CN115971646A - 利用超快激光制备相变材料超表面的方法及光路系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了利用超快激光制备相变材料超表面的方法及光路系统，属于激光加工技术领域，其方法包括：1)预处理待加工件；2)在待加工件表面镀相变材料膜；3)形成超快激光阵列；4)利用超快激光阵列在镀有相变材料膜的待加工件上制备超表面，形成相变材料超表面。本发明实现了利用超快激光的光束加工超表面，整个方法相比于传统的超表面加工过程，其操作简单，加工效率高，有利于超表面的进一步推广应用。

Description

利用超快激光制备相变材料超表面的方法及光路系统

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，涉及超快激光加工技术，具体为利用超快激光制备相变材料超表面的方法及光路系统。

背景技术

超表面是由大量亚波长单元在二维平面上呈周期性排布或非周期性排布而构成的人工结构阵列，能够灵活联合调控电磁波的相位、振幅、频率等特性，在偏振转换、光束偏转、全息成像等方面具有广泛的应用前景。

目前超表面的制备工艺有光刻蚀、电子束刻蚀、纳米压印、飞秒激光直写等技术，其中，光刻蚀技术加工步骤多，材料种类具有局限性；电子束刻蚀技术的产率较低，加工成本高，邻近效应显著；纳米压印技术所需的模板制作费用昂贵且其寿命有限，图形转移过程存在误差；飞秒激光直写技术可直接加工纳米级结构，加工材料不受限制，但为单点加工技术，制作周期长。由于这些技术操作复杂，阻碍了超表面的广泛应用。

发明内容

针对上述所描述的现有技术中超表面加工技术操作复杂，阻碍了超表面的广泛应用的问题，本发明提出了利用超快激光制备相变材料超表面的方法及光路系统。

本发明利用多棱锥镜对超快激光的光束进行整形后形成亚微米阵列光束，通过亚微米阵列光束制备大面积超表面结构，操作简单，加工效率高，实现了利用超快激光加工超表面；其具体技术方案如下：

利用超快激光制备相变材料超表面的方法，包括以下步骤：

1)预处理待加工件；

2)在待加工件表面镀相变材料膜；

3)形成超快激光阵列；

4)利用超快激光阵列在镀有相变材料膜的待加工件上制备超表面，形成相变材料超表面。

进一步限定，所述步骤3)具体为：

3.1)产生超快激光；

3.2)调控超快激光的脉冲能量；

3.3)对超快激光进行提升并反射；

3.4)对超快激光进行整形处理，形成超快激光阵列。

进一步限定，

所述步骤3.1)具体为：利用超快脉冲激光器产生超快激光；

所述步骤3.2)具体为：将超快激光入射至二分之一波片上，调整超快激光的偏振态，接着将超快激光入射至偏振分光镜，通过偏振分光镜将超快激光分为所需超快激光和剩余超快激光，旋转二分之一波片的角度，对所需超快激光的脉冲能量和剩余超快激光的脉冲能量进行调控；

所述步骤3.3)具体为：所需超快激光依次经过快门、第二反射镜和第三反射镜，通过第二反射镜和第三反射镜将所需超快激光提升并反射传输至多棱锥镜；

所述步骤3.4)具体为：通过多棱锥镜对所需超快激光进行整形，整形后的所需超快激光依次经过凸透镜和聚焦透镜，通过凸透镜和聚焦透镜调节所需超快激光对应脉冲周期的横向分布，形成超快激光阵列光束。

进一步限定，所述利用超快激光制备相变材料超表面的方法还包括步骤5)：对相变材料超表面利用透射光或反射光进行在线观测。

进一步限定，所述步骤5)具体为：

利用LED光源或反射光源照射待加工件上的相变材料超表面，相机通过聚焦透镜采集待加工件上的相变材料超表面对应的超表面图像，相机将超表面图像传输给显示器；

所述显示器接收超表面图像并对超表面图像进行显示，实现相变材料超表面的在线观测。

进一步限定，所述步骤还包括：

所述步骤2)具体为：利用磁控溅射技术在待加工件表面镀相变材料膜。

进一步限定，所述步骤1)中待加工件的预处理是指对待加工件的表面进行抛光处理。

根据上述的利用超快激光制备相变材料超表面的方法形成的利用超快激光制备相变材料超表面的光路系统，包括超快激光发射装置、光参数调控单元、光提升单元和光束整形单元，所述超快激光发射装置用于产生超快激光，所述光参数调控单元、光提升单元和光束整形单元自前往后依次设置在超快激光的出射光路上。

进一步限定，所述超快激光发射装置为超快脉冲激光器，所述光参数调控单元包括二分之一波片、偏振分光镜、快门和激光功率计，所述光提升单元包括第二反射镜和第三反射镜，所述光束整形单元包括多棱锥镜、凸透镜和聚焦透镜，所述超快脉冲激光器产生的超快激光经第一反射镜入射至二分之一波片，所述偏振分光镜设置在二分之一波片的光出射端，所述偏振分光镜将超快激光分为所需超快激光和剩余超快激光，所述剩余超快激光入射至激光功率计，所述所需超快激光依次经过快门、第二反射镜和第三反射镜入射至多棱锥镜，所述凸透镜和聚焦透镜自前往后依次设置在多棱锥镜的出射光路上。

进一步限定，所述利用超快激光制备相变材料超表面的光路系统还包括在线观测单元，所述在线观测单元包括LED光源、第五反射镜、相机、显示器、反射光源和平板分光镜，所述LED光源产生的光经第五反射镜反射后照射在待加工件的相变材料超表面上，所述相机通过平板分光镜或聚焦透镜采集待加工件的相变材料超表面对应的超表面图像，所述相机将采集的超表面图像传输给显示器；所述显示器接收超表面图像并对超表面图像进行显示；所述反射光源产生的光照射在平板分光镜上，所述平板分光镜设置在聚焦透镜与相机之间，所述平板分光镜产生的光照射在聚焦透镜上。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明利用超快激光制备相变材料超表面的方法，其中，超快激光是指输出激光的脉冲宽度在10^-15s至10^-12s量级，即飞秒级别或皮秒级别的脉冲激光，相较于传统的激光加工，超快激光技术能够突破衍射极限，实现纳米级结构的加工；本发明通过对超快激光的脉冲能量进行调控，调控完之后对超快激光进行整形，将超快激光整形成为超快激光阵列光束，利用超快激光阵列光束照射待加工件，在待加工件上形成超表面。本发明实现了利用超快激光的光束加工超表面，整个方法相比于传统的超表面加工工艺而言，具有无掩膜、适用材料范围广、单次直写面阵结构等优势，其操作简单，加工效率高，有利于超表面的进一步推广应用。

2、本发明通过多棱锥镜对超快激光的光束进行整形后形成亚微米阵列光束(超快激光阵列光束为亚微米阵列光束)，通过调节亚微米阵列光束的脉冲周期制备大面积超表面结构，本发明为单次加工，加工效率极高。

3、本发明还设置了观测单元，通过观测单元采集超表面图像，并对超表面图像进行放大观察，方便了对制备的超表面进行实时观察。

附图说明

图1为本发明利用超快激光制备相变材料超表面的光路系统示意图；

图2为超快激光制备的凸起阵列结构示意图；

图3为超快激光制备的凹陷阵列结构示意图；

图4为棱锥镜、凸透镜、聚焦透镜和待加工件之间的位置关系示意图；

其中，1-超快脉冲激光器，2-第一反射镜，3-二分之一波片，4-偏振分光镜，5-快门，6-激光功率计，7-第二反射镜，8-第三反射镜，9-多棱锥镜，10-凸透镜，11-第四反射镜，12-聚焦透镜，13-待加工件，14-三维载物台，15-LED光源，16-第五反射镜，17-相机，18-显示器，19-反射光源，20-平板分光镜。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的技术方案进行进一步的解释说明，但本发明并不限于以下说明的实施方式。

实施例1

本实施例利用超快激光制备相变材料超表面的方法，其包括以下步骤：

1)预处理待加工件13；具体的，待加工件13的预处理是指对待加工件13的表面进行抛光处理，本实施例的待加工件13为石英玻璃、蓝宝石或硅片，将待加工件13的表面抛光至表面粗糙度低于2nm，如石英玻璃、蓝宝石抛光至粗糙度为2nm，硅片抛光至粗糙度为0.5nm。

2)在待加工件13表面镀相变材料膜；

3)形成超快激光阵列；

4)利用超快激光阵列在镀有相变材料膜的待加工件13上制备超表面，形成相变材料超表面。

实施例2

本实施例利用超快激光制备相变材料超表面的方法，其在实施例1的基础上，步骤3)具体为：

3.1)产生超快激光；进一步具体的：利用超快脉冲激光器1产生超快激光；

3.2)调控超快激光的脉冲能量；进一步具体的：将超快激光入射至二分之一波片3上，调整超快激光的偏振态，接着将超快激光入射至偏振分光镜4，通过偏振分光镜4将超快激光分为所需超快激光和剩余超快激光，调整二分之一波片3的角度，对所需超快激光的脉冲能量和剩余超快激光的脉冲能量进行调控；

3.3)对超快激光进行提升并反射；进一步具体的：所需超快激光依次经过快门5、第二反射镜7和第三反射镜8，通过第二反射镜7和第三反射镜8将所需超快激光提升并反射传输至多棱锥镜9；本实施例中所需超快激光提升是指提高所需超快激光的高度；

3.4)对超快激光进行整形处理，形成超快激光阵列；进一步具体的：通过多棱锥镜9对所需超快激光进行整形，整形后的所需超快激光依次经过凸透镜10和聚焦透镜12，通过凸透镜10和聚焦透镜12调节所需超快激光对应脉冲周期的横向分布，形成超快激光阵列光束。

本实施例中超快激光阵列光束的脉冲周期调节过程为：

参见图4，设定多棱锥镜9的锥角为θ₁，凸透镜10的焦距为f₁，聚焦透镜12的焦距为f₂，凸透镜10与聚焦透镜12之间的距离为f₁+0.5*L₀，L₀为一级无衍射区长度，其值为L₀＝W₀/tan(arcsin(n*sinθ₁)-θ₁)，式中，n为多棱锥镜9的折射率，W₀为所需超快激光的激光半径，凸透镜10与聚焦透镜12之间的距离等于两者的焦距之和，即f₁+f₂，聚焦透镜12与待加工件13之间的距离为f₂左右，由于整形激光束经过聚焦透镜12后的焦点位置与凸透镜10的焦距存在一定偏差，通过调整聚焦透镜12和待加工件13间的距离，不断减小作用激光能量，直到采用最小能量仅在某一间距下可以加工出微结构，该距离即为聚焦透镜12与待加工件13间的距离f2’；

所需超快激光经过不同棱数的多棱锥镜9，会得到不同的超快激光阵列光束，例如：所需超快激光经过二棱锥得到的超快激光阵列光束是条状结构，所需超快激光经过三棱锥得到的超快激光阵列光束是正六边形结构，所需超快激光经过四棱锥得到的超快激光阵列光束是正方形结构阵列；若所需超快激光经过四棱锥，则最终聚焦到待加工件13上的超快激光阵列光束的脉冲周期T₁为：

式中，λ为超快激光波长，单位为μm；f₁为凸透镜10的焦距，单位为mm；f₂为聚焦透镜12的焦距，单位为mm；n为多棱锥镜9的折射率；θ₁为多棱锥镜9的锥角，单位为°。

若所需超快激光经过三棱锥，则最终聚焦到待加工件13上的超快激光阵列光束的脉冲周期T₂为：

式中，λ为超快激光波长，单位为μm；f₁为凸透镜10的焦距，单位为mm；f₂为聚焦透镜12的焦距，单位为mm；n为多棱锥镜9的折射率；θ₁为多棱锥镜9的锥角，单位为°。由此可以看出，所需超快激光的波长、脉冲宽度、重复频率共同影响着超快激光阵列光束的脉冲周期；参见图2，以待加工件13为硅片为例，若所需超快激光的波长为800nm，脉冲宽度为40fs，超快激光阵列光束中的每一个子光束对应的脉冲能量密度为7mJ/cm²，能够加工出周期性阵列凸起结构的超表面；参见图3，以待加工件13为石英玻璃为例，若所需超快激光的波长为800nm，脉冲宽度为50fs，超快激光阵列光束中的每一个子光束对应的脉冲能量密度为50mJ/cm²，能够加工出周期性阵列凹陷结构的超表面。

其余均与实施例1相同的。

实施例3

本实施例利用超快激光制备相变材料超表面的方法，其在实施例2的基础上，其步骤还包括步骤5)：对相变材料超表面利用透射光或反射光进行在线观测。

步骤5)具体为：利用LED光源15或反射光源19照射待加工件13上的相变材料超表面，相机17通过聚焦透镜12或平板分光镜20采集待加工件13上的相变材料超表面对应的超表面图像，相机17将超表面图像传输给显示器18；

显示器18接收超表面图像并对超表面图像进行显示，实现相变材料超表面的在线观测。

步骤2)具体为：利用磁控溅射技术在待加工件13表面镀相变材料膜；具体的，利用磁控溅射在常温条件下给周期性阵列凸起结构的超表面或周期性阵列凹陷结构的超表面镀相变材料膜，在待加工件13上形成相变材料超表面。

实施例4

本实施例利用超快激光制备相变材料超表面的光路系统，其是基于实施例3的利用超快激光制备相变材料超表面的方法形成的，包括超快激光发射装置、光参数调控单元、光提升单元和光束整形单元，超快激光发射装置用于产生超快激光，光参数调控单元、光提升单元和光束整形单元自前往后依次设置在超快激光的出射光路上。

参见图1，超快激光发射装置为超快脉冲激光器1，光参数调控单元包括二分之一波片3、偏振分光镜4、快门5和激光功率计6，光提升单元包括第二反射镜7和第三反射镜8，光束整形单元包括多棱锥镜9、凸透镜10和聚焦透镜12，超快脉冲激光器1产生的超快激光经第一反射镜2入射至二分之一波片3，偏振分光镜4设置在二分之一波片3的光出射端，偏振分光镜4将超快激光分为所需超快激光和剩余超快激光，剩余超快激光入射至激光功率计6，所需超快激光依次经过快门5、第二反射镜7和第三反射镜8入射至多棱锥镜9，凸透镜10和聚焦透镜12自前往后依次设置在多棱锥镜9的出射光路上，将待加工件13置于三维载物台14，该三维载物台14是光学器件中常用的载物台，可沿X方向、Y方向和Z方向移动，属于市售产品；聚焦透镜12出射的超快激光阵列光束照射待加工件13，在待加工件13上制备超表面。本实施例的光提升单元是指提高超快激光的高度。

优选的，本实施例的光束整形单元还包括第四反射镜11，第四反射镜11设置在凸透镜10与聚焦透镜12之间，具体的，凸透镜10、第四反射镜11和聚焦透镜12自前往后依次设置在多棱锥镜9的出射光路上。

本实施例利用超快激光制备相变材料超表面的光路系统还包括在线观测单元，在线观测单元包括LED光源15、第五反射镜16、相机17、显示器18、反射光源19和平板分光镜20，LED光源15产生的光经第五反射镜16反射后照射在待加工件13的相变材料超表面上，相机17通过平板分光镜20或聚焦透镜12采集待加工件13的相变材料超表面对应的超表面图像并将采集的超表面图像传输给显示器18；显示器18接收超表面图像并对超表面图像进行显示；反射光源19产生的光照射在平板分光镜20上，平板分光镜20设置在聚焦透镜12与相机17之间。在使用时，打开LED光源15，LED光源15产生的光经第五反射镜16反射后照射在待加工件13的相变材料超表面上，相机17通过聚焦透镜12采集待加工件13的相变材料超表面对应的超表面图像并将采集的超表面图像传输给显示器18。或者打开反射光源19，反射光源19产生的光照射在平板分光镜20上，平板分光镜20产生的光照射在聚焦透镜12上，并通过聚焦透镜12使得待加工件13的相变材料超表面显像，相机17通过平板分光镜20采集待加工件13的相变材料超表面对应的超表面图像并将采集的超表面图像传输给显示器18。本实施例中的反射光源19也是有LED等产生的光源。

Claims (10)

1.利用超快激光制备相变材料超表面的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)预处理待加工件(13)；

2)在待加工件(13)表面镀相变材料膜；

3)形成超快激光阵列；

4)利用超快激光阵列在镀有相变材料膜的待加工件(13)上制备超表面，形成相变材料超表面。

2.如权利要求1所述的利用超快激光制备相变材料超表面的方法，其特征在于，所述步骤3)具体为：

3.1)产生超快激光；

3.2)调控超快激光的脉冲能量；

3.3)对超快激光进行提升并反射；

3.4)对超快激光进行整形处理，形成超快激光阵列。

3.如权利要求2所述的利用超快激光制备相变材料超表面的方法，其特征在于，

所述步骤3.1)具体为：利用超快脉冲激光器(1)产生超快激光；

所述步骤3.2)具体为：将超快激光入射至二分之一波片(3)上，调整超快激光的偏振态，接着将超快激光入射至偏振分光镜(4)，通过偏振分光镜(4)将超快激光分为所需超快激光和剩余超快激光，旋转二分之一波片(3)的角度，对所需超快激光的脉冲能量和剩余超快激光的脉冲能量进行调控；

所述步骤3.3)具体为：所需超快激光依次经过快门(5)、第二反射镜(7)和第三反射镜(8)，通过第二反射镜(7)和第三反射镜(8)将所需超快激光提升并反射传输至多棱锥镜(9)；

所述步骤3.4)具体为：通过多棱锥镜(9)对所需超快激光进行整形，整形后的所需超快激光依次经过凸透镜(10)和聚焦透镜(12)，通过凸透镜(10)和聚焦透镜(12)调节所需超快激光对应脉冲周期的横向分布，形成超快激光阵列光束。

4.如权利要求2或3所述的利用超快激光制备相变材料超表面的方法，其特征在于，所述利用超快激光制备相变材料超表面的方法还包括步骤5)：对相变材料超表面利用透射光或反射光进行在线观测。

5.如权利要求4所述的利用超快激光制备相变材料超表面的方法，其特征在于，所述步骤5)具体为：

利用LED光源(15)或反射光源(19)照射待加工件(13)上的相变材料超表面，相机(17)通过聚焦透镜(12)采集待加工件(13)上的相变材料超表面对应的超表面图像，相机(17)将超表面图像传输给显示器(18)；

所述显示器(18)接收超表面图像并对超表面图像进行显示，实现相变材料超表面的在线观测。

6.如权利要求1所述的利用超快激光制备相变材料超表面的方法，其特征在于，所述步骤2)具体为：利用磁控溅射技术在待加工件(13)表面镀相变材料膜。

7.如权利要求1所述的利用超快激光制备相变材料超表面的方法，其特征在于，所述步骤1)中待加工件(13)的预处理是指对待加工件(13)的表面进行抛光处理。

8.根据权利要求5所述的利用超快激光制备相变材料超表面的方法形成的利用超快激光制备相变材料超表面的光路系统，其特征在于，包括超快激光发射装置、光参数调控单元、光提升单元和光束整形单元，所述超快激光发射装置用于产生超快激光，所述光参数调控单元、光提升单元和光束整形单元自前往后依次设置在超快激光的出射光路上。

9.如权利要求8所述的利用超快激光制备相变材料超表面的光路系统，其特征在于，所述超快激光发射装置为超快脉冲激光器(1)，所述光参数调控单元包括二分之一波片(3)、偏振分光镜(4)、快门(5)和激光功率计(6)，所述光提升单元包括第二反射镜(7)和第三反射镜(8)，所述光束整形单元包括多棱锥镜(9)、凸透镜(10)和聚焦透镜(12)，所述超快脉冲激光器(1)产生的超快激光经第一反射镜(2)入射至二分之一波片(3)，所述偏振分光镜(4)设置在二分之一波片(3)的光出射端，所述偏振分光镜(4)将超快激光分为所需超快激光和剩余超快激光，所述剩余超快激光入射至激光功率计(6)，所述所需超快激光依次经过快门(5)、第二反射镜(7)和第三反射镜(8)入射至多棱锥镜(9)，所述凸透镜(10)和聚焦透镜(12)自前往后依次设置在多棱锥镜(9)的出射光路上。

10.如权利要求8所述的利用超快激光制备相变材料超表面的光路系统，其特征在于，所述利用超快激光制备相变材料超表面的光路系统还包括在线观测单元，所述在线观测单元包括LED光源(15)、第五反射镜(16)、相机(17)、显示器(18)、反射光源(19)和平板分光镜(20)，所述LED光源(15)产生的光经第五反射镜(16)反射后照射在待加工件(13)的相变材料超表面上，所述相机(17)通过平板分光镜(20)或聚焦透镜(12)采集待加工件(13)的相变材料超表面对应的超表面图像，所述相机(17)将采集的超表面图像传输给显示器(18)；所述显示器(18)接收超表面图像并对超表面图像进行显示；所述反射光源(19)产生的光照射在平板分光镜(20)上，所述平板分光镜(20)设置在聚焦透镜(12)与相机(17)之间，所述平板分光镜(20)产生的光照射在聚焦透镜(12)上。

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