CN114682905A - 一种超快激光加工和调制可重构多阶图案化存储的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超快激光加工和调制可重构多阶图案化存储的方法，属于超快激光技术领域。该方法通过不同参数的飞秒激光对相变材料表面直写，实现多维图案的信息存储；通过二次直写调制部分图片信息亮度，实现多阶亮度的图案信息存储；通过单脉冲辐照重构已加工区域，实现可重写的图案信息存储。本发明对欲加工图案采取嵌套加工及二次调制的方法，增加了平面区域内信息存储量，同时发挥激光加工的灵活性，具有极高自由度与高加工效率。另外由于GST材料可逆相变的性能，使其结晶度能够通过激光参数人为可控，由此可以对加工图案可进行选择性重构，拓宽了其应用范围，本发明在多维图像存储以及光学防伪等方面有极其重要的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种超快激光加工和调制可重构多阶图案化存储的方法，特别涉及一种利用超快激光在Ge2Sb2Te5(GST)相变材料上进行无损直写加工和调制可重构多阶光学图案信息存储的方法，属于超快激光技术领域。
背景技术
人类的生产生活离不开信息存储，视觉作为信息存储的重要感知，图案存储有其长盛不衰的生命力，随着对存储容量的需求增大，人们对于图案存储密度提出了更高的要求。微纳结构色由于其具有分辨率高、存储密度大等独特优点而在图案存储方面应用广泛。通过结构色的形式实现颜色展示需要对微纳结构有加工和调控的能力。传统的微纳结构制造方法，包括电子束、离子束、化学刻蚀和纳米压印等，通常需要先加工掩模等实现特定结构，再通过掩模制备表面微纳结构；LIPSS(激光诱导表面周期结构)是激光作用在材料上的普遍现象，激光在特定的能量范围内直写加工时可诱导材料表面生成周期性的微纳结构，其中一维光栅结构被普遍用于结构色，相较于传统方法，LIPSS由于其自组装一步成形的优势，在加工上有突出的优点。
一维光栅结构可以使多波长成分的入射光发生色散现象，且入射光方向一定时，不同取向的光栅可实现多级颜色显示。由超快激光诱导生成的一维纳米线周期排列构成的光栅结构，其取向受激光偏振控制，宽度受激光能量影响，具有易于大面积加工、各向异性响应等优势，已成为结构色图案存储领域的研究热点。
目前激光诱导材料表面光栅结构用于结构色一般有两种方法，一种是在半导体或金属材料表面诱导烧蚀光栅，另一种方法是诱导材料产生改性平面光栅，再利用化学刻蚀的方法形成高低分布的光栅结构。如在文献“Dynamic Structural Color Display Basedon Femtosecond Laser Variable Polarization Processing”中，Peichao Wu等人通过飞秒激光在硅上的烧蚀工艺，形成了具有周期性的纳米光栅，利用光栅偏振相关的颜色效应，改变偏振实现了在硅材料表面的图案化加工。然而这种烧蚀光栅结构均匀一致性较差，烧蚀光栅形成的过程中有材料的喷溅，大大影响未加工区域，由于激光能量大、脉冲数多，会放大材料表面缺陷的影响；利用化学刻蚀方法制备的光栅虽然一致性好，但由于其引起了材料的去除，这种变化是不可逆的，所以加工的图案是永久性不可改变的，目前的方法缺乏加工灵活性且对材料的空间利用率低，难以实现多阶高密度的信息存储。另外，现有方法在光栅宽度一定的情况下，存储密度受限，基于此，有必要开发一种高空间利用率、多阶存储的可调制的图案化加工方法。
发明内容
本发明基于超快激光诱导相变材料GST表面改性光栅结构，提出了以改性光栅结构作为基本显色微纳单元的多重图案嵌套的加工方法，通过简单地调控激光偏振参数来实现光栅取向的变化，并通过二次直写实现了对已加工部分的选择性调制和擦除。本方法充分利用了超快激光对GST材料形性协同的调控作用，激发材料表面等离激元使激光能量周期性能量分布，高于相变阈值的部分发生结晶，低于相变阈值的部分保持初始非晶态，且GST与其他相变材料不同的是，晶态GST相对于非晶态体积收缩，因此超快激光可诱导GST表面形成高低交替的周期性光栅结构。通过不同的激光偏振方向对应的光栅取向，分别用于不同图案的加工，将多组图案通过嵌套的方式加工在同一平面区域，增加了信息存储量；通过改变激光偏振与直写方向相同，可加工出没有光栅结构的全晶化直写条，利用此结构对已加工区域进行二次直写，通过二次调制达到亮度信息存储的目的，增加了信息存储的维度。晶化GST可在飞秒激光单脉冲的作用下达到融化温度后快速冷却实现非晶化过程，因此可实现写入信息的重写。相对于烧蚀光栅而言，GST改性光栅的形成过程由于没有达到材料的烧蚀阈值，没有材料的喷发，且改性光栅均匀性和一致性更好，用于显色效应的效果更为优秀；相对于化学刻蚀而言，GST改性光栅没有材料的去除，可以实现可逆的结晶与非晶的转化。本方法可以在GST相变材料表面进行多级图案嵌套加工、调制和重构，可应用于多阶存储以及防伪等诸多用途。
本发明的方法通过以下技术来实现：
一种超快激光加工和调制可重构多阶图案化存储的方法，通过不同参数的飞秒激光对相变材料表面直写，实现多维图案的信息存储；通过二次直写调制部分图片信息亮度，实现多阶亮度的图案信息存储；通过单脉冲辐照重构已加工区域，实现可重写的图案信息存储。
一种超快激光加工和调制可重构多阶图案化存储的方法，具体实现方法为：
步骤一：使用飞秒激光直写加工系统，调整好激光重复频率、能量和偏振方向，设置原点，设定直写间距和加工速度，通过直写加工得到图案一，回到原点；
步骤二：调整偏振片角度，平移台向激光直写方向垂直的方向上运动二分之一的直写间距，保持其余参数不变，通过直写加工得到图案二，回到原点；
步骤三：调整偏振片角度和激光能量，通过二次直写部分的图案一实现选择性调制或擦除图案一的目的；
步骤四：调整偏振片角度和激光能量，平移台向激光直写方向垂直的方向上运动二分之一的直写间距，通过二次直写部分的图案二实现选择性调制或擦除的图案二的目的；
步骤五：调整激光能量，利用单脉冲对样品已加工区域进行辐照，使加工区域由晶态转变为非晶态，实现样品的可重构加工。
实现上述方法的装置，包括GST样品、皮秒激光器、平凸透镜、六维移动平台、调节激光能量的衰减片、调节激光偏振的半波片、用于光路搭建的反射镜、分束镜、二向色镜、shutter以及用于成像的CCD及照明光源；皮秒激光器产生的激光脉冲，经过半波片、衰减片、第一反射镜、第二反射镜、shutter之后，被二向色镜反射后经过平凸透镜聚焦后到表面，GST样品固定在六维移动平台上；照明白光源经过分束镜、二向色镜，被分束镜反射入射到成像CCD中。
所述GST样品厚度为100nm，所述平凸透镜为焦距100mm的平凸透镜，所述激光器为中心波长1064nm、脉冲宽度为9.3ps、重复频率为1000Hz的皮秒激光器。
能量的通量范围为11.91-37.35mJ/cm2，偏振片角度选择±10°及90°。
通过飞秒激光加工和调制可重构多阶图案化存储的具体加工参数为：用于产生写入图案信息的GST改性光栅的激光通量范围为：11.91-16.98mJ/cm2，所用偏振片角度的选择为：写入图案一时为10°，写入图案二时为-10°，在此范围内改性光栅宽度为不大于15微米；用于产生调制图案信息的GST全晶化条的激光通量范围为12.82-18.67mJ/cm2，所用偏振片角度为90°，在此范围内全晶化条宽度为不大于21微米，可选择不同宽度的全晶化条对已加工的图案信息进行调制；用于重构图案信息的单脉冲激光通量范围为19.26-37.35mJ/cm2。
有益效果
1、本发明的方法，扩展了超快激光加工光栅结构的应用范围，综合光栅的光学效应和微纳加工，实现了在同一区域无损地嵌套加工多个图案，并可以实现加工图案的选择性调制和重构，克服了以往材料表面光栅加工不可逆、存储信息不可更改及存储密度低的难题。本发明在防伪和信息存储等方面具有重要的应用价值。
2、本发明的方法通过超短脉冲激光在Ge2Sb2Te5(GST)材料相变阈值附近，在材料表面诱导形成光栅结构。通过对飞秒激光能量与偏振参数的准确控制，产生不同方向的改性光栅，对应于不同图案的基本像素单元，在同一平面加工多维图片信息；通过二次直写全晶化条，选择性调制已加工的图案的亮度信息；通过二次辐照单脉冲激光，选择性重构已存储信息的区域，可再次存储新的图案信息。对比现有的图案化信息存储加工方法，本发明对欲加工图案采取嵌套加工及二次调制的方法，增加了平面区域内信息存储量，同时发挥激光加工的灵活性，具有极高自由度与高加工效率。另外由于GST材料可逆相变的性能，使其结晶度能够通过激光参数人为可控，由此可以对加工图案可进行选择性重构，拓宽了其应用范围，本发明在多维图像存储以及光学防伪等方面有极其重要的应用价值。
附图说明
图1为具体实施例中，超快激光在GST相变材料上进行嵌套直写与选择性擦除光栅结构加工光路图；
图2为具体实施例中，超快激光在GST相变材料上进行嵌套直写与选择性调制和重构多阶图案存储示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本发明提出的超快激光在GST相变材料上进行嵌套直写与调制可重构图案化存储的加工光路图如图1所示。其加工光路为皮秒激光器1产生激光脉冲，激光脉冲经过半波片2、衰减片3、第一反射镜4、第二反射镜5、shutter 6之后，被二向色镜7反射后经过聚焦物镜8聚焦后到加工样品9表面，待加工样品9固定在六维移动平台10上；照明白光源11经过分束镜12、二向色镜7，被分束镜12反射入射到成像CCD13中。
实验过程中采用的激光器参数如下：中心波长为1064nm的皮秒激光器，其脉冲宽度为9.3ps，重复频率为1000Hz，光强分布为高斯形，线偏振；实验中待加工样品为GST材料(厚度为100nm)采用磁控溅射的方式镀在单晶硅(100)上。
多维图案化加工及二次调制和擦除——以嵌套加工两个图案为例，实现二维图案嵌套加工，并通过二次直写选择性调制，通过二次单脉冲辐照选择性重构。
在GST上一个区域加工两个嵌套的图案分别为图案一“BIT”和图案二“鸽子”，嵌套图案示意图见图2，具体加工步骤如下：
(1)使用飞秒激光直写加工系统，调整好激光重复频率为1000Hz、激光通量为14.75mJ/cm2、偏振片角度为10°，设置原点，设定直写间距为25μm，通过直写加工得到图案一，回到原点。
(2)调整偏振片角度为-10°，平移台向激光直写方向垂直的方向上运动12.5μm，保持其余参数不变，通过直写加工得到图案二，回到原点。
(3)调整偏振片角度为90°，激光通量为13.14mJ/cm2，保持其余参数不变，通过在已加工的“BIT”图案上二次直写图案“I”实现选择性调制“BIT”的效果，回到原点。
(4)调整偏振片角度为90°，激光通量为16.98mJ/cm2，保持其余参数不变，通过在已加工的“BIT”图案上二次直写图案“T”实现选择性擦除“BIT”的效果，回到原点。
(5)调整激光通量为36.59mJ/cm2，保持其余参数不变，利用单脉冲对样品已加工“BIT”图案上逐点二次辐照，使加工区域由晶态转变为非晶态，实现样品的可重构加工。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，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，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 (6)
1.一种超快激光加工和调制可重构多阶图案化存储的方法，其特征在于：通过不同参数的飞秒激光对相变材料表面直写，实现多维图案的信息存储；通过二次直写调制部分图片信息亮度，实现多阶亮度的图案信息存储；通过单脉冲辐照重构已加工区域，实现可重写的图案信息存储。
2.如权利要求1所述一种超快激光加工和调制可重构多阶图案化存储的方法，其特征在于：具体实现方法为：
步骤一：使用飞秒激光直写加工系统，调整好激光重复频率、能量和偏振方向，设置原点，设定直写间距和加工速度，通过直写加工得到图案一，回到原点；
步骤二：调整偏振片角度，平移台向激光直写方向垂直的方向上运动二分之一的直写间距，保持其余参数不变，通过直写加工得到图案二，回到原点；
步骤三：调整偏振片角度和激光能量，通过二次直写部分的图案一实现选择性调制或擦除图案一的目的；
步骤四：调整偏振片角度和激光能量，平移台向激光直写方向垂直的方向上运动二分之一的直写间距，通过二次直写部分的图案二实现选择性调制或擦除的图案二的目的；
步骤五：调整激光能量，利用单脉冲对样品已加工区域进行辐照，使加工区域由晶态转变为非晶态，实现样品的可重构加工。
3.实现如权利要求1或2所述方法的装置，其特征在于：包括GST样品、皮秒激光器、平凸透镜、六维移动平台、调节激光能量的衰减片、调节激光偏振的半波片、用于光路搭建的反射镜、分束镜、二向色镜、shutter以及用于成像的CCD及照明光源；皮秒激光器产生的激光脉冲，经过半波片、衰减片、第一反射镜、第二反射镜、shutter之后，被二向色镜反射后经过平凸透镜聚焦后到表面，GST样品固定在六维移动平台上；照明白光源经过分束镜、二向色镜，被分束镜反射入射到成像CCD中。
4.如权利要求3所述装置，其特征在于：所述GST样品厚度为100nm，所述平凸透镜为焦距100mm的平凸透镜，所述激光器为中心波长1064nm、脉冲宽度为9.3ps、重复频率为1000Hz的皮秒激光器。
5.如权利要求3所述装置，其特征在于：能量的通量范围为11.91-37.35mJ/cm2，偏振片角度选择±10°及90°，加工速度为500μm/s。
6.如权利要求3所述装置，其特征在于：通过飞秒激光加工和调制可重构多阶图案化存储的具体加工参数为：用于产生写入图案信息的GST改性光栅的激光通量范围为：11.91-16.98mJ/cm2，所用偏振片角度的选择为：写入图案一时为10°，写入图案二时为-10°，在此范围内改性光栅宽度为不大于15微米；用于产生调制图案信息的GST全晶化条的激光通量范围为12.82-18.67mJ/cm2，所用偏振片角度为90°，在此范围内全晶化条宽度为不大于21微米，可选择不同宽度的全晶化条对已加工的图案信息进行调制；用于重构图案信息的单脉冲激光通量范围为19.26-37.35mJ/cm2。
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