CN1758075A - 制备纳米光栅的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
一种制备纳米光栅的装置和方法，本发明的基本构思是：利用KDP晶体将一束激光倍频，形成偏振方向互相垂直两束激光。将这两束激光共光路聚焦到材料表面，在材料上形成周期纳米光栅。通过调节倍频光的能量，可以改变光栅结构的方向。本发明制备纳米光栅的装置，包括一飞秒激光器，并由沿该飞秒激光器输出的飞秒激光脉冲的光轴上依次是格兰棱镜、KDP晶体和聚焦透镜构成，所述的格兰棱镜和KDP晶体具有绕光轴旋转的调节机构。本发明的装置结构不复杂，制备方法简便，获得的光栅刻线规则，光栅面积较大，光栅方向可控。
Description
技术领域
本发明涉及激光诱导纳米结构，特别是一种制备纳米光栅的装置和方法，是一种在空气中采用两束超短脉冲激光共路垂直照射在材料表面形成周期纳米结构的加工方法。本方法适用于在半导体、透明介质块体和薄膜表面诱导规则的周期结构，制备纳米量级光栅。
背景技术
超短脉冲激光加工是一种很有前景的材料加工手段。超短脉冲能够在局部聚集很高的能量，同时产生很小的热效应，非常有利于材料的精细加工，对于一些硬脆及耐腐蚀材料的加工尤其适用。
在现有技术中，目前人们主要采用全息方法刻蚀光栅。人们用两束同频率、斜交叉的激光形成干涉，在材料表面刻蚀出周期稳定，结构规则的光栅。(参见文献：Y.Li，W.Watanabe，et.al.，Applied Physics Letters，Vol.80，P 1508，2002；S.Qu，J.Qiu，et.at.，Applied Physics Letters，Vol.84，P 2046，2004)。他们用这种方法分别在玻璃表面和内部制备了光栅。得到的光栅刻线间距较大，约为1μm，刻槽宽度随入射激光能量变化，约为300～500nm。理论上采用全息方法可以得到的最小光栅周期趋近于λ/2。
最近人们采用另一种新的制备纳米周期结构的方法(参见文献：N.Yasumaru，K.Miyazaki，J.Kiuchi，Applied Physics A，Vol.76，P 983，2003)。采用单束线偏振飞秒激光在半导体、透明材料中诱导准周期的纳米结构，它只有照射激光波长的1/5～1/10。这种准周期的结构往往出现在烧蚀坑的边缘。在文献(Y.Shimotsuma，P.G.Kazansky，et.al.，Physical Review Letters，Vol.91，P 247405，2003)中，人们采用显微物镜，把单束800nm飞秒激光聚焦于玻璃内部，在直径1μm的面积诱导出周期约140nm～320nm的纳米结构，刻槽宽度约20nm，但光栅的刻线存在一些不规则的刻线交叉。图1即是利用该方法在玻璃内部产生的光栅结构的扫描电镜背散射图。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术的不足，提供一种制备纳米光栅的装置和方法，本发明的装置应结构简单和制备方法简便，能获得光栅刻线规则，光栅面积较大，光栅方向可控的技术效果。
本发明的基本构思是：空气中，利用KDP晶体将一束激光倍频，形成偏振方向互相垂直两束激光。将这两束激光共光路聚焦到材料表面，由于倍频光电场的干涉作用，在材料上形成周期纳米光栅。通过调节倍频光的能量，可以改变光栅结构的方向。
本发明具体的技术解决方案如下：
一种制备纳米光栅的装置，其特征在于该装置包括一飞秒激光器，并由沿该飞秒激光器输出的飞秒激光脉冲的光轴上依次是格兰棱镜、KDP晶体和聚焦透镜构成，所述的格兰棱镜和KDP晶体具有绕光轴旋转的调节机构。
所述的飞秒激光器为掺钛蓝宝石激光器。
利用上述制备纳米光栅的装置制备纳米光栅的方法，包括下列步骤：
①建立一台权利要求1所述的制备纳米光栅的装置，制备样品；
②调整所述的装置的格兰棱镜和KDP晶体，形成共光路的基频光和倍频光，倍频光的偏振方向和基频光的偏振方向相互垂直，将所述的样品置于聚焦透镜的焦平面；
③在KDP晶体和聚焦透镜之间放一块对400nm波长光高反而对800nm波长光高透的反射镜，分别用两个能量计探头监测，同时调节激光器、格兰棱镜和KDP晶体，使400nm波长光和800nm波长光的能量达到所需的比值；
④撤离所述的反射镜，激光聚焦垂直照射在样品的表面，在样品的表面即形成纳米光栅。
我们知道光栅周期Λ与激光波长λ成正比关系，可表示为：
Λ＝λ/2n (1)
其中λ/2为入射倍频光波长，n表示在受激状态下的材料对于倍频光的折射率。其工作原理是：
我们知道样品介电常数的实部ε1和虚部ε2与样品折射率n和消光系数k的关系为：
ε1＝n2-k2 (2)
ε2＝2nk
介电常数的改变量与导带电子数密度的关系为：
这里εg表示材料未激发时的对倍频光的介电常数，ΔEg表示激光作用下材料带系变化，N0是价带电子数密度，ne为激发态电子的数密度，e为电子电荷，m*为电子的有效质量，me为自由电子质量，τD是电子-电子、电子-格点碰撞的时间常数，ε0是真空介电常数，ω是倍频光的角频率。
随着激发态电子数密度ne的增加，折射率n变小，光栅结构的周期略微变大。参见文献A.Borowiec and H.K.Haugen，Applied Physics Letters，Vol.82，P 4462，2003和M.Ivanov and P.Rochon，Applied Physics Letters，Vol.84，P 4511，2004。
当激光与材料作用时，由于入射倍频光和由基频光与材料作用产生的电场矢量合成共同确定光栅结构的方向。当入射倍频光能量很低时，光栅结构近似平行于基频光偏振方向；随着入射倍频光增强，光栅方向逐渐向倍频光偏振方向偏转，直至平行。
与现有的单脉冲激光制备光栅技术相比，本发明的优点是：
1、采用普通透镜聚焦，得到的光栅面积(直径10μm)远大于通过显微物镜聚焦的得到的光栅(直径1μm)，有更大的应用价值。
2、本发明的共路双脉冲法制备周期纳米结构是采用两束共路的超短脉冲激光，倍频激光能量从0.5μJ增大到1.1μJ，依然可以在整个激光照射区域形成稳定的周期纳米光栅结构，而不会在焦斑中心形成烧蚀坑。单脉冲能量略高于烧蚀阈值很容易在激光照射区域形成烧蚀坑。
3、采用本发明方法可以制备周期小(约180nm)，刻槽精细(约20nm)的光栅结构，而且光栅结构更规则。
4、采用本发明方法可以通过调节两束光的能量关系，改变光栅结构的方向。这在实际应用中会很有意义。
5、这种方法是有效的，采用这种方法我们已得到了很好的结果。
由于用全息法获得光栅周期在微米量级，与之相比较，采用我们的方法获得光栅周期更小，小于200nm。
附图说明
图1为现有的采用显微物镜聚焦单脉冲激光在玻璃内部产生的光栅结构的扫描电镜背散射图。
图2为本发明装置光路示意图。
图3为800nm和400nm飞秒激光共路双脉冲照射后ZnSe晶体表面的扫描电镜图。实线箭头和虚线箭头分别代表800nm和400nm激光的偏振方向。(b)为(a)中方框部分的放大图。
图4为光栅方向随着400nm和800nm激光能量变化的旋转示意图。
具体实施方式
先请参阅图2，图2为本发明装置光路示意图。由图可见，本发明制备纳米光栅的装置，该装置包括一飞秒激光器1，并由沿该飞秒激光器1输出的飞秒激光脉冲的光轴上依次是格兰棱镜2、KDP晶体3和聚焦透镜4构成，所述的格兰棱镜2和KDP晶体3具有绕光轴旋转的调节机构。所述的飞秒激光器1为掺钛蓝宝石激光器。
利用本发明制备纳米光栅的装置制备纳米光栅的方法，包括下列步骤：
①建立一台权利要求1所述的制备纳米光栅的装置，制备样品5；
②调整所述的装置的格兰棱镜2和KDP晶体3，形成共光路的基频光和倍频光，倍频光的偏振方向和基频光的偏振方向相互垂直，将所述的样品5置于聚焦透镜4的焦平面；
③在KDP晶体3和聚焦透镜4之间放一块对400nm波长光高反而对800nm波长光高透的反射镜，分别用两个能量计探头监测，同时调节激光器1、格兰棱镜2和KDP晶体3，使400nm波长光和800nm波长光的能量达到所需的比值；
④撤离所述的反射镜，激光聚焦垂直照射在样品5的表面，在样品5的表面即形成纳米光栅。
利用本发明装置的制备纳米光栅的过程，再举例补充说明如下：
掺钛蓝宝石激光器1发射800nm、130fs的基频光，所述的样品为ZnSe晶体，一束800nm、130fs的基频光(P偏振方向)垂直经过格兰棱镜2和KDP晶体3被分成800nm的P偏振光和400nm的S偏振光。两束光共光路经过聚焦透镜4(f＝150mm)垂直共焦于ZnSe样品5的表面。样品5表面为<100>方向，经过抛光处理。为确定照射到样品5表面两束激光能量，我们在倍频晶体3后面放置一块对波长400nm高反而对800nm高透的反射镜，分别用两个能量计探头监测，通过旋转格兰棱镜2和KDP晶体3调节激光能量，使800nm激光的能量固定于1.9μJ，而400nm激光的能量从0.5μJ到1.1μJ变化。激光器1采用1Hz，单脉冲辐射。其结果如图3所示。图中：激光能量为400nm(0.5μJ)+800nm(1.9μJ)。图3(b)为图3(a)中方框的局部放大图。实线箭头和虚线箭头分别代表800nm和400nm激光的偏振方向。从图中经观察和测试表明：在ZnSe表面整个激光照射区域，没有出现烧蚀坑，形成了一个完整的纳米光栅，光栅结构周期大约为180nm。光栅的结构比较规则，没有明显的刻线交叉现象。刻线也很细，只有10-20nm。
图4为光栅方向随着400nm和800nm激光能量比值变化而旋转变化的示意图。其中图(a)400nm(0.5μJ)+800nm(1.9μJ)；
图(b)400nm(1.0μJ)+800nm(1.9μJ)；
图(c)400nm(1.1μJ)+800nm(1.9μJ)。
表明：我们可以通过调节400nm光能量改变光栅结构的方向。即随着400nm激光能量的增加，光栅结构的方向趋向400nm光的偏振方向。
对于倍频的400nm激光，ZnSe晶体未激发时的折射率为2.9，其它参数为：ε0＝8.47，m*＝0.17，N0＝2.19×1022cm-3，τD＝1fs。当ne达到等离子体临界密度1.5×1021cm-3时，根据公式(2，3)，ZnSe折射率下降10％。根据公式(1)，基频光波长λ＝800nm，周期Λ＝154nm。这与本发明方法制备的光栅结构的周期符合得很好。
利用本发明，在整个激光照射区域形成了稳定的周期纳米光栅结构，通过调节倍频光的能量，可改变光栅结构的方向。同样，我们利用本发明，采用800nm和400nm飞秒激光辐射SiC表面，也制备了周期170nm和90nm的纳米光栅结构。这种方法还可以应用于半导体、介质块体和薄膜上的纳米周期结构的制备。
Claims (3)
1、一种制备纳米光栅的装置，其特征在于该装置包括一飞秒激光器(1)，并由沿该飞秒激光器(1)输出的飞秒激光脉冲的光轴上依次是格兰棱镜(2)、KDP晶体(3)和聚焦透镜(4)构成，所述的格兰棱镜(2)和KDP晶体(3)具有绕光轴旋转的调节机构。
2、根据权利要求1所述的制备纳米光栅的装置，其特征在于所述的飞秒激光器(1)为掺钛蓝宝石激光器。
3、利用权利要求1所述的制备纳米光栅的装置制备纳米光栅的方法，其特征在于包括下列步骤：
①建立一台权利要求1所述的制备纳米光栅的装置，制备样品(5)；
②调整所述的装置的格兰棱镜(2)和KDP晶体(3)，形成共光路的基频光和倍频光，倍频光的偏振方向和基频光的偏振方向相互垂直，将所述的样品(5)置于聚焦透镜(4)的焦平面；
③在KDP晶体(3)和聚焦透镜(4)之间放一块对400nm波长光高反而对800nm波长光高透的反射镜，分别用两个能量计探头监测，同时调节激光器(1)、格兰棱镜(2)和KDP晶体(3)，使400nm波长光和800nm波长光的能量达到所需的比值；
④撤离所述的反射镜，激光聚焦垂直照射在样品(5)的表面，在样品(5)的表面即形成纳米光栅。
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