光栅型微纳结构的制备方法及制备系统。

背景技术

目前，绝大多数色彩的应用都与化学色素有关，这些颜色的形成都需要大量的有机溶剂去稀释调配，大量的溶剂需要溢出烘干，能耗和排放对社会环境造成极大的破坏，也影响着从业人员的身体健康，并且这些挥发性有机物残留对商品使用者也会带来危害。随着近几年来对结构色的研究，结构色大多采用物理光热、和压力等方式来形成，相对来说则比较安全，所以结构显色是未来最安全最环保的色彩表达方式，常用于安全防伪加密应用领域。

激光打标技术是利用高能量密度的激光束在物体表面通过化学反应或物理烧蚀的方式打上永久标记的技术，控制激光在物体表面的扫描加工路径，形成用户所需的字符和图形等具有结构色的复杂标记图案。常见的激光打标机主要依赖于激光的热效应，无论是否添加外部色素添加剂，一般只能在材料表面产生单一颜色的标记。实现激光彩色打标的方法大致可分为两种：1、激光在物体表面产生氧化物薄膜，通过控制薄膜的组分与厚度，在光学干涉的原理下形成彩色图案。2、激光在物体表面产生光栅型微纳结构，通过控制光栅的周期与深度，在光学衍射的原理下形成彩色图案。第一种方法需要精确控制氧化物薄膜的组分，厚度与均匀性，加工窗口小。而第二种方法只能在特定光源方向和角度下观察到一种结构色变色效应。若想实现彩色打标，无论是现有的氧化物薄膜还是一维光栅微纳结构，只能在特定光源方向和角度下观察到一种结构色变色效应，而一种结构色变色效应所带来的防伪效果并不理想，容易被不法分子仿造制备。

因此，目前亟需一种能够直接一步制备在不同方向上观察到彩虹结构色的正交光栅型微纳结构的方法。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明之一目的在于提供一种正交光栅型微纳结构的制备方法及制备系统，能够通过双光束干涉的激光加工技术来制备双光束干涉直写条纹结构，通过调整纳秒激光器的加工参数以及扫描控制来制备激光诱导条纹结构，从而直接一步制备出正交光栅型微纳结构。

进一步地，本发明之另一目的在于提供一种正交光栅型微纳结构的制备方法及制备系统，所制备的正交光栅型微纳结构能够在不同的方向上观察到彩虹结构色。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种正交光栅型微纳结构的制备方法，包括：

通过分束镜将由纳秒激光器产生的单光束分为两条光束；

通过光学透镜组将所述两条光束会聚到样品架，形成双光束干涉条纹光场；

调整所述纳秒激光器的加工参数，以使所述纳秒激光器满足预设的单位面积激光功率密度；其中，在所述预设的单位面积激光功率密度下的所述纳秒激光器能同时刻蚀出双光束干涉直写条纹结构与激光辐照诱导条纹结构；

通过扫描控制，控制所述纳秒激光器对放置在样品架上的样品进行激光扫描加工，以使利用所述双光束干涉条纹光场在所述样品的表面上刻蚀出正交光栅型微纳结构。

可以理解的是，相比于现有的激光打标技术，本发明通过采用双光束干涉的激光打标技术来制备双光束干涉直写条纹结构，同时通过调整纳秒激光器的加工参数以及扫描控制，从而制备激光诱导条纹结构，进而在激光扫描加工过程中，能够在双光束的会聚点上直接一步制备出正交光栅型微纳结构，提高了制备效率，同时所制备的正交光栅型微纳结构具有光学衍射效应，能够在两个方向上观察到彩虹结构色，颜色饱和度和纯度高，同时相比于现有的化学色素的上色方式，正交光栅型微纳结构耐久性好。

作为优选方案，所述纳秒激光器的加工参数包括激光单脉冲能量、重复频率、扫描速度和扫描间距；其中，所述激光单脉冲能量的取值范围为0.02－0.15mJ，所述重复频率的取值范围为1－30kHz，所述扫描速度的取值范围为0.1－0.6mm/s，所述扫描间距的取值范围为0.1－0.2mm。

可以理解的是，对纳秒激光器的加工参数，包括激光单脉冲能量、重复频率、扫描速度和扫描间距进行调整，使得激光诱导条纹的结构能够生长在双光束刻蚀条纹的结构中间，从而使激光诱导条纹的结构更加规整。

作为优选方案，所述纳秒激光器出射的激光束为线偏振态激光；其中，所述线偏振态激光的偏振方向为S偏振。

可以理解的是，线偏振态激光的偏振方向与入射面应呈S偏振设置，以使偏振矢量垂直于分束镜的平面，从而能够制备双光束干涉直写条纹结构以及激光诱导条纹结构。

作为优选方案，所述正交光栅型微纳结构包括第一微纳光栅和第二微纳光栅；

所述第一微纳光栅中的脊均与所述第二微纳光栅的脊互相垂直。

可以理解的是，第一微纳光栅和第二微纳光栅均互相垂直，保证了正交光栅型微纳结构在第一微纳光栅和第二微纳光栅垂直方向上，并在这两个方向上均能观察到彩虹结构色，避免了现有技术中只能在单一方向上观察到彩虹结构色，能够应用于高精度和高安全级别的防伪安全等领域的应用。

作为优选方案，所述第一微纳光栅和所述第二微纳光栅的周期长度的取值范围均为0.5－5μm。

可以理解的是，第一微纳光栅和第二微纳光栅的周期长度在0.5－5μm的取值范围时，均可以产生彩虹结构色的光栅衍射现象，且第一微纳光栅和第二微纳光栅的衍射光颜色饱和度和纯度高。

作为优选方案，所述第一微纳光栅为所述双光束干涉直写条纹结构，所述第二微纳光栅为所述激光辐照诱导条纹结构；

所述第一微纳光栅的周期长度根据会聚后的两条光束的夹角与所述纳秒激光器的光源波长进行确定，所述第二微纳光栅的周期长度根据所述纳秒激光器的光源波长与能量进行确定；其中，所述第一微纳光栅的周期长度大于所述第二微纳光栅的周期长度。

可以理解的是，正交光栅型微纳结构中的第一微纳光栅和第二微纳光栅分别由双光束干涉刻蚀和激光辐照诱导生成，两种不同方式的制备原理能够实现同步制备的方式，提高了制备效率的同时并没有降低光栅的衍射能力；进一步地，第一微纳光栅和第二微纳光栅的周期可根据聚后的双光束的夹角或纳秒激光器的光源波长来确定，能够根据实际的需要来调节第一微纳光栅和第二微纳光栅的周期大小，使得第一微纳光栅和第二微纳光栅的光学衍射能够出射不同周期范围的彩虹结构色，能够进一步为防伪安全等领域的应用提供定制化的需求，同时周期更大的光栅形成的衍射光色彩随观察角度的改变而变化更为明显，由激光诱导表面周期结构的条纹结构周期较小，形成的衍射光色彩饱和度高、色纯度高。

作为优选方案，所述样品为金属或半导体。

可以理解的是，正交光栅型微纳结构可以制备于金属或半导体材料上，能够很好地解决现有技术对金属或半导体进行化学试剂上色困难的问题，同时打标后的图案色彩艳丽，光强变化明显。

相应地，本发明还提供一种正交光栅型微纳结构的制备系统，用于执行如上所述的光栅微纳结构的制备方法，包括：光源控制子系统、运动扫描平台和计算机控制子系统；

所述光源控制子系统包括：纳秒激光器、扩束镜、分束镜、反射镜组和会聚透镜组；所述分束镜将所述扩束镜出射的激光分成透射光束与反射光束；

所述计算机控制子系统包括：计算机和电子快门；所述计算机用于将预设的打标图案转换成数字信号，来控制所述电子快门的开启与闭合；

所述运动扫描平台用于承载样品，以及控制样品的激光扫描方向，从而实现大面积图案的激光打标。

可以理解的是，与现有技术相比，本发明通过采用分束镜将激光分成透射光束和反射光束，从而实现双光束干涉激光打标的技术，将微纳光栅刻蚀在样品的材料表面，同时计算机通过控制电子快门以及运动扫描平台，来对打标图案进行控制，从而实现根据自身需要来进行激光打标，得到不同图案。

作为优选方案，所述透射光束和所述反射光束的光程相等，且所述透射光束和所述反射光束的能量之比为1：1。

可以理解的是，为了保证双光束所形成的干涉效应，必须保证透射光束和反射光束的光程相等，以及透射光束和反射光束二者能量之比为1：1。

作为优选方案，所述反射镜组包括第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、第五反射镜、第六反射镜、第七反射镜、第八反射镜和第九反射镜；所述会聚透镜组包括第一会聚透镜和第二会聚透镜；

所述透射光束的光路上设有所述第一反射镜，所述第一反射镜将所述透射光束反射至所述第二反射镜和所述第三反射镜的光路上，从而入射所述第四反射镜，所述第四反射镜用于将透射光束反射至第五反射镜和第六反射镜的光路上，在所述第六反射镜的光路上设置有所述第一会聚透镜；

所述反射光束的光路上设有所述第七反射镜，所述第七反射镜用于将透射光束反射至所述第八反射镜和所述第九反射镜的光路上，在所述第九反射镜的光路上设置有所述第二会聚透镜。

可以理解的是，为了保证透射光束和反射光束的光程相等，第二反射镜和第三反射镜构成延时光路，从而实现方向不同的透射光束和反射光束能够同时且以相同的能量通过会聚透镜会聚于样品的表面上。

附图说明

图1：为现有技术中常见的反射光栅的剖面结构图；

图2：为本发明实施例所提供的一种正交光栅型微纳结构的制备方法的步骤流程图；

图3：为本发明实施例所提供的一种正交光栅型微纳结构示意图；

图4：为本发明实施例所提供的一种正交光栅型微纳结构不同的观察方向上具有不同的衍射变色效果示意图；

图5：为本发明实施例所提供的一种正交光栅型微纳结构的制备系统结构示意图；

图6：为本发明实施例所提供的一种正交光栅型微纳结构的制备系统具体结构图；

图7：为本发明实施例所提供的一种正交光栅型微纳结构的制备方法及其系统所制备的激光打标图案中小周期光栅在不同角度、同一时刻下观察的效果图；

图8：为本发明实施例所提供的一种正交光栅型微纳结构的制备方法及其系统所制备的激光打标图案中大周期光栅在不同角度、同一时刻下观察的效果图；

图9：为本发明实施例所提供的一种正交光栅型微纳结构中大周期光栅和小周期光栅的衍射光谱图；

图10：为本发明实施例所提供的一种正交光栅型微纳结构在电镜下的结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，其为反射光栅的剖面结构图：由大量的谷与脊交替组成的光学器件，可以使入射光的偏振、相位、振幅(或它们的组合)受到空间调制，而白光中不同颜色的光，其波长的偏转角度不同，使得光栅能够产生衍射色散现象。

光栅衍射产生结构色的原理：在具有衍射变色的激光打标图案中，结构色是由复色光(例如自然光，白光光源)经光栅衍射使得组成复色光相互分离而产生。光栅衍射公式为mλ＝d(sinα±sinβ)，式中m是衍射级次，λ为入射波长，α为入射角，β为衍射角(即观察角)，d为光栅周期。+、－号分别表示入射角和衍射角在法线的同侧或异侧。在入射光固定的情况下，改变观察角，观测到的色彩不同，即结构色效应。对于不同周期的光栅，其衍射效果也不同。

实施例一

请参照图2，为本发明实施例提供的一种正交光栅型微纳结构的制备方法，包括以下步骤S101－S104：

S101：通过分束镜将由纳秒激光器产生的单光束分为两条光束。

需要说明的是，分束镜是一种可以将一条光束分成两条光束或多条光束的光学装置，通常是由金属膜或介质膜构成。在本实施例中，分束镜能够将纳秒激光器产生的单束激光分成两束激光，其中，所述两束激光分别是透射光束和反射光束。纳秒激光器包括但不限于1064nm、532nm和355nm纳秒激光器，优选地，在本优选实施例中，所述纳秒激光器为Nd：YAG红外1064nm纳秒激光器，脉冲宽度为50ns，线偏振光，输出脉冲能量为0.77J/cm²，所使用的重复频率为3kHz。

作为本实施例的优选方案，所述纳秒激光器出射的激光束为线偏振态激光；其中，所述线偏振态激光的偏振方向为S偏振。

可以理解的是，线偏振态激光的偏振方向与入射面应呈S偏振设置，以使偏振矢量垂直于分束镜的平面，从而能够制备双光束干涉直写条纹结构以及激光诱导条纹结构。

S102：通过光学透镜组将所述两条光束会聚到样品架，形成双光束干涉条纹光场。

需要说明的是，光学透镜组能够将分束镜产生的双光束会聚到样品架上，在双光束会聚的焦点处形成双光束干涉条纹光场，通过双光束干涉实现加工平面上光斑的周期性分布，以使后续对样品进行激光扫描加工过程中，能够精准刻蚀出正交光栅型微纳结构。

S103：调整所述纳秒激光器的加工参数，以使所述纳秒激光器满足预设的单位面积激光功率密度；其中，在所述预设的单位面积激光功率密度下的所述纳秒激光器能同时刻蚀出双光束干涉直写条纹结构与激光辐照诱导条纹结构。

作为本实施例的一种优选方案，所述纳秒激光器的加工参数包括激光单脉冲能量、重复频率、扫描速度和扫描间距；其中，所述激光单脉冲能量的取值范围为0.02－0.15mJ，所述重复频率的取值范围为1－30kHz，所述扫描速度的取值范围为0.1－0.6mm/s，所述扫描间距的取值范围为0.1－0.2mm。

需要说明的是，对纳秒激光器的加工参数进行调整，能够在后续的激光扫描加工的过程中精准诱导出正交光栅型微纳结构。

S104：通过扫描控制，控制所述纳秒激光器对放置在样品架上的样品进行激光扫描加工，以使利用所述双光束干涉条纹光场在所述样品的表面上刻蚀出正交光栅型微纳结构。

可以理解的是，相比于现有的激光打标技术，本发明通过采用双光束干涉的激光打标技术来形成双光束干涉条纹的结构，同时通过调整纳秒激光器的加工参数以及扫描控制，从而实现对样品的激光诱导条纹的结构，进而在激光扫描加工过程中，能够在双光束的会聚点上直接一步制备出正交光栅型微纳结构，提高了制备效率，同时所制备的正交光栅型微纳结构具有光学衍射效应，能够在两个方向上观察到彩虹结构色，颜色饱和度和纯度高，同时相比于现有的化学色素的上色方式，正交光栅型微纳结构耐久性好。同时，对纳秒激光器的加工参数，包括激光单脉冲能量、重复频率、扫描速度和扫描间距，进行调整，使得激光诱导条纹的结构能够生长在双光束刻蚀条纹的结构中间，从而使激光诱导条纹的结构更加规整。

作为本实施例的一种优选方案，请参阅图3，所述正交光栅型微纳结构包括第一微纳光栅001和第二微纳光栅002；所述第一微纳光栅001中的脊均与所述第二微纳光栅002的脊互相垂直。

可以理解的是，每第一微纳光栅001和第二微纳光栅002均互相垂直，保证了正交光栅型微纳结构在第一微纳光栅001和第二微纳光栅002垂直方向上，并在这两个方向上均能观察到彩虹结构色，避免了现有技术中只能在单一方向上观察到彩虹结构色，能够应用于高精度和高安全级别的防伪安全等领域的应用。

作为本实施例的一种优选方案，所述第一微纳光栅001和所述第二微纳光栅002的周期长度的取值范围均为0.5－5μm。

可以理解的是，第一微纳光栅001和第二微纳光栅002的周期长度在0.5－5μm的取值范围时，均可以产生彩虹结构色的光栅衍射现象，且第一微纳光栅001和第二微纳光栅002的衍射光颜色饱和度和纯度高。进一步地，周期长度越大的光栅，其一级衍射光谱较窄，色彩纯度相对较弱，具备二级衍射甚至三级衍射，但其衍射的能量相对降低。而周期长度越小的光栅，其衍射光谱较宽，色彩纯度较高。

作为本实施例的一种优选方案，所述第一微纳光栅001为所述双光束干涉直写条纹结构，所述第二微纳光栅002为所述激光辐照诱导条纹结构；所述第一微纳光栅001的周期长度根据会聚后的两条光束的夹角与所述纳秒激光器的波长进行确定，所述第二微纳光栅002的周期长度根据所述纳秒激光器的光源波长与能量进行确定；其中，所述第一微纳光栅001的周期长度大于所述第二微纳光栅002的周期长度。

需要说明的是，第一微纳光栅001和第二微纳光栅002的结构是经过一步法同时制备而成的。第一微纳光栅001是在激光扫描加工的平面处所会聚的光斑能量经周期性分布调制后，对样品的表面进行选择性刻蚀，使得第一微纳光栅001的周期长度根据会聚后的双光束的夹角，即调制光场能量分布决定，即第一微纳光栅001为大周期光栅；第二微纳光栅002是激光辐照诱导样品表面所产生的周期结构，其周期长度根据纳秒激光器的光源波长进行确定，即第二微纳光栅002为小周期光栅。具备第一微纳光栅001和第二微纳光栅002的正交光栅型微纳结构在两个方向上具有不同周期的光栅，使得正交光栅型微纳结构具有正交各向异性的结构色效应，在不同的观察方向上具有不同的衍射变色效果。

可以理解的是，正交光栅型微纳结构中的第一微纳光栅001和第二微纳光栅002分别由双光束干涉刻蚀和激光辐照诱导生成，两种不同方式的制备原理能够实现同步制备的方式，提高了制备效率的同时并没有降低光栅的衍射能力；进一步地，第一微纳光栅001和第二微纳光栅002的周期可根据聚后的双光束的夹角或纳秒激光器的光源波长来确定，能够根据实际的需要来调节第一微纳光栅001和第二微纳光栅002的周期大小，使得第一微纳光栅001和第二微纳光栅002的光学衍射能够出射不同周期范围的彩虹结构色，能够进一步为防伪安全等领域的应用提供定制化的需求，同时周期更大的光栅形成的衍射光色彩随观察角度的改变而变化更为明显，由激光诱导表面周期结构的条纹结构周期较小，形成的衍射光色彩饱和度高、色纯度高。

在本实施例中，采用纳秒激光器所产生的激光，作为正交光栅型微纳结构的制备方法的光源。双光束干涉光场在材料表面刻蚀出双光束干涉直写条纹结构(即第一微纳光栅001)，其作用还包括：在样品表面产生梯度分布光场(即双光束干涉光场)，能够将激光辐照诱导条纹结构(即第二微纳光栅002)的产生限制在强－弱周期分布的梯度分布光场中，即将激光辐照诱导条纹结构的产生限制在第一微纳光栅001中，使其产生的激光辐照诱导条纹结构变得更加规整。因此，选择合适的激光单脉冲能量、重复频率、扫描速度和扫描间距，使所述纳秒激光器满足预设的单位面积激光功率密度，能够制备出规整的激光辐照诱导条纹结构(即第二微纳光栅002)，同时不影响双光束光场刻蚀出的双光束干涉直写条纹结构(即第一微纳光栅001)，能够在一次的激光扫描加工过程中同步制备出具备双光束干涉直写条纹结构和激光辐照诱导条纹结构的正交光栅型微纳结构。

在本实施例中，正交光栅型微纳结构保证了能在两个方向上观察到彩虹结构色的效果。照明光的角度(入射角α)和衍射角β(人眼或探测器的观察角)与光栅周期d符合光栅衍射公式：mλ＝d(sinα±sinβ)；即可观察到衍射光。在理想状态中，入射光线与光栅互相垂直，并与衍射光线处于同一平面，这样两个方向的彩虹结构色是与照射白光处于同一平面，因为第一微纳光栅001和第二微纳光栅002的方向垂直，那么在两个垂直于光栅的方向上显示两种彩虹结构色。请参阅图4，在实际情况中，光源不是理想的平面波，例如当光源入射方向分别与两个光栅方向的角度为45°时，光源斜入射到互相垂直的第一微纳光栅001(大周期光栅)和第二微纳光栅002(小周期光栅)上，入射光可以分解为两个垂直分量(白光光源)，其中一个垂直分量入射至第一微纳光栅001产生衍射光，另一个垂直分量入射至第二微纳光栅002产生衍射光，使得在同一光源下也可以观察到两种不同的彩虹结构色。

作为本实施例的一种优选方案，所述样品为金属或半导体。

可以理解的是，正交光栅型微纳结构可以制备于金属或半导体材料上，能够很好地解决现有技术对金属或半导体进行化学试剂上色困难的问题，同时打标后的图案色彩艳丽，光强变化明显。

需要说明的是，由于不同材料的光学性质不同，对于不同的金属或者半导体材料，纳秒激光器的光源波长可根据材料光谱的吸收峰进行调整，通过增强加工过程中的热效应，降低加工能量阈值，同时能减少材料表面反射所形成的杂散光带来的影响，从而改善正交光栅型微纳结构的衍射效果，以使提高激光扫描加工的品质。

实施以上实施例，具有如下效果：

本实施例中所制备的正交光栅型微纳结构保证了在两个方向上都可以观察到彩虹结构色。不同周期的第一微纳光栅001和第二微纳光栅002的条纹结构光学色散效果不同，由激光诱导表面周期结构的条纹结构周期较小，形成的衍射光色彩更为艳丽；由双光束干涉的干涉条纹周期较大，形成的衍射光色彩随观察角度的改变而变化更为明显。肉眼可以观察到不同空间，不同周期长度的光栅结构色的差异，从而能够实现良好的防伪效果，进一步提升防伪应用的安全性。同时第一微纳光栅001和第二微纳光栅002的周期长度均可以调整，以使得第一微纳光栅001和第二微纳光栅002所衍射的彩虹结构色效果可以变化。

实施例二

相应地，请参阅图5，本发明实施例还提供一种正交光栅型微纳结构的制备系统，用于执行如上所述的光栅微纳结构的制备方法，包括：光源控制子系统201、运动扫描平台17和计算机控制子系统202。

请参阅图6，所述光源控制子系统201包括：纳秒激光器1、扩束镜3、分束镜4、反射镜组和会聚透镜组；所述分束镜4将所述扩束镜3出射的激光分成透射光束与反射光束。

需要说明的是，扩束镜3是一种能够改变激光光束直径和发散角的透镜组件。

所述计算机控制子系统202包括：计算机18和电子快门2；所述计算机18用于将预设的打标图案转换成数字信号，来控制所述电子快门2的开启与闭合。

所述运动扫描平台17用于承载进行激光扫描加工的样品16，以及控制样品16的激光扫描方向，从而实现大面积图案的激光打标。

可以理解的是，与现有技术相比，本发明通过采用分束镜4将激光分成透射光束和反射光束，从而实现双光束干涉激光打标的技术，将微纳光栅刻蚀在样品16的材料表面，同时计算机18通过控制电子快门2以及运动扫描平台17，来对打标图案进行控制，从而实现根据自身需要来进行激光打标，得到不同图案。

作为本实施例的一种优选方案，所述透射光束和所述反射光束的光程相等，且所述透射光束和所述反射光束的能量之比为1：1。

可以理解的是，为了保证双光束所形成的干涉效应，必须保证透射光束和反射光束的光程相等，以及透射光束和反射光束二者能量之比为1：1。

作为本实施例的一种优选方案，所述反射镜组包括第一反射镜5、第二反射镜6、第三反射镜7、第四反射镜8、第五反射镜9、第六反射镜10、第七反射镜11、第八反射镜13和第九反射镜12；所述会聚透镜组包括第一会聚透镜14和第二会聚透镜15。所述透射光束的光路上设有所述第一反射镜5，所述第一反射镜5将所述透射光束反射至所述第二反射镜6和所述第三反射镜7的光路上，从而入射所述第四反射镜8，所述第四反射镜8用于将透射光束反射至第五反射镜9和第六反射镜10的光路上，在所述第六反射镜10的光路上设置有所述第一会聚透镜14；所述反射光束的光路上设有所述第七反射镜11，所述第七反射镜11用于将透射光束反射至所述第八反射镜13和所述第九反射镜12的光路上，在所述第九反射镜12的光路上设置有所述第二会聚透镜15。

可以理解的是，为了保证透射光束和反射光束的光程相等，第二反射镜6和第三反射镜7构成延时光路，从而实现方向不同的透射光束和反射光束能够同时且以相同的能量通过会聚透镜会聚与样品的表面上。

需要说明的是，透射光束和反射光束的光程相等，使得双光束干涉形成强弱相间的正弦光栅型周期性分布的双光束干涉光场，双光束聚焦在样品16的同一位置上，样品16放置于运动扫描平台17上。

作为本实施例的一种优选方案，所述运动扫描平台17为由所述计算机18控制的x－y－z步进电机。由计算机18控制的x－y－z步进电机，可将加工平面保持在两束分光完全会聚的平面，从而使得x－y－z步进电机可以控制样品16的位置进行激光打标，来得到不同的打标图案。

实施以上实施例，具有如下效果：

本实施例中通过简便的制备系统，制备正交光栅型微纳结构，该结构所构成的激光打标图案具有光学衍射效应，颜色的纯度、饱和度高，且耐久性好，不同于化学上色的材料容易随时间的延长而掉色。进一步地，在会聚光点内的光强均匀分布，满足微纳级刻蚀加工的条纹均匀要求。

实施例三

本发明实施例通过上述的正交光栅型微纳结构的制备方法及其系统，在金属铬表面实现正交光栅型微纳结构的激光扫描加工。

在本实施例中，纳秒激光器1采用Nd：YAG红外1064nm纳秒激光器，脉冲宽度为50ns，线偏振光，输出脉冲能量为0.77J/cm2，所使用的重复频率为3kHz；第一会聚透镜14和第二会聚透镜15的焦距为15cm，聚焦光斑的直径为100μm；正方形铬样品材料的厚度为1mm，边长为1.5cm，表面手工抛光。

将正方形铬样品放置于运动扫描平台17上，利用扩束镜3将纳秒激光器1出射的激光扩束，激光光束满足干涉要求，由分束镜4产生双光束，通过反射镜组和会聚透镜组，将双光束会聚到正方形铬的样品16的材料表面，形成干涉条纹光场；运动扫描平台17中的步进电机保持持续扫描状态，运动扫描平台17中的步进电机扫描速度保持在0.3mm/s，扫描方向与激光偏振方向一致，由于扫描间距需要保持为周期较大的光栅其周期长度的整数倍以提高结构制备质量，扫描间距为第一微纳光栅周期长度的7倍；其中，激光偏振方向与第二微纳光栅的取向互相垂直，同时激光偏振方向平行于第一微纳光栅的取向。在另一优选的实施例中，除通过扫描实现图像打标的方式，运动扫描平台17可以被振镜系统替代进行图像打标。

在计算机18中将打标图案分布转换成数字信号控制电子快门2开启与关闭的状态；控制纳秒激光器1的加工参数，以使单位面积激光功率密度达到纳秒激光器能同时刻蚀出双光束干涉直写条纹结构与激光辐照诱导条纹结构，在材料表面刻蚀出正交光栅型微纳结构，实现各向异性衍射光变色图案的打标。

在正方形铬的样品16所刻蚀的正交光栅型微纳结构中，第二微纳光栅的周期长度为0.96±0.02μm，双光束干涉夹角θ＝6.3°，因此第一微纳光栅的周期为4.65μm。

请参阅图7和图8，其为本实施例所制备激光打标图案在不同角度(即图7从a1到a4、图8从b1到b4的不同角度)下小周期光栅和大周期光栅的观察效果图，在观察方向和光源不变的情况下，同样的打标图案在旋转90度前后，能够观察到两种不同的结构色。第一微纳光栅为大周期光栅，第二微纳光栅为小周期光栅，在固定的光源方向，观察角度随白色箭头逐渐增大，可在正交方向上观察到不同的结构色效果。双光束干涉刻蚀的周期更大的第一微纳光栅所形成的衍射光色彩随观察角度改变而变化，其变化更为明显；由激光辐照诱导条纹结构的第二微纳光栅周期较小，所形成的衍射色彩纯度、饱和度更高。

为了能够进一步了解本实施例所制备的激光打标图案的正交各向异性结构色效应，对本实施例所制备的正交光栅型微纳结构中第一微纳光栅与第二微纳光栅进行光谱表征，光谱表征中使用的光源方向固定，改变CCD探测器的方位，参见图9所示，其为大周期光栅和小周期光栅的衍射光谱图，大周期光栅所形成的衍射级次更为密集，而小周期光栅的衍射级次则较为分离。

通过扫描电镜，对本实施例所制备的正交光栅型微纳结构的表面形貌进行表征，请参阅图10，本实施例所制备的正交光栅型微纳结构规整，质量高，达到制备工艺水平，可用于实际应用。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，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。

Claims (9)

1.一种正交光栅型微纳结构的制备方法，其特征在于，包括：

通过分束镜将由纳秒激光器产生的单光束分为两条光束；

通过光学透镜组将所述两条光束会聚到样品架，形成双光束干涉条纹光场；

调整所述纳秒激光器的加工参数，以使所述纳秒激光器满足预设的单位面积激光功率密度；其中，在所述预设的单位面积激光功率密度下的所述纳秒激光器能同时刻蚀出双光束干涉直写条纹结构与激光辐照诱导条纹结构，所述纳秒激光器的加工参数包括激光单脉冲能量、重复频率、扫描速度和扫描间距；所述激光单脉冲能量的取值范围为0.02－0.15mJ，所述重复频率的取值范围为1－30kHz，所述扫描速度的取值范围为0.1－0.6mm/s，所述扫描间距的取值范围为0.1－0.2mm；

通过扫描控制，控制所述纳秒激光器对放置在样品架上的样品进行激光扫描加工，以使利用所述双光束干涉条纹光场在所述样品的表面上刻蚀出正交光栅型微纳结构；其中，所述正交光栅型微纳结构具有正交各向异性的结构色效应。

2.如权利要求1所述的一种正交光栅型微纳结构的制备方法，其特征在于，所述纳秒激光器出射的激光束为线偏振态激光；

其中，所述线偏振态激光的偏振方向为S偏振。

3.如权利要求1所述的一种正交光栅型微纳结构的制备方法，其特征在于，所述正交光栅型微纳结构包括第一微纳光栅和第二微纳光栅；

所述第一微纳光栅中的脊均与所述第二微纳光栅的脊互相垂直。

4.如权利要求3所述的一种正交光栅型微纳结构的制备方法，其特征在于，所述第一微纳光栅和所述第二微纳光栅的周期长度的取值范围均为0.5－5μm。

5.如权利要求3或4所述的一种正交光栅型微纳结构的制备方法，其特征在于，所述第一微纳光栅为所述双光束干涉直写条纹结构，所述第二微纳光栅为所述激光辐照诱导条纹结构；

所述第一微纳光栅的周期长度根据会聚后的两条光束的夹角与所述纳秒激光器的波长进行确定，所述第二微纳光栅的周期长度根据所述纳秒激光器的光源波长与能量进行确定；其中，所述第一微纳光栅的周期长度大于所述第二微纳光栅的周期长度。

6.如权利要求1所述的一种正交光栅型微纳结构的制备方法，其特征在于，所述样品为金属或半导体。

7.一种正交光栅型微纳结构的制备系统，其特征在于，用于执行如权利要求1－6任意一项所述的正交光栅微纳结构的制备方法，包括：光源控制子系统、运动扫描平台和计算机控制子系统；

所述光源控制子系统包括：纳秒激光器、扩束镜、分束镜、反射镜组和会聚透镜组；所述分束镜将所述扩束镜出射的激光分成透射光束与反射光束；

所述计算机控制子系统包括：计算机和电子快门；所述计算机用于将预设的打标图案转换成数字信号，来控制所述电子快门的开启与闭合；

所述运动扫描平台用于承载样品，以及控制样品的激光扫描方向，从而实现大面积图案的激光打标。

8.如权利要求7所述的一种正交光栅型微纳结构的制备系统，其特征在于，所述透射光束和所述反射光束的光程相等，且所述透射光束和所述反射光束的能量之比为1：1。

9.如权利要求8所述的一种正交光栅型微纳结构的制备系统，其特征在于，所述反射镜组包括第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、第五反射镜、第六反射镜、第七反射镜、第八反射镜和第九反射镜；所述会聚透镜组包括第一会聚透镜和第二会聚透镜；

所述透射光束的光路上设有所述第一反射镜，所述第一反射镜将所述透射光束反射至所述第二反射镜和所述第三反射镜的光路上，从而入射所述第四反射镜，所述第四反射镜用于将透射光束反射至第五反射镜和第六反射镜的光路上，在所述第六反射镜的光路上设置有所述第一会聚透镜；

所述反射光束的光路上设有所述第七反射镜，所述第七反射镜用于将透射光束反射至所述第八反射镜和所述第九反射镜的光路上，在所述第九反射镜的光路上设置有所述第二会聚透镜。

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