一種飛秒激光誘導材料表面二維周期性結構的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及激光應用領域，尤其涉及一種飛秒激光誘導材料表面二維周期性結構的方法。本發(fā)明的方法，采用飛秒激光器產(chǎn)生近紅外飛秒激光單脈沖，利用飛秒激光光學參量放大器將近紅外飛秒激光單脈沖的波長調(diào)節(jié)在290-2600nm的范圍內(nèi)，然后利用邁克爾遜干涉儀結構的光路把激光單脈沖調(diào)制為偏振方向垂直的激光雙脈沖，再利用連續(xù)衰減片調(diào)整激光雙脈沖總能量不低于被加工樣品的燒蝕閾值；之后調(diào)整光路使變波長垂直偏振雙脈沖通過平凸透鏡后沿垂直方向聚焦，移動待加工樣品使激光焦點位于樣品的上表面；最后控制待加工樣品以設定的速度水平運動，即可在樣品表面掃描出二維周期性結構。本發(fā)明能夠在材料表面誘導出各種亞波長尺寸的均勻的二維周期性結構。
【專利說明】一種飛秒激光誘導材料表面二維周期性結構的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及激光應用領域，尤其涉及一種飛秒激光誘導材料表面二維周期性結構的方法。
【背景技術】
[0002]激光誘導材料表面周期性結構具有防光反射和高疏水性等特點，在有機發(fā)光二極管、太陽能電池、自清潔表面等領域都有著廣泛的應用。飛秒激光可以誘導出亞波長的周期性條紋結構，其周期方向與激光偏振方向互相垂直，然而通常情況下這種結構是一維的。在文獻 M.Huang, F.L.Zhao, T.Q.Jia, Y.Cheng, N.S.Xu, and Z.Z Xu: Nanotechnology.18, 505301(2007)中，作者使用圓偏振光在ZnO表面制成了二維納米顆粒結構；在文獻T.H.Her，R.J.Finlay, C.ffu, S.Deliwala, and E.Mazur: App1.Phys.Lett.73, 1673 (1998)中，作者將樣品Si放置于氣體環(huán)境Cl2和SF6條件下加工，得到了二維的圓柱以及圓錐結構，然而這些結構都是排布不規(guī)則的或者以一種自組織的方式形成于材料表面。雖然在文獻T.Kondo, S.Matsuo, S.Juodkazis, V.Mizeikis, and H.Misawa:Appl.Phys.Lett.82, 2758 (2003)中，作者使用多光束干涉的方法得到了均勻排布的二維周期結構，但是這種方法需要調(diào)節(jié)光學延遲來保證兩束光在時間和空間上嚴格相干。當要實現(xiàn)多束飛秒激光干涉時，上述裝置的光路將更加復雜，更難于調(diào)節(jié)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003]本發(fā)明的目的是為了克服無法使用簡單有效的方式獲得均勻而且具有規(guī)則幾何形貌的二維納米結構的不足，提供一種通過偏振方向垂直的飛秒激光雙脈沖的技術來制備表面二維周期性結構的方法，該方法同時改變?nèi)肷浼す獠ㄩL，繼而在材料上獲得各種亞波長尺寸的表面二維周期性結構。
[0004]本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來實現(xiàn)的:
[0005]本發(fā)明的一種飛秒激光誘導材料表面二維周期性結構的方法，所述方法包括以下步驟:
[0006]步驟I)采用飛秒激光器產(chǎn)生近紅外飛秒激光單脈沖，利用飛秒激光光學參量放大器將近紅外飛秒激光單脈沖的波長調(diào)節(jié)在290-2600nm的范圍內(nèi)，然后利用邁克爾遜干涉儀結構的光路把激光單脈沖調(diào)制為偏振方向垂直的激光雙脈沖，再利用連續(xù)衰減片調(diào)整激光雙脈沖總能量不低于被加工樣品的燒蝕閾值；
[0007]步驟2)調(diào)整光路使步驟I)中所得到的變波長垂直偏振雙脈沖通過平凸透鏡后沿垂直方向聚焦，移動待加工樣品使激光焦點位于樣品的上表面；
[0008]步驟3)控制待加工樣品以設定的速度水平運動，即可在樣品表面掃描出二維周期性結構。
[0009]進一步的，步驟I)中，雙脈沖序列兩個子脈沖之間的延時時間大于20ps。
[0010]進一步的，步驟2)中，借助CXD和白光光源實現(xiàn)樣品的上表面成像并用以檢測激光聚焦。
[0011]進一步的，步驟3)中，待加工樣品的移動速度為200-1000 μ m/s。
[0012]進一步的,步驟3)中,可以使用氮氣吹走材料表面噴派出來的碎屑。
[0013]有益效果:
[0014]本發(fā)明通過改變?nèi)肷浼す獠ㄩL，并利用偏振方向垂直的雙脈沖序列，與傳統(tǒng)的飛秒激光只能加工出一維周期性結構相比，能夠在材料表面誘導出各種亞波長尺寸的均勻的二維周期性結構。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明飛秒激光變波長垂直偏振雙脈沖加工方法的光路圖。
[0016]其中，1-飛秒激光器；2_光學參量放大器；3_連續(xù)衰減片；4_第一光闌、7-第二光闌；13_第三光闌；5_偏振分光棱鏡；6_偏振合光棱鏡；8_第一反射鏡、9-第二反射鏡；10-第三反射鏡；11-第四反射鏡；12-機械平移臺；14-光纖光譜儀；15_自相關儀；16_光學快門；17_光學快門控制系統(tǒng)；18_ 二向色鏡；19_平凸透鏡；20_樣品；21_移動平臺；
22-移動平臺控制系統(tǒng)；23_白光光源；24-CCD ;25_氮氣。
[0017]圖2是本發(fā)明實施例所述的在Ge材料表面誘導的一維周期結構。
[0018]圖3是本發(fā)明實施例所述的在Ge材料表面誘導的二維周期的圓錐結構。
[0019]圖4是本發(fā)明實施例所述的在ZnO材料表面誘導的一維周期結構。
[0020]圖5是本發(fā)明實施例所述的在ZnO材料表面誘導的二維周期的方塊結構。
【具體實施方式】
[0021 ] 下面結合附圖和實施例對本發(fā)明的內(nèi)容作進一步說明。
[0022]實施例1:
[0023]以采用本發(fā)明的飛秒激光變波長垂直偏振雙脈沖加工方法，在Ge材料表面誘導二維周期的圓錐結構為例，具體應用設備如下:
[0024]飛秒激光系統(tǒng)I是美國光譜物理(Spectrum Physics)公司生產(chǎn)的激光器，激光波長800nm，脈沖寬度50fs，重復頻率IKHz，單脈沖最大能量3mJ，光強分布為高斯型，線偏振。
[0025]光學參量放大器2為美國Light Conversion公司生產(chǎn)的T0PAS-C，可以將800nm的飛秒激光脈沖在290-2600nm波長范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)精度為0.lnm。
[0026]邁克爾遜干涉儀結構組成部分包括:偏振分光棱鏡5,偏振合光棱鏡6,第一反射鏡8，第二反射鏡9，第三反射鏡10，第四反射鏡11，機械平移臺12。通過調(diào)節(jié)機械平移臺12的移動距離可以改變兩個子脈沖間的延時。其中，機械平移臺12調(diào)節(jié)范圍為±25mm，調(diào)整精度為2um，則雙脈沖延時調(diào)整范圍為O — 83ps (首尾子脈沖最大間隔時間)，延時調(diào)節(jié)精度為6.6fs。
[0027]連續(xù)衰減片3為大恒光電GCC-3030圓形中性密度漸變?yōu)V光片，在可見光到紅外光區(qū)內(nèi)可通過調(diào)整鏡片的旋轉角度，改變吸收/反射光與透射光的比例來改變光衰減的大小，激光能量調(diào)節(jié)范圍為1% — 90%。
[0028]移動平臺21為PI公司生產(chǎn)的HEXAPOD六自由度并聯(lián)微運動機器人，在XY方向的移動精度為1-3 μ m，Z方向的移動精度為0.5-1 μ m，重復定位精度小于I μ m。[0029]具體加工步驟如下:
[0030](I)利用飛秒激光器I產(chǎn)生SOOnm飛秒激光脈沖；關閉光學參量放大器2，不對激光波長作任何改變；激光脈沖穿過光闌4進入偏振分光棱鏡5后分為兩束偏振方向垂直的子脈沖光，其中反射光為S偏振光,透射光為P偏振光；3偏振光穿過光闌7經(jīng)由第一反射鏡8、第二反射鏡9反射，P偏振光經(jīng)由安裝在機械平移臺12上的第三反射鏡10、第四反射鏡11反射，之后兩束子脈沖光通過偏振合光棱鏡6合束，再通過光闌13對雙脈沖光進行準直和限高；其中手動控制機械平移臺12的移動距離，使兩束子脈沖在合光棱鏡處的光程差為12mm，即兩個子脈沖間的延時時間為40ps，延時零點由自相關儀15確認；再利用連續(xù)衰減片3調(diào)整雙脈沖光到達加工處的脈沖總能量為1.4μ J ;
[0031](2)將飛秒激光垂直偏振雙脈沖穿過光學快門16、并通過二向色鏡18沿垂直方向反射到物鏡19中聚焦；待加工樣品20水平固定在移動平臺21上；借助CCD24和白光光源23成像，通過平臺控制系統(tǒng)22移動移動平臺21使激光焦點位于水平放置的樣品20的上表面，聚焦后的光斑半徑為15.1 μ m，能量密度約為0.39J/cm2 ；
[0032](3)利用光學快門控制系統(tǒng)17打開光學快門16 ;之后通過平臺控制系統(tǒng)22控制移動平臺21以200 μ m/s的速度水平運動，即可在樣品20表面掃描出呈六邊形分布的(如圖3所示)，其底部直徑為350-450nm，高度為60_70nm，周期間隔為0.9-1 μ m,加工過程中使用氮氣25吹走材料表面噴濺出來的碎屑，確保加工過后的結構表面干凈整潔。
[0033]實施例2:
[0034]其他步驟與實施例1相同，不同之處在于:步驟(I)中通過光學參量放大器2調(diào)節(jié)激光波長為620nm，其中波長調(diào)節(jié)精度由光纖光譜儀14校正；二維周期的圓錐結構的周期間隔變?yōu)?700-780nm。
[0035]實施例3:
[0036]其他步驟與實施例1相同，不同之處在于:步驟(I)中通過光學參量放大器2調(diào)節(jié)激光波長為lOOOnm，其中波長調(diào)節(jié)精度由光纖光譜儀14校正；二維周期的圓錐結構的周期間隔變?yōu)?1.1-1.25 μ m。
[0037]實施例4:
[0038]以采用本發(fā)明的飛秒激光變波長垂直偏振雙脈沖加工方法，在ZnO材料表面誘導二維周期的方塊結構為例，具體應用設備如下:
[0039]飛秒激光系統(tǒng)I是美國光譜物理(Spectrum Physics)公司生產(chǎn)的激光器，激光波長800nm，脈沖寬度50fs，重復頻率IKHz，單脈沖最大能量3mJ，光強分布為高斯型，線偏振。
[0040]光學參量放大器2為美國Light Conversion公司生產(chǎn)的T0PAS-C，可以將800nm的飛秒激光脈沖在290-2600nm波長范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)精度為0.lnm。
[0041]邁克爾遜干涉儀結構組成部分包括:偏振分光棱鏡5,偏振合光棱鏡6,第一反射鏡8，第二反射鏡9，第三反射鏡10，第四反射鏡11，機械平移臺12。通過調(diào)節(jié)機械平移臺12的移動距離可以改變兩個子脈沖間的延時。其中，機械平移臺12調(diào)節(jié)范圍為±25mm，調(diào)整精度為2um，則雙脈沖延時調(diào)整范圍為O — 83ps (首尾子脈沖最大間隔時間)，延時調(diào)節(jié)精度為6.6fs。
[0042]連續(xù)衰減片3為大恒光電GCC-3030圓形中性密度漸變?yōu)V光片，在可見光到紅外光區(qū)內(nèi)可通過調(diào)整鏡片的旋轉角度，改變吸收/反射光與透射光的比例來改變光衰減的大小，激光能量調(diào)節(jié)范圍為1% — 90%。
[0043]移動平臺21為PI公司生產(chǎn)的HEXAPOD六自由度并聯(lián)微運動機器人，在XY方向的移動精度為1-3 μ m，Z方向的移動精度為0.5-1 μ m，重復定位精度小于I μ m。
[0044]具體加工步驟如下:
[0045](I)利用飛秒激光器I產(chǎn)生SOOnm飛秒激光脈沖；關閉光學參量放大器2，不對激光波長作任何改變；激光脈沖穿過光闌4進入偏振分光棱鏡5后分為兩束偏振方向垂直的子脈沖光，其中反射光為S偏振光,透射光為P偏振光；3偏振光穿過光闌7經(jīng)由第一反射鏡8、第二反射鏡9反射，P偏振光經(jīng)由安裝在機械平移臺12上的第三反射鏡10、第四反射鏡11反射，之后兩束子脈沖光通過偏振合光棱鏡6合束，再通過光闌13對雙脈沖光進行準直和限高；其中手動控制機械平移臺12的移動距離，使兩束子脈沖在合光棱鏡處的光程差為12mm，即兩個子脈沖間的延時時間為40ps，延時零點由自相關儀15確認；再利用連續(xù)衰減片3調(diào)整雙脈沖光到達加工處的脈沖總能量為10 μ J ;
[0046](2)將飛秒激光垂直偏振雙脈沖穿過光學快門16、并通過二向色鏡18沿垂直方向反射到物鏡19中聚焦；待加工樣品20水平固定在移動平臺21上；借助CCD24和白光光源23成像，通過平臺控制系統(tǒng)22移動移動平臺21使激光焦點位于水平放置的樣品20的上表面，聚焦后的光斑半徑為15.1 μ m,能量密度約為2.8J/cm2 ；
[0047](3)利用光學快門控制系統(tǒng)17打開光學快門16 ;之后通過平臺控制系統(tǒng)22控制移動平臺21以500 μ m/s的速度水平運動，即可在樣品20表面掃描出尺寸均勻的二維周期的方塊結構(如圖5所示)，其周期間隔為250-350nm。加工過程中使用氮氣25吹走材料表面噴濺出來的碎屑，確保加工過后的結構表面干凈整潔；
[0048]實施例5:
[0049]其他步驟與實施例4相同，不同之處在于:步驟(I)中通過光學參量放大器2調(diào)節(jié)激光波長為620nm，其中波長調(diào)節(jié)精度由光纖光譜儀14校正；二維周期的方塊結構的周期間隔變?yōu)?190-270nm。
[0050]實施例6:
[0051]其他步驟與實施例4相同，不同之處在于:步驟(I)中通過光學參量放大器2調(diào)節(jié)激光波長為lOOOnm，其中波長調(diào)節(jié)精度由光纖光譜儀14校正；二維周期的方塊結構的周期間隔變?yōu)?310-430nm。
[0052]實施例7:
[0053]以采用本發(fā)明的飛秒激光變波長垂直偏振雙脈沖加工方法，在Si材料表面誘導二維周期的方塊結構為例，具體應用設備如下:
[0054]飛秒激光系統(tǒng)I是美國光譜物理(Spectrum Physics)公司生產(chǎn)的激光器，激光波長800nm，脈沖寬度50fs，重復頻率IKHz，單脈沖最大能量3mJ，光強分布為高斯型，線偏振。
[0055]光學參量放大器2為美國Light Conversion公司生產(chǎn)的T0PAS-C，可以將800nm的飛秒激光脈沖在290-2600nm波長范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)精度為0.lnm。
[0056]邁克爾遜干涉儀結構組成部分包括:偏振分光棱鏡5,偏振合光棱鏡6,第一反射鏡8，第二反射鏡9，第三反射鏡10，第四反射鏡11，機械平移臺12。通過調(diào)節(jié)機械平移臺12的移動距離可以改變兩個子脈沖間的延時。其中，機械平移臺12調(diào)節(jié)范圍為±25mm，調(diào)整精度為2um，則雙脈沖延時調(diào)整范圍為O — 83ps (首尾子脈沖最大間隔時間)，延時調(diào)節(jié)精度為6.6fs。
[0057]連續(xù)衰減片3為大恒光電GCC-3030圓形中性密度漸變?yōu)V光片，在可見光到紅外光區(qū)內(nèi)可通過調(diào)整鏡片的旋轉角度，改變吸收/反射光與透射光的比例來改變光衰減的大小，激光能量調(diào)節(jié)范圍為1% — 90%。
[0058]移動平臺21為PI公司生產(chǎn)的HEXAPOD六自由度并聯(lián)微運動機器人，在XY方向的移動精度為1-3 μ m，Z方向的移動精度為0.5-1 μ m，重復定位精度小于I μ m。
[0059]具體加工步驟如下:
[0060](I)利用飛秒激光器I產(chǎn)生SOOnm飛秒激光脈沖；關閉光學參量放大器2，不對激光波長作任何改變；激光脈沖穿過光闌4進入偏振分光棱鏡5后分為兩束偏振方向垂直的子脈沖光，其中反射光為S偏振光,透射光為P偏振光；3偏振光穿過光闌7經(jīng)由第一反射鏡8、第二反射鏡9反射，P偏振光經(jīng)由安裝在機械平移臺12上的第三反射鏡10、第四反射鏡11反射，之后兩束子脈沖光通過偏振合光棱鏡6合束，再通過光闌13對雙脈沖光進行準直和限高；其中手動控制機械平移臺12的移動距離，使兩束子脈沖在合光棱鏡處的光程差為12mm，即兩個子脈沖間的延時時間為40ps，延時零點由自相關儀15確認；再利用連續(xù)衰減片3調(diào)整雙脈沖光到達加工處的脈沖總能量為0.8 μ J ;
[0061](2)將飛秒激光垂直偏振雙脈沖穿過光學快門16、并通過二向色鏡18沿垂直方向反射到物鏡19中聚焦；待加工樣品20水平固定在移動平臺21上；借助CCD24和白光光源23成像，通過平臺控制系統(tǒng)22移動移動平臺21使激光焦點位于水平放置的樣品20的上表面，聚焦后的光斑半徑為15.1 μ m，能量密度約為0.23J/cm2 ；
[0062](3)利用光學快門控制系統(tǒng)17打開光學快門16 ;之后通過平臺控制系統(tǒng)22控制移動平臺21以500 μ m/s的速度水平運動，即可在樣品20表面掃描出尺寸均勻的二維周期的方塊結構，其周期間隔為560-770nm。加工過程中使用氮氣25吹走材料表面噴濺出來的碎屑，確保加工過后的結構表面干凈整潔；
[0063]實施例8:
[0064]其他步驟與實施例7相同，不同之處在于:步驟(I)中通過光學參量放大器2調(diào)節(jié)激光波長為620nm，其中波長調(diào)節(jié)精度由光纖光譜儀14校正；二維周期的方塊結構的周期間隔變?yōu)?430-590nm。
[0065]實施例9:
[0066]其他步驟與實施例7相同，不同之處在于:步驟(I)中通過光學參量放大器2調(diào)節(jié)激光波長為lOOOnm，其中波長調(diào)節(jié)精度由光纖光譜儀14校正；二維周期的方塊結構的周期間隔變?yōu)?690-960nm。
[0067]實施例10:
[0068]以采用本發(fā)明的飛秒激光變波長垂直偏振雙脈沖加工方法，在GaP材料表面誘導二維周期的方塊結構為例，具體應用設備如下:
[0069]飛秒激光系統(tǒng)I是美國光譜物理(Spectrum Physics)公司生產(chǎn)的激光器,激光波長800nm，脈沖寬度50fs，重復頻率IKHz，單脈沖最大能量3mJ，光強分布為高斯型，線偏振。
[0070]光學參量放大器2為美國Light Conversion公司生產(chǎn)的T0PAS-C，可以將800nm的飛秒激光脈沖在290-2600nm波長范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)精度為0.lnm。
[0071]邁克爾遜干涉儀結構組成部分包括:偏振分光棱鏡5,偏振合光棱鏡6,第一反射鏡8，第二反射鏡9，第三反射鏡10，第四反射鏡11，機械平移臺12。通過調(diào)節(jié)機械平移臺12的移動距離可以改變兩個子脈沖間的延時。其中，機械平移臺12調(diào)節(jié)范圍為±25mm，調(diào)整精度為2um，則雙脈沖延時調(diào)整范圍為O — 83ps (首尾子脈沖最大間隔時間)，延時調(diào)節(jié)精度為6.6fs。
[0072]連續(xù)衰減片3為大恒光電GCC-3030圓形中性密度漸變?yōu)V光片，在可見光到紅外光區(qū)內(nèi)可通過調(diào)整鏡片的旋轉角度，改變吸收/反射光與透射光的比例來改變光衰減的大小，激光能量調(diào)節(jié)范圍為1% — 90%。
[0073]移動平臺21為PI公司生產(chǎn)的HEXAPOD六自由度并聯(lián)微運動機器人，在XY方向的移動精度為1-3 μ m，Z方向的移動精度為0.5-1 μ m，重復定位精度小于I μ m。
[0074]具體加工步驟如下:
[0075](I)利用飛秒激光器I產(chǎn)生SOOnm飛秒激光脈沖；關閉光學參量放大器2，不對激光波長作任何改變；激光脈沖穿過光闌4進入偏振分光棱鏡5后分為兩束偏振方向垂直的子脈沖光，其中反射光為S偏振光,透射光為P偏振光；S偏振光穿過光闌7經(jīng)由第一反射鏡8、第二反射鏡9反射，P偏振光經(jīng)由安裝在機械平移臺12上的第三反射鏡10、第四反射鏡11反射，之后兩束子脈沖光通過偏振合光棱鏡6合束，再通過光闌13對雙脈沖光進行準直和限高；其中手動控制機械平移臺12的移動距離，使兩束子脈沖在合光棱鏡處的光程差為12mm，即兩個子脈沖間的延時時間為40ps，延時零點由自相關儀15確認；再利用連續(xù)衰減片3調(diào)整雙脈沖光到達加工處的脈沖總能量為0.45 μ J ;
[0076](2)將飛秒激光垂直偏振雙脈沖穿過光學快門16、并通過二向色鏡18沿垂直方向反射到物鏡19中聚焦；待加工樣品20水平固定在移動平臺21上；借助CCD24和白光光源23成像，通過平臺控制系統(tǒng)22移動移動平臺21使激光焦點位于水平放置的樣品20的上表面，聚焦后的光斑半徑為15.1 μ m，能量密度約為0.13J/cm2 ；
[0077](3)利用光學快門控制系統(tǒng)17打開光學快門16 ;之后通過平臺控制系統(tǒng)22控制移動平臺21以500 μ m/s的速度水平運動，即可在樣品20表面掃描出尺寸均勻的二維周期的方塊結構，其周期間隔為520-680nm。加工過程中使用氮氣25吹走材料表面噴濺出來的碎屑，確保加工過后的結構表面干凈整潔；
[0078]實施例11:
[0079]其他步驟與實施例10相同，不同之處在于:步驟(I)中通過光學參量放大器2調(diào)節(jié)激光波長為620nm，其中波長調(diào)節(jié)精度由光纖光譜儀14校正；二維周期的方塊結構的周期間隔變?yōu)?400-520nm。
[0080]實施例12:
[0081 ] 其他步驟與實施例10相同，不同之處在于:步驟(I)中通過光學參量放大器2調(diào)節(jié)激光波長為lOOOnm，其中波長調(diào)節(jié)精度由光纖光譜儀14校正；二維周期的方塊結構的周期間隔變?yōu)?640-840nm。
[0082]實施例13:
[0083]以采用本發(fā)明的飛秒激光變波長垂直偏振雙脈沖加工方法，在GaAs材料表面誘導二維周期的方塊結構為例，具體應用設備如下:
[0084]飛秒激光系統(tǒng)I是美國光譜物理(Spectrum Physics)公司生產(chǎn)的激光器，激光波長800nm，脈沖寬度50fs，重復頻率IKHz，單脈沖最大能量3mJ，光強分布為高斯型，線偏振。[0085]光學參量放大器2為美國Light Conversion公司生產(chǎn)的T0PAS-C，可以將800nm的飛秒激光脈沖在290-2600nm波長范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)精度為0.lnm。
[0086]邁克爾遜干涉儀結構組成部分包括:偏振分光棱鏡5,偏振合光棱鏡6,第一反射鏡8，第二反射鏡9，第三反射鏡10，第四反射鏡11，機械平移臺12。通過調(diào)節(jié)機械平移臺12的移動距離可以改變兩個子脈沖間的延時。其中，機械平移臺12調(diào)節(jié)范圍為±25mm，調(diào)整精度為2um，則雙脈沖延時調(diào)整范圍為O — 83ps (首尾子脈沖最大間隔時間)，延時調(diào)節(jié)精度為6.6fs。
[0087]連續(xù)衰減片3為大恒光電GCC-3030圓形中性密度漸變?yōu)V光片，在可見光到紅外光區(qū)內(nèi)可通過調(diào)整鏡片的旋轉角度，改變吸收/反射光與透射光的比例來改變光衰減的大小，激光能量調(diào)節(jié)范圍為1% — 90%。
[0088]移動平臺21為PI公司生產(chǎn)的HEXAPOD六自由度并聯(lián)微運動機器人，在XY方向的移動精度為1-3 μ m，Z方向的移動精度為0.5-1 μ m，重復定位精度小于I μ m。
[0089]具體加工步驟如下:
[0090](I)利用飛秒激光器I產(chǎn)生SOOnm飛秒激光脈沖；關閉光學參量放大器2，不對激光波長作任何改變；激光脈沖穿過光闌4進入偏振分光棱鏡5后分為兩束偏振方向垂直的子脈沖光，其中反射光為S偏振光,透射光為P偏振光；3偏振光穿過光闌7經(jīng)由第一反射鏡8、第二反射鏡9反射，P偏振光經(jīng)由安裝在機械平移臺12上的第三反射鏡10、第四反射鏡11反射，之后兩束子脈沖光通過偏振合光棱鏡6合束，再通過光闌13對雙脈沖光進行準直和限高；其中手動控制機械平移臺12的移動距離，使兩束子脈沖在合光棱鏡處的光程差為12mm，即兩個子脈沖間的延時時間為40ps，延時零點由自相關儀15確認；再利用連續(xù)衰減片3調(diào)整雙脈沖光到達加工處的脈沖總能量為0.6 μ J ;
[0091](2)將飛秒激光垂直偏振雙脈沖穿過光學快門16、并通過二向色鏡18沿垂直方向反射到物鏡19中聚焦；待加工樣品20水平固定在移動平臺21上；借助CCD24和白光光源23成像，通過平臺控制系統(tǒng)22移動移動平臺21使激光焦點位于水平放置的樣品20的上表面，聚焦后的光斑半徑為15.1 μ m，能量密度約為0.16J/cm2 ；
[0092](3)利用光學快門控制系統(tǒng)17打開光學快門16 ;之后通過平臺控制系統(tǒng)22控制移動平臺21以500 μ m/s的速度水平運動，即可在樣品20表面掃描出尺寸均勻的二維周期的方塊結構，其周期間隔為550-750nm。加工過程中使用氮氣25吹走材料表面噴濺出來的碎屑，確保加工過后的結構表面干凈整潔；
[0093]實施例14:
[0094]其他步驟與實施例13相同，不同之處在于:步驟(I)中通過光學參量放大器2調(diào)節(jié)激光波長為620nm，其中波長調(diào)節(jié)精度由光纖光譜儀14校正；二維周期的方塊結構的周期間隔變?yōu)?420-580nm。
[0095]實施例15:
[0096]其他步驟與實施例13相同，不同之處在于:步驟(I)中通過光學參量放大器2調(diào)節(jié)激光波長為lOOOnm，其中波長調(diào)節(jié)精度由光纖光譜儀14校正；二維周期的方塊結構的周期間隔變?yōu)?680-940nm。
[0097]實施例16:
[0098]以采用本發(fā)明的飛秒激光變波長垂直偏振雙脈沖加工方法，在InP材料表面誘導二維周期的方塊結構為例，具體應用設備如下:
[0099]飛秒激光系統(tǒng)I是美國光譜物理(Spectrum Physics)公司生產(chǎn)的激光器，激光波長800nm，脈沖寬度50fs，重復頻率IKHz，單脈沖最大能量3mJ，光強分布為高斯型，線偏振。
[0100]光學參量放大器2為美國Light Conversion公司生產(chǎn)的T0PAS-C，可以將800nm的飛秒激光脈沖在290-2600nm波長范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)精度為0.lnm。
[0101]邁克爾遜干涉儀結構組成部分包括:偏振分光棱鏡5,偏振合光棱鏡6,第一反射鏡8，第二反射鏡9，第三反射鏡10，第四反射鏡11，機械平移臺12。通過調(diào)節(jié)機械平移臺12的移動距離可以改變兩個子脈沖間的延時。其中，機械平移臺12調(diào)節(jié)范圍為±25mm，調(diào)整精度為2um，則雙脈沖延時調(diào)整范圍為O — 83ps (首尾子脈沖最大間隔時間)，延時調(diào)節(jié)精度為6.6fs。
[0102]連續(xù)衰減片3為大恒光電GCC-3030圓形中性密度漸變?yōu)V光片，在可見光到紅外光區(qū)內(nèi)可通過調(diào)整鏡片的旋轉角度，改變吸收/反射光與透射光的比例來改變光衰減的大小，激光能量調(diào)節(jié)范圍為1% — 90%。
[0103]移動平臺21為PI公司生產(chǎn)的HEXAPOD六自由度并聯(lián)微運動機器人，在XY方向的移動精度為1-3 μ m，Z方向的移動精度為0.5-1 μ m，重復定位精度小于I μ m。
[0104]具體加工步驟如下:
[0105](I)利用飛秒激光器I產(chǎn)生SOOnm飛秒激光脈沖；關閉光學參量放大器2，不對激光波長作任何改變；激光脈沖穿過光闌4進入偏振分光棱鏡5后分為兩束偏振方向垂直的子脈沖光，其中反射光為S偏振光,透射光為P偏振光；3偏振光穿過光闌7經(jīng)由第一反射鏡8、第二反射鏡9反射，P偏振光經(jīng)由安裝在機械平移臺12上的第三反射鏡10、第四反射鏡11反射，之后兩束子脈沖光通過偏振合光棱鏡6合束，再通過光闌13對雙脈沖光進行準直和限高；其中手動控制機械平移臺12的移動距離，使兩束子脈沖在合光棱鏡處的光程差為12mm，即兩個子脈沖間的延時時間為40ps，延時零點由自相關儀15確認；再利用連續(xù)衰減片3調(diào)整雙脈沖光到達加工處的脈沖總能量為0.4μ J ;
[0106](2)將飛秒激光垂直偏振雙脈沖穿過光學快門16、并通過二向色鏡18沿垂直方向反射到物鏡19中聚焦；待加工樣品20水平固定在移動平臺21上；借助CCD24和白光光源23成像，通過平臺控制系統(tǒng)22移動移動平臺21使激光焦點位于水平放置的樣品20的上表面，聚焦后的光斑半徑為15.1 μ m，能量密度約為0.12J/cm2 ；
[0107](3)利用光學快門控制系統(tǒng)17打開光學快門16 ;之后通過平臺控制系統(tǒng)22控制移動平臺21以500 μ m/s的速度水平運動，即可在樣品20表面掃描出尺寸均勻的二維周期的方塊結構，其周期間隔為590-750nm。加工過程中使用氮氣25吹走材料表面噴濺出來的碎屑，確保加工過后的結構表面干凈整潔；
[0108]實施例17:
[0109]其他步驟與實施例16相同，不同之處在于:步驟(I)中通過光學參量放大器2調(diào)節(jié)激光波長為620nm，其中波長調(diào)節(jié)精度由光纖光譜儀14校正；二維周期的方塊結構的周期間隔變?yōu)?450-590nm。
[0110]實施例18:
[0111]其他步驟與實施例16相同，不同之處在于:步驟(I)中通過光學參量放大器2調(diào)節(jié)激光波長為lOOOnm，其中波長調(diào)節(jié)精度由光纖光譜儀14校正；二維周期的方塊結構的周期間隔變?yōu)?730-930nm。
[0112]實施例19:
[0113]以采用傳統(tǒng)的紅外波段飛秒激光單脈沖加工方法，在Ge材料表面誘導一維周期結構為例，具體應用設備如下:
[0114]飛秒激光系統(tǒng)I是美國光譜物理(Spectrum Physics)公司生產(chǎn)的激光器，激光波長800nm，脈沖寬度50fs，重復頻率IKHz，單脈沖最大能量3mJ，光強分布為高斯型，線偏振。
[0115]連續(xù)衰減片3為大恒光電GCC-3030圓形中性密度漸變?yōu)V光片，在可見光到紅外光區(qū)內(nèi)可通過調(diào)整鏡片的旋轉角度，改變吸收/反射光與透射光的比例來改變光衰減的大小，激光能量調(diào)節(jié)范圍為1% — 90%。
[0116]移動平臺21為PI公司生產(chǎn)的HEXAPOD六自由度并聯(lián)微運動機器人，在XY方向的移動精度為1-3 μ m，Z方向的移動精度為0.5-1 μ m，重復定位精度小于I μ m。
[0117]具體加工步驟如下:
[0118](I)利用飛秒激光器I產(chǎn)生SOOnm飛秒激光脈沖；關閉光學參量放大器2，不對激光波長作任何改變；使用遮光板擋住S偏振子脈沖光；再利用連續(xù)衰減片3調(diào)整P偏振子脈沖光到達加工處的脈沖總能量為0.6 μ J ;
[0119](2)將P偏振子脈沖光通過二向色鏡18沿垂直方向反射到物鏡19中聚焦；待加工樣品20水平固定在移動平臺21上；借助(XD24和白光光源23成像，通過平臺控制系統(tǒng)22移動移動平臺21使激光焦點位于樣品20的上表面，聚焦后的光斑半徑為15.1 μ m,能量密度約為0.17J/cm2 ；
[0120](3)利用光學快門控制系統(tǒng)17打開光學快門16 ;之后通過平臺控制系統(tǒng)22控制移動平臺21以200 μ m/s的速度水平運動，即可在樣品20表面掃描出與偏振方向垂直的一維周期結構，周期間隔為:650-780nm (如圖2所示)，加工過程中使用氮氣25吹走材料表面噴濺出來的碎屑，確保加工過后的結構表面干凈整潔。
[0121]實施例20:
[0122]以采用傳統(tǒng)的紅外波段飛秒激光單脈沖加工方法，在ZnO材料表面誘導一維周期結構為例，具體應用設備如下:
[0123]飛秒激光系統(tǒng)I是美國光譜物理(Spectrum Physics)公司生產(chǎn)的激光器，激光波長800nm，脈沖寬度50fs，重復頻率IKHz，單脈沖最大能量3mJ，光強分布為高斯型，線偏振。
[0124]連續(xù)衰減片3為大恒光電GCC-3030圓形中性密度漸變?yōu)V光片，在可見光到紅外光區(qū)內(nèi)可通過調(diào)整鏡片的旋轉角度，改變吸收/反射光與透射光的比例來改變光衰減的大小，激光能量調(diào)節(jié)范圍為1% — 90%。
[0125]移動平臺21為PI公司生產(chǎn)的HEXAPOD六自由度并聯(lián)微運動機器人，在XY方向的移動精度為1-3 μ m，Z方向的移動精度為0.5-1 μ m，重復定位精度小于I μ m。
[0126]具體加工步驟如下:
[0127](I)利用飛秒激光器I產(chǎn)生SOOnm飛秒激光脈沖；關閉光學參量放大器2，不對激光波長作任何改變；使用遮光板擋住S偏振子脈沖光；再利用連續(xù)衰減片3調(diào)整P偏振子脈沖光到達加工處的脈沖總能量為10μ J ;
[0128](2)將P偏振子脈沖光通過二向色鏡18沿垂直方向反射到物鏡19中聚焦；待加工樣品20水平固定在移動平臺21上；借助(XD24和白光光源23成像，通過平臺控制系統(tǒng)22移動移動平臺21使激光焦點位于樣品20的上表面，聚焦后的光斑半徑為15.1 μ m,能量密度約為2.8J/cm2 ；
[0129](3)利用光學快門控制系統(tǒng)17打開光學快門16 ;之后通過平臺控制系統(tǒng)22控制移動平臺21以500 μ m/s的速度水平運動，即可在樣品20表面掃描出與偏振方向垂直的一維周期結構，周期間隔為:630-730nm (如圖4所示)，加工過程中使用氮氣25吹走材料表面噴濺出來的碎屑，確保加工過后的結構表面干凈整潔。
[0130]由實施例1一 20比較可見:
[0131](I)在0.39J/cm2的能量密度下，使用波長800nm的偏振方向垂直的雙脈沖(兩個子脈沖之間延遲時間40ps)，以200 μ m/s的掃描速度在Ge材料表面誘導出了呈六邊形分布的二維周期的圓錐結構，其底部直徑為350-450nm，高度為60_70nm，周期為0.9-1 μ m。
[0132](2)在稍高于材料燒蝕閾值的能量密度下，使用波長800nm的偏振方向垂直的雙脈沖(兩個子脈沖之間延遲時間40ps)，以200-1000 μ m/s的掃描速度在ZnO、S1、GaP、GaAs和InP等半導體材料上誘導出了尺寸均勻的二維周期的方塊結構，這種二維規(guī)則結構的周期分別為 250-350nm、560-770nm、520-680nm、550-750nm 和 590_750nm。
[0133](3)將入射激光波長在290_2600nm的范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)，所獲得的二維結構周期Λ與波長λ呈線性關系，滿足公式Λ = λ/η或Λ = λ/2η，其中η為材料的折射率。
【權利要求】
1.一種飛秒激光誘導材料表面二維周期性結構的方法，其特征是所述方法包括以下步驟: 步驟I)采用飛秒激光器產(chǎn)生近紅外飛秒激光單脈沖，利用飛秒激光光學參量放大器將近紅外飛秒激光單脈沖的波長調(diào)節(jié)在290-2600nm的范圍內(nèi)，然后利用邁克爾遜干涉儀結構的光路把激光單脈沖調(diào)制為偏振方向垂直的激光雙脈沖，再利用連續(xù)衰減片調(diào)整激光雙脈沖總能量不低于被加工樣品的燒蝕閾值； 步驟2)調(diào)整光路使步驟I)中所得到的變波長垂直偏振雙脈沖通過平凸透鏡后沿垂直方向聚焦，移動待加工樣品使激光焦點位于樣品的上表面； 步驟3)控制待加工樣品以設定的速度水平運動，即可在樣品表面掃描出二維周期性結構。
2.如權利要求1所述的一種飛秒激光誘導材料表面二維周期性結構的方法，其特征是:步驟I)中，雙脈沖序列兩個子脈沖之間的延時時間大于20ps。
3.如權利要求1所述的一種飛秒激光誘導材料表面二維周期性結構的方法，其特征是:步驟2)中，借助CCD和白光光源實現(xiàn)樣品的上表面成像并用以檢測激光聚焦。
4.如權利要求1所述的一種飛秒激光誘導材料表面二維周期性結構的方法，其特征是:步驟3)中，待加工樣品的移動速度為200-1000 μ m/s。
5.如權利要求1所述的一種飛秒激光誘導材料表面二維周期性結構的方法，其特征是:步驟3)中，使用氮氣吹走材料表面噴濺出來的碎屑。
【文檔編號】B23K26/0622GK103934576SQ201410151218
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月15日 優(yōu)先權日:2014年4月15日
【發(fā)明者】姜瀾, 房巨強, 曹強 申請人:北京理工大學