一種激光制備微納陣列結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種新的利用激光制備微納陣列結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)和方法。該方法包括：提供具有使待加工材料產(chǎn)生多光子吸收效應(yīng)的波長(zhǎng)的第一激光束；將高斯分布的第一激光束均勻化處理為能量分布均勻的第一平頂光束；用微透鏡陣列組件將平頂光束分束為以陣列排列的多個(gè)激光束；將陣列排列的多個(gè)激光束分別聚焦于同一平面的光束聚焦組件；和對(duì)置于計(jì)算機(jī)控制的微移動(dòng)臺(tái)上的金屬離子溶液進(jìn)行掃描，得到數(shù)百個(gè)微納尺度的周期性陣列結(jié)構(gòu)，其中第一平頂光束的束斑面積等于或小于所述微透鏡陣列組件的有效陣列面積。本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)快速、批量、大規(guī)模制備結(jié)構(gòu)一致的、尺寸可控的微納陣列結(jié)構(gòu)。
【專利說明】一種激光制備微納陣列結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)和方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及基于金屬、聚合物、復(fù)合材料等功能性材料的微納結(jié)構(gòu)制備領(lǐng)域。更具體地，涉及一種利用飛秒激光制備周期性微納陣列結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)和方法。

【背景技術(shù)】
[0002]由于金屬、聚合物、復(fù)合材料等功能性材料的微納結(jié)構(gòu)具有新穎的光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)性能，在微納光電子器件、表面等離子體基元共振與傳輸、高靈敏度化學(xué)與生物傳感器、高集成度光電器件、太陽能電池三維納米電極及人工超材料等方面具有重要應(yīng)用潛力，因此對(duì)于功能材料微納結(jié)構(gòu)制備方法的研究也受到廣泛重視。
[0003]目前，利用飛秒激光多光子還原來制備功能材料微納結(jié)構(gòu)由于其能夠直寫出任意的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)，且能夠突破衍射極限達(dá)到微納米尺度的加工精度，因此在各種微納結(jié)構(gòu)的加工方法中脫穎而出，成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。但是這種直寫加工方法由于受到加工過程中掃描方式的限制，仍面臨著加工效率低、加工面積有限的問題。
[0004]為了提高飛秒激光三維直寫加工技術(shù)的加工效率，人們進(jìn)行了很多研究。例如，2005年，日本S.Kawata研究組采用重復(fù)頻率為1000Hz的飛秒放大級(jí)激光器，并利用微透鏡陣列將一束激光分為兩百多激光束，使激光束焦點(diǎn)呈陣列化分布，可實(shí)現(xiàn)同時(shí)并行加工兩百多個(gè)微結(jié)構(gòu)。這種方法為大批量生產(chǎn)MEMS零部件提供了途徑，參見J.Kato等，Appl.Phys.Lett.，2005，86 (4):44102。2006年，該研究小組通過使用上述的方法結(jié)合無極電鍍技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了聚合物陣列結(jié)構(gòu)表面的金屬化，可以同時(shí)并行加工七百多個(gè)周期性金屬結(jié)構(gòu)，且金屬結(jié)構(gòu)大小均勻，結(jié)構(gòu)特征尺度可以達(dá)到10nm以下，參見F.Formanek等，Opt.Express, 2006,14:800 - 809。再如，2005年，日本S.Matsuo等人同樣采用重復(fù)頻率為1000Hz的飛秒放大級(jí)激光器，并利用微透鏡陣列將擴(kuò)束后的激光束分為數(shù)百多束，在微透鏡焦點(diǎn)處形成陣列化點(diǎn)光源，在微透鏡與物鏡中間加入中繼透鏡，使發(fā)散的點(diǎn)光源會(huì)聚于物鏡入瞳。通過調(diào)節(jié)中繼透鏡的焦距，實(shí)現(xiàn)物鏡焦平面陣列化焦點(diǎn)間距的調(diào)節(jié)，參見S.Matsuo等，Appl.Phys.A，2005，80:683 - 685。2007年，該研究小組又在微透鏡陣列焦平面上加入一塊光掩膜板，這使得加工出的二維周期性陣列結(jié)構(gòu)具有任意可設(shè)計(jì)的圖案輪廓，參見 S.Matsuo 等，Appl.0pt.，2007,46:8264 - 8267。
[0005]但是，上述的加工方法具有以下缺點(diǎn):由于激光束光斑具有高斯能量分布，光斑中心能量高邊緣能量低，能量束斑平面內(nèi)分布不均勻。在將激光束應(yīng)用于微透鏡陣列時(shí)首先要對(duì)呈高斯分布的激光束進(jìn)行擴(kuò)束以擴(kuò)大的激光束中高能量部分的面積。為得到盡可能均勻的加工效果，現(xiàn)有加工方法中僅使激光束中能量高且相對(duì)均勻的中心部分通過微透鏡陣列而放棄擴(kuò)束后激光束的邊緣部分，這導(dǎo)致相當(dāng)一部分激光束能量的損失。由于激光經(jīng)微透鏡陣列分束后每束激光的能量顯著降低，為使各分束激光束具有能夠產(chǎn)生多光子吸收效應(yīng)的能量，需要采用放大級(jí)激光器來滿足要求，也就是在激光器中引入再生放大器將激光器輸出的激光脈沖能量放大多于三個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到例如每脈沖1.8mJ能量。再生放大器的引入一方面導(dǎo)致了設(shè)備費(fèi)用大幅度增加，另一方面由于再生放大器的重復(fù)頻率只有1000Hz，在掃描速度較高時(shí)將導(dǎo)致所獲得的結(jié)構(gòu)的光滑度下降。同時(shí)，雖然采用擴(kuò)束方式將激光能量分散，但是束斑中用于分束部分的中心結(jié)構(gòu)與邊緣結(jié)構(gòu)的能量差別仍然較大，所得到陣列結(jié)構(gòu)的一致性不夠理想。由于陣列結(jié)構(gòu)之間的間距是由微透鏡陣列中透鏡單元的間距決定，在微透鏡陣列單元分布較密的情況下其所能夠制備的結(jié)構(gòu)的尺寸有限，只適合制備小尺寸的零部件，不能實(shí)現(xiàn)較大結(jié)構(gòu)的并行加工。
[0006]為解決利用微透鏡陣列實(shí)現(xiàn)微納陣列結(jié)構(gòu)加工方法中光束能量差異導(dǎo)致結(jié)構(gòu)一致性較差、激光重復(fù)頻率過低導(dǎo)致結(jié)構(gòu)表面粗糙、以及結(jié)構(gòu)尺寸有限等問題，中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所Xian-Zi Dong等人提出繼續(xù)采用80MHz準(zhǔn)連續(xù)的飛秒振蕩級(jí)激光器,通過衍射元件將一束激光分為9束，實(shí)現(xiàn)了可組合的多束光并行加工方法。雖然焦點(diǎn)數(shù)量較單焦點(diǎn)加工只提高9倍，但這種方法可實(shí)現(xiàn)由多個(gè)零部件組合的MEMS快速加工與裝配，同時(shí)，通過簡(jiǎn)單的光路元件的適當(dāng)配置可實(shí)現(xiàn)焦點(diǎn)數(shù)量和周期的任意調(diào)節(jié)來制備任意尺寸的微納結(jié)構(gòu)，參見Xian-Zi Dong等，Appl.Phys.Lett.,2007,91:124103。但是該方法與微透鏡陣列加工相比，不能同時(shí)并行加工數(shù)百個(gè)微納結(jié)構(gòu)，無法實(shí)現(xiàn)大面積、陣列化結(jié)構(gòu)的制備。
[0007]因此，需要一種新的激光直寫加工技術(shù)，其既能滿足同時(shí)并行加工數(shù)百個(gè)微納結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)大面積、陣列化結(jié)構(gòu)的制備，同時(shí)制得的微納結(jié)構(gòu)分辨率高、表面一致性好、尺寸可控。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種利用激光制備微納陣列結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)快速、批量、大規(guī)模制備結(jié)構(gòu)一致的、尺寸可控的微納陣列結(jié)構(gòu)。
[0009]本發(fā)明另一目的是提供一種新的利用激光制備微納陣列結(jié)構(gòu)的方法。
[0010]為了解決將激光擴(kuò)束后光斑中心與邊緣的能量差異所導(dǎo)致制備的微納陣列結(jié)構(gòu)一致性不理想的問題，本發(fā)明提出在激光擴(kuò)束后加入光束整形組件對(duì)激光呈高斯分布的能量進(jìn)行均勻化處理，使其變成能量分布均勻的平頂光束。當(dāng)平頂光束通過微透鏡陣列組件分束后，得到能量分布均勻的數(shù)百束激光，這樣就能保證每一束激光制備的微納結(jié)構(gòu)保持較理想的一致性。在本發(fā)明中，通過將對(duì)激光能量進(jìn)行均勻化處理的光束整形組件的出瞳面積選擇為等于或小于微透鏡陣列組件的有效陣列面積，可以將激光束的全部能量用于形成激光束陣列。因?yàn)榧す夤庠摧敵龅募す馐哪芰康靡猿浞掷?，無需采用重復(fù)頻率低且價(jià)格昂貴的放大級(jí)激光器，僅用常規(guī)激光器就可以制備出表面光滑的微納陣列結(jié)構(gòu)。
[0011]本發(fā)明利用光學(xué)聚焦組件將經(jīng)微透鏡陣列組件分束后的數(shù)百束激光聚焦于待加工樣品，以金屬離子溶液為例。將激光光源調(diào)節(jié)為其輸出波長(zhǎng)能夠使待加工的金屬離子產(chǎn)生多光子吸收效應(yīng)并還原為金屬納米顆粒的激光束，激光束并不在其通過的所有區(qū)域與溶液發(fā)生作用，而僅僅在激光束能量達(dá)到可以使溶液產(chǎn)生多光子吸收引發(fā)光化學(xué)反應(yīng)的閾值的區(qū)域進(jìn)行。通過調(diào)節(jié)激光束的能量，使經(jīng)過每一個(gè)微透鏡單元的光束能量達(dá)到光化學(xué)反應(yīng)的閾值，使每一個(gè)聚焦激光束的焦點(diǎn)范圍內(nèi)被照射的金屬離子同時(shí)吸收多個(gè)光子，產(chǎn)生多光子吸收效應(yīng)，引發(fā)光化學(xué)反應(yīng)從而被還原為金屬納米顆粒，金屬納米顆粒聚集形成金屬微納結(jié)構(gòu)。這樣就可以快速、批量、大規(guī)模制備金屬微納結(jié)構(gòu)。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種激光制備微納陣列結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，包括:
[0013]用于提供使待加工材料產(chǎn)生多光子吸收效應(yīng)的第一激光束的第一激光光源；
[0014]用于將所述第一激光束均勻化為能量分布均勻的第一平頂光束的第一光束整形組件；
[0015]用于將所述第一平頂光束分束為以陣列排列的多個(gè)激光束的微透鏡陣列組件；
[0016]用于將陣列排列的激光束分別聚焦于同一平面的光束聚焦組件；和
[0017]計(jì)算機(jī)控制的微移動(dòng)臺(tái)，
[0018]其特征在于，
[0019]所述光束整形組件的出瞳面積等于或小于所述微透鏡陣列組件的有效陣列面積。
[0020]優(yōu)選地，所述第一光束整形組件包括:
[0021]用于對(duì)來自激光光源的激光束進(jìn)行擴(kuò)束的第一擴(kuò)束透鏡，和
[0022]用于將高斯分布的第一擴(kuò)束透鏡出射光整形為能量均勻分布的平頂光束的第一光束整形器。
[0023]第一光束整形器出瞳面積等于或小于所述微透鏡陣列組件的有效陣列面積。
[0024]根據(jù)本發(fā)明的另一方法，提供一種激光制備微納陣列結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括用于提供使待加工材料產(chǎn)生多光子吸收效應(yīng)的第一激光束的第一激光光源和用于提供使待加工材料產(chǎn)生表面等離子體吸收和光鑷作用的第二激光束的第二激光光源；
[0025]用于將所述第一激光束均勻化為能量分布均勻的第一平頂光束的第一光束整形組件和用于將所述第二激光束均勻化為能量分布均勻的第二平頂光束的第二光束整形組件；
[0026]用于將所述第一平頂光束和所述第二平頂光束疊加為沿同一光路行進(jìn)的疊加平頂光束的二向色鏡和反射鏡；
[0027]用于將所述疊加平頂光束分束為以陣列排列的多個(gè)激光束的微透鏡陣列組件；
[0028]用于將陣列排列的各激光束分別聚焦于同一平面的光束聚焦組件；和
[0029]計(jì)算機(jī)控制的微移動(dòng)臺(tái)，
[0030]其特征在于，
[0031]所述第一光束整形組件的出瞳面積等于或者小于所述第二光束整形組件的出瞳面積，且第二光束整形組件的出瞳面積等于或小于所述微透鏡陣列組件的有效陣列面積。
[0032]優(yōu)選地，所述第一光束整形組件包括:用于對(duì)來自第一激光光源的第一激光束進(jìn)行擴(kuò)束的第一擴(kuò)束透鏡，和
[0033]用于將高斯分布的第一擴(kuò)束透鏡出射光整形為能量均勻分布的平頂光束的光束整形器，
[0034]第一光束整形器的出瞳面積等于或小于所述微透鏡陣列組件的有效陣列面積，且
[0035]所述第二光束整形組件包括:
[0036]用于對(duì)來自第二激光光源的第二激光束進(jìn)行擴(kuò)束的第二擴(kuò)束透鏡，和
[0037]用于將高斯分布的第二擴(kuò)束透鏡出射光整形為能量均勻分布的平頂光束的光束整形器。
[0038]第二擴(kuò)束透鏡的出瞳面積等于或小于所述微透鏡陣列組件的有效陣列面積。
[0039]優(yōu)選地，所述微透鏡陣列組件包括數(shù)十、數(shù)百個(gè)或者數(shù)千個(gè)透鏡單元的陣列結(jié)構(gòu)。
[0040]優(yōu)選地，所述微透鏡陣列單元周期為0.1 μ m-10mm。
[0041]優(yōu)選地,所述光束聚焦組件包括:
[0042]用于將以陣列排列的多個(gè)激光束分別聚焦于同一平面的顯微鏡物鏡，和
[0043]放置于在所述微透鏡陣列組件與物鏡之間用于使微透鏡陣列焦平面上的點(diǎn)光源會(huì)聚于物鏡入瞳的中繼透鏡。
[0044]優(yōu)選地，所述的中繼透鏡為凸透鏡，焦距為50mm-500mm。通過調(diào)節(jié)位于微透鏡陣列組件和物鏡之間的中繼透鏡的焦距，可以實(shí)現(xiàn)物鏡焦平面上陣列焦點(diǎn)的周期的調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)微納陣列結(jié)構(gòu)周期的調(diào)節(jié)，由此可以制備任意尺寸的周期性微納結(jié)構(gòu)。
[0045]根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供一種激光制備微納陣列結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括，
[0046]提供具有使待加工材料產(chǎn)生多光子吸收效應(yīng)的波長(zhǎng)的第一激光束；
[0047]將高斯分布的第一激光束均勻化處理為能量分布均勻的第一平頂光束；
[0048]用微透鏡陣列組件將平頂光束分束為以陣列排列的多個(gè)激光束；
[0049]將陣列排列的多個(gè)激光束分別聚焦于同一平面的光束聚焦組件；和
[0050]對(duì)置于計(jì)算機(jī)控制的微移動(dòng)臺(tái)上的待加工樣品進(jìn)行掃描，得到數(shù)百個(gè)微納尺度的周期性陣列結(jié)構(gòu)，
[0051]其特征在于，
[0052]所述第一平頂光束的束斑面積等于或小于所述微透鏡陣列組件的有效陣列面積。
[0053]優(yōu)選地，待加工樣品為有機(jī)光敏材料，無機(jī)光敏材料，金屬離子溶液。
[0054]根據(jù)本發(fā)明的再一方面，提供一種激光制備微納陣列結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括，
[0055]提供具有使待加工材料產(chǎn)生多光子吸收效應(yīng)的波長(zhǎng)的第一激光束和具有使該待加工材料產(chǎn)生表面等離子體吸收和光鑷作用的第二激光束；
[0056]分別將高斯分布的第一激光束和第二激光束均勻化處理為能量分布均勻的第一平頂光束和第二平頂光束；
[0057]用于將所述第一平頂光束和所述第二平頂光束疊加為沿同一光路行進(jìn)的疊加平頂光束；
[0058]用微透鏡陣列組件將所述疊加平頂光束分束為以陣列排列的多個(gè)激光束；
[0059]將陣列排列的各激光束分別聚焦于同一平面；和
[0060]用陣列排列的激光束對(duì)置于計(jì)算機(jī)控制的微移動(dòng)臺(tái)上的待加工樣品進(jìn)行掃描，得到數(shù)百個(gè)微納尺度的周期性陣列結(jié)構(gòu)，其中
[0061]所述經(jīng)均化的第一平頂光束等于或者小于第二平頂光束的束斑面積，且第二平頂光束的束斑面積等于或小于所述微透鏡陣列組件的有效陣列直徑。
[0062]適用于本發(fā)明的光束整形器的適用波長(zhǎng)范圍為157nm-1064nm,光束整形器的入射光束直徑為可為無源或有源器件。
[0063]優(yōu)選地，待加工樣品為金屬離子溶液。
[0064]優(yōu)選地，微透鏡陣列組件的材質(zhì)為玻璃、石英或樹脂聚合物。
[0065]優(yōu)選地，微透鏡陣列單元的形狀為球面透鏡單元或非球面透鏡單元。更優(yōu)選地，所述非球面透鏡單元的形狀為拋物面狀、三面體狀、四面體狀、六面體狀、八面體狀和圓錐體狀。
[0066]優(yōu)選地，所述第一激光束為脈沖激光束，脈沖寬度為從納秒到飛秒范圍，重復(fù)頻率為ΙΗζ-ΙΟΟΜΗζ，波長(zhǎng)調(diào)節(jié)范圍為157nm-1064nm。優(yōu)選地，所述第一激光束的偏振態(tài)為線偏振、圓偏振或橢圓偏振。
[0067]優(yōu)選地，所述第二激光束為連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)激光束，波長(zhǎng)調(diào)節(jié)范圍為300nm-1064nm。優(yōu)選地，所述第二激光束的偏振態(tài)為線偏振、圓偏振或橢圓偏振。
[0068]優(yōu)選地，所述物鏡為顯微鏡物鏡；更優(yōu)選地，所述顯微鏡物鏡為干燥物鏡、水浸物鏡或油浸物鏡。
[0069]所述計(jì)算機(jī)控制的微移動(dòng)臺(tái)用來控制激光束焦點(diǎn)在金屬離子液體中的移動(dòng)和定位。所述計(jì)算機(jī)控制的微移動(dòng)臺(tái)為三維微移動(dòng)臺(tái)，三維微移動(dòng)臺(tái)在X，y和z方向上的移動(dòng)范圍分別為lnm-200mm。
[0070]根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)可進(jìn)一步包括用于調(diào)節(jié)激光束的曝光時(shí)間的光閘以及用于調(diào)節(jié)激光束的曝光能量的光衰減器。光衰減器將第一激光束的曝光時(shí)間調(diào)節(jié)為lms-lOmin，曝光能量為作用于金屬離子溶液里的激光平均功率在0.1 μ W-2W。光衰減器將第二激光束的曝光時(shí)間調(diào)節(jié)為lms-lOmin，曝光能量為作用于金屬離子溶液里的激光平均功率在0.1 μW-2W。
[0071]優(yōu)選地，所述有機(jī)光敏材料選自可發(fā)生光聚合反應(yīng)的有機(jī)材料、可發(fā)生光分解反應(yīng)的有機(jī)材料、含有可發(fā)生光交聯(lián)反應(yīng)分子的有機(jī)材料和含有可發(fā)生光異構(gòu)化反應(yīng)分子的有機(jī)材料。
[0072]優(yōu)選地，所述無機(jī)光敏材料選自可發(fā)生光聚合反應(yīng)的無機(jī)材料、可發(fā)生光分解反應(yīng)的無機(jī)材料、含有可發(fā)生光交聯(lián)反應(yīng)分子的無機(jī)材料、含有可發(fā)生光還原反應(yīng)分子的無機(jī)材料和含有可發(fā)生光氧化反應(yīng)分子的無機(jī)材料。
[0073]優(yōu)選地，放置于微移動(dòng)臺(tái)上的金屬離子溶液的樣品包括基片、施加在基片上的金屬離子溶液和放置在所述溶液上的輔助襯底。所述基片是玻璃基片、石英基片、塑料基片、陶瓷基片或半導(dǎo)體基片。所述輔助襯底是玻璃基片、石英基片、塑料基片、陶瓷基片或半導(dǎo)體基片。
[0074]可應(yīng)用于本發(fā)明的金屬離子溶液包括銀離子溶液、金離子溶液、鉬離子溶液、銅離子溶液、鐵離子溶液、鎳離子溶液、鈷離子溶液或鈀離子溶液。優(yōu)選地，所述金屬離子溶液進(jìn)一步包括表面活性劑。表面活性劑可包括N-癸酞肌氨酸鈉鹽、檸檬酸鈉、十六烷基嗅化按、十二烷基苯磺酸鈉、丁酸鈉、戊酸鈉、己酸鈉、辛酸鈉、癸酸鈉以及兩者以上的混合物。
[0075]根據(jù)本發(fā)明得到的周期性微納陣列結(jié)構(gòu)可以是一維微納結(jié)構(gòu)、二維微納結(jié)構(gòu)或三維微納結(jié)構(gòu)。
[0076]優(yōu)選地，根據(jù)制備金屬微納陣列結(jié)構(gòu)的需要，激光焦點(diǎn)掃描的位置選擇在基片和金屬離子溶液的界面，或者輔助襯底和金屬離子溶液的界面，在基片，或者輔助襯底上得到金屬微納陣列結(jié)構(gòu)。
[0077]本發(fā)明的有益效果如下:
[0078]本發(fā)明利用飛秒激光直寫加工技術(shù)可以在金屬離子溶液中直接還原出得到所需三維、高分辨的金屬微納結(jié)構(gòu)，而且在光敏材料中通過聚合反應(yīng)、分解反應(yīng)、交聯(lián)反應(yīng)等得到任意所需的功能性微納結(jié)構(gòu)。通過設(shè)置光束整形組件來將直寫加工系統(tǒng)中的能量呈高斯分布的激光束處理為能量在束斑平面內(nèi)均勻分布的平頂光，得到了一致性良好的微納陣列結(jié)構(gòu)。通過設(shè)置微透鏡陣列組件，使得本發(fā)明的系統(tǒng)可同時(shí)并行加工數(shù)百個(gè)微納陣列結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)快速、批量、大規(guī)模制備周期性微納結(jié)構(gòu)。具體地，
[0079]1、本發(fā)明采用激光光束能量勻化技術(shù)，充分利用激光能量，避免了現(xiàn)有技術(shù)中必須采用放大級(jí)激光器才能實(shí)現(xiàn)微納陣列結(jié)構(gòu)加工的高昂設(shè)備費(fèi)用，降低了加工成本。
[0080]2、本發(fā)明采用激光直寫技術(shù)在金屬離子溶液以及其他光敏材料中直寫金屬及其他功能材料的微納結(jié)構(gòu)，工藝簡(jiǎn)單、操作方便、原料耗費(fèi)少、同樣也降低加工成本。
[0081]3、本發(fā)明的方法采用微透鏡陣列進(jìn)行分束，可以同時(shí)并行加工上百個(gè)微納結(jié)構(gòu)，具有加工效率高、加工面積大、一次成型的優(yōu)點(diǎn)。
[0082]4、本發(fā)明能夠通過調(diào)節(jié)激光能量和移動(dòng)速度來精確控制微納器件結(jié)構(gòu)的尺寸，得到的微結(jié)構(gòu)具有分辨率高、特征尺度小的特點(diǎn)。
[0083]5、本發(fā)明的方法可以實(shí)現(xiàn)一維、二維或三維等復(fù)雜周期性陣列微納結(jié)構(gòu)的加工。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0084]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0085]圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)的示意圖；
[0086]圖2為本發(fā)明利用微透鏡陣列分束后的陣列點(diǎn)光源聚焦于樣品中制作陣列微納結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)的示意圖；
[0087]圖3為本發(fā)明的方法的流程圖；
[0088]圖4為高斯光束經(jīng)過光束整形器變?yōu)槠巾敼獾氖疽鈭D；
[0089]圖5為微透鏡陣列組件把平頂光分束后并聚焦為點(diǎn)光源的示意圖；
[0090]圖6為轉(zhuǎn)中繼鏡調(diào)節(jié)微納陣列結(jié)構(gòu)的間距原理圖；
[0091]圖7A為實(shí)施例1光斑整形之前的高斯光束光強(qiáng)分布；
[0092]圖7B為實(shí)施例1光斑整形之后的平頂光束光強(qiáng)分布；
[0093]圖7C為實(shí)施例1平頂光束經(jīng)過微透鏡陣列分束后的焦點(diǎn)處光強(qiáng)分布；
[0094]圖8為實(shí)施例1制作的70個(gè)銀點(diǎn)陣列的掃描電鏡圖；
[0095]圖9為實(shí)施例1制作的200個(gè)銀點(diǎn)陣列的掃描電鏡圖；
[0096]圖10為實(shí)施例2制作的70個(gè)銀字母“L”陣列的掃描電鏡圖。

【具體實(shí)施方式】
[0097]為了更清楚地說明本發(fā)明，下面結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。附圖中相似的部件以相同的附圖標(biāo)記進(jìn)行表示。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，下面所具體描述的內(nèi)容是說明性的而非限制性的，不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0098]圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)的不意圖。該系統(tǒng)包括:位于第一光路上的第一激光光源1，第一光閘2,第一衰減器3,包括透鏡4和5的透鏡組,第一光束整形器6 ;位于第二光路上的第二激光光源7，第二光閘8，第二衰減器9，包括透鏡10和11的透鏡組，第二光束整形組件12，反射鏡13 ;用于將第一光路和第二光路疊加的二向色鏡14，位于疊加激光束傳播路徑上的微透鏡陣列組件15，中繼透鏡16，反射鏡17，物鏡18和微移動(dòng)臺(tái)19，以及位于微移動(dòng)臺(tái)上的待加工樣品20。第一激光光源1，例如為脈沖激光光源，脈沖寬度為從納秒到飛秒范圍，重復(fù)頻率為1Ηζ-100ΜΗζ，波長(zhǎng)調(diào)節(jié)范圍為157nm-1064nm，平均功率為0.1 μ W-3W,用于產(chǎn)生納秒到飛秒脈沖的第一激光束以使待加工材料產(chǎn)生雙光子吸收效應(yīng)。第一光閘2用于控制第一激光光源輸出光路的開啟和關(guān)閉，第一衰減器3用于控制照射加工過程中來自第一激光光源產(chǎn)生的第一激光束入射到樣品中的激光功率。透鏡4和透鏡5，例如為焦距l(xiāng)mm-500mm的擴(kuò)束透鏡，或者透鏡4和透鏡5替換為倍數(shù)可調(diào)的擴(kuò)束透鏡，用于將來自第一激光光源I的高斯分布的第一激光束擴(kuò)束。第一光束整形器6用于對(duì)第一激光束呈高斯分布的能量進(jìn)行均勻化處理，產(chǎn)生第一平頂光束。在該光路中，包括擴(kuò)束透鏡4，5和光束整形器6的第一光束整形組件的出瞳面積被選擇為等于或小于系統(tǒng)中微透鏡陣列組件的有效陣列面積，以確保光束整形組件的出射光束完全入射到微透鏡陣列組件的微透鏡單元陣列上。在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，擴(kuò)束透鏡出瞳面積小于或小于微透鏡陣列組件的有效陣列面積。微透鏡陣列組件將來自光束整形器的能量均勻分布的入射光分束為數(shù)百束激光，使焦點(diǎn)呈陣列分布，形成陣列點(diǎn)光源。該微透鏡陣列組件的微透鏡單元陣列以圓形或方形或其他形狀布置。微透鏡單元陣列中對(duì)應(yīng)于圓形入射光束的微透鏡單元陣列區(qū)域的面積也稱為有效陣列面積，被選擇為等于或大于光束整形組件的出瞳面積。這樣第一激光束的能量沒有或幾乎沒有損失地被完全用于形成陣列點(diǎn)光源，使得激光光源輸出的能量被有效轉(zhuǎn)化。根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)，無需采用重復(fù)頻率過低且價(jià)格昂貴能耗較高的放大級(jí)激光器，僅用常規(guī)激光器就可以使分束后的激光束陣列中每一激光束具有可以使待加工材料產(chǎn)生雙光子吸收效應(yīng)的能量，實(shí)現(xiàn)微納陣列結(jié)構(gòu)的加工。
[0099]第二激光光源7，例如為連續(xù)或者準(zhǔn)連續(xù)激光光源，波長(zhǎng)調(diào)節(jié)范圍為300nm-1064nm，平均功率為0.1 μ W-2W，用于產(chǎn)生輸出使待加工材料產(chǎn)生光鑷作用和表面等離子體吸收熱作用的第二激光束，第二光閘8用于控制第二激光光源輸出光路的開啟和關(guān)閉，第二衰減器9用于控制照射加工過程中來自第二激光光源產(chǎn)生的第二激光束入射到樣品中的激光功率。透鏡10和透鏡11例如為焦距l(xiāng)mm-500mm的透鏡，用于將第二激光光源7的第二激光束擴(kuò)束。第二光束整形器12用于對(duì)第二激光束呈高斯分布的能量進(jìn)行均勻化處理，產(chǎn)生第二平頂光束。在該光路中，包括擴(kuò)束透鏡10，11和光束整形器12的第二光束整形組件的出瞳面積等于或大于第一光路中第一光束整形組件的出瞳面積，且等于或小于系統(tǒng)中微透鏡陣列組件的有效陣列面積。
[0100]二向色鏡14用于反射第二平頂光束，并且透過第一平頂光束，以將第一平頂光束和第二平頂光束疊加為沿同一光路行進(jìn)的疊加平頂光束。疊加平頂光束的整個(gè)光束入射到微透鏡陣列組件15上，微透鏡陣列組件將能量均勻分布的疊加平頂光束分束為數(shù)百束激光，使焦點(diǎn)呈陣列分布，形成陣列點(diǎn)光源。該微透鏡陣列組件的微透鏡單元陣列以圓形或方形或其他形狀布置，微透鏡單元陣列中對(duì)應(yīng)于圓形入射光束的微透鏡單元陣列區(qū)域的面積也稱為有效陣列面積，其被選擇為等于或大于光束整形組件的出瞳面積。這樣第一和第二激光束的能量沒有或幾乎沒有損失地被完全用于形成陣列點(diǎn)光源，使得激光光源輸出的激光束的能量被有效轉(zhuǎn)化。根據(jù)本發(fā)明，無需采用重復(fù)頻率過低且價(jià)格昂貴的放大級(jí)激光器，僅用常規(guī)激光器就可以使分束后的激光束陣列中每一激光束具有可以使待加工材料產(chǎn)生雙光子吸收效應(yīng)、表面等離子體吸收和光鑷作用的能量，實(shí)現(xiàn)微納陣列結(jié)構(gòu)的加工。
[0101]中繼透鏡16，例如焦距為50mm-500mm的凸透鏡，用于使微透鏡陣列焦平面上發(fā)散的陣列點(diǎn)光源會(huì)聚于物鏡入瞳焦平面。反射鏡17用于將陣列點(diǎn)光源反射到物鏡中。物鏡18用于將陣列點(diǎn)光源聚焦到置于微移動(dòng)臺(tái)19上的待加工樣品20中。
[0102]物鏡18優(yōu)選為干燥物鏡、浸水物鏡或浸油物鏡，數(shù)值孔徑為0.75-1.65，放大倍數(shù)為10-100倍。微移動(dòng)臺(tái)19由計(jì)算機(jī)控制，移動(dòng)范圍例如為lnm-200mm。
[0103]圖2為本發(fā)明利用微透鏡分束后的陣列點(diǎn)光源聚焦于金屬離子溶液樣品中制作金屬陣列微納結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)的示意圖。中繼透鏡16將所述微透鏡陣列組件15發(fā)出的陣列點(diǎn)光源的發(fā)散光束會(huì)聚于物鏡入瞳平面處。進(jìn)入物鏡入瞳的每一束激光束25用顯微鏡物鏡18聚焦于放置在微移動(dòng)臺(tái)19的金屬離子溶液樣品20中。放置于三維移動(dòng)臺(tái)上的金屬離子溶液的樣品20包括基片21、施加在基片上的金屬離子溶液23和放置在所述溶液上的輔助襯底22。根據(jù)加工金屬微納陣列結(jié)構(gòu)的需要，通過微移動(dòng)臺(tái)，將基片21和金屬離子溶液23的界面，或者輔助襯底22和金屬離子溶液23的界面移動(dòng)到聚焦于物鏡18焦平面上的陣列焦點(diǎn)24的位置，可在基片21或者輔助襯底22上得到金屬微納陣列結(jié)構(gòu)。
[0104]圖3為本發(fā)明的方法的流程圖。
[0105]首先，在加工之前配置待加工材料，比如有機(jī)光敏材料、無機(jī)光敏材料和金屬離子溶液等。
[0106]所述有機(jī)光敏材料選自可發(fā)生光聚合反應(yīng)的有機(jī)材料、可發(fā)生光分解反應(yīng)的有機(jī)材料、含有可發(fā)生光交聯(lián)反應(yīng)分子的有機(jī)材料和含有可發(fā)生光異構(gòu)化反應(yīng)分子的有機(jī)材料。
[0107]所述無機(jī)光敏材料選自可發(fā)生光聚合反應(yīng)的無機(jī)材料、可發(fā)生光分解反應(yīng)的無機(jī)材料、含有可發(fā)生光交聯(lián)反應(yīng)分子的無機(jī)材料、含有可發(fā)生光還原反應(yīng)分子的無機(jī)材料和含有可發(fā)生光氧化反應(yīng)分子的無機(jī)材料。
[0108]所述的金屬離子溶液通常包括銀離子溶液、金離子溶液、鉬離子溶液、銅離子溶液、鐵離子溶液、鎳離子溶液、鈷離子溶液或鈕離子溶液。
[0109]所述金屬離子溶液可進(jìn)一步包括表面活性劑成分，如η-癸酞肌氨酸鈉鹽、檸檬酸鈉、十六烷基嗅化按、十二烷基苯磺酸鈉、丁酸鈉、戊酸鈉、己酸鈉、辛酸鈉、癸酸鈉以及兩者以上的混合物。
[0110]然后，將待加工的樣品放置于微移動(dòng)臺(tái)上。
[0111]所述待加工樣品包括基片、施加在所述基片上的待加工材料。所述基片通常為玻璃基片，例如普通光學(xué)玻璃、ITO玻璃基片或FTO玻璃基片，石英基片，陶瓷基片，氧化物基片，例如氧化鋯基片，半導(dǎo)體基片?？筛鶕?jù)需要對(duì)使用的基片涂覆或淀積薄膜，以便獲得良好的微納結(jié)構(gòu)。為防止微納結(jié)構(gòu)制作過程中加工材料中溶劑的蒸發(fā)，常采用基片、金屬離子溶液和透明輔助襯底組成的三明治結(jié)構(gòu)將溶液密封。例如，可將用于容納溶液的樣品槽放置于基片上，在槽中加滿金屬離子溶液后，將透明輔助襯底放置在樣品槽上，得到基片、金屬離子溶液和透明輔助襯底的三明治結(jié)構(gòu)。對(duì)于不透明或厚度超過所用聚焦物鏡工作距離的基片，須將激光束從所述三明治結(jié)構(gòu)的透明輔助襯底方向照射所述金屬離子溶液，對(duì)所述溶液中指定位置進(jìn)行加工。
[0112]隨后，調(diào)節(jié)第一激光光源I輸出的第一激光束，該激光束具有達(dá)到能夠使所述金屬離子溶液中的金屬離子產(chǎn)生多光子效應(yīng)的波長(zhǎng)，通過透鏡4和5擴(kuò)束使脈沖激光光源產(chǎn)生的激光束的光斑直徑調(diào)整到能夠滿足光束整形組件所要求的入射光束直徑。用光束整形器6對(duì)第一激光束呈高斯分布的光斑能量進(jìn)行均勻化處理，使其變成能量分布均勻的第一平頂光束，如圖4所示，激光束經(jīng)過光束整形器前后光斑能量由高斯分布變成了均等分布。
[0113]調(diào)節(jié)第二激光光源7輸出的第二激光束波長(zhǎng)，輸出產(chǎn)生光鑷作用和表面等離子體吸收熱作用的波長(zhǎng)，通過透鏡10和11擴(kuò)束使激光光源產(chǎn)生的激光束的光斑直徑調(diào)整為能夠滿足光束整形組件所要求的入射光束直徑。用光束整形器12對(duì)激光束呈高斯分布的光斑能量進(jìn)行均勻化處理，使其變成能量分布均勻的第二平頂光束，如圖4所示，激光束經(jīng)過光束整形器前后光斑能量由高斯分布變成了均等分布。所述光束整形器6和12的適用波長(zhǎng)范圍157nm-1064nm，光束整形器所要求的入射光束直徑例如為lmm-20mm。隨后，用二向色鏡將第一平頂光束和第二平頂光束疊加為沿同一光路行進(jìn)的疊加平頂光束。隨后，用微透鏡陣列7將上述能量均等的疊加平頂光束分為數(shù)百束激光束，使焦點(diǎn)呈陣列分布。如圖5所示，平頂光束為圓形光斑，其相位和電磁場(chǎng)強(qiáng)度在垂直于傳播方向的平面內(nèi)處處相等，可認(rèn)為是平行光，經(jīng)微透鏡陣列分束后，聚焦于其焦平面上，形成陣列點(diǎn)光源。陣列點(diǎn)光源的整體輪廓形貌受入射平頂光束的圓形形貌影響，仍為圓形分布。所述微透鏡陣列組件由數(shù)百個(gè)小的透鏡單元陣列組成，陣列單元周期分布，周期例如為0.1 μ所述微透鏡陣列的材質(zhì)可為玻璃，石英，樹脂聚合物。所述微透鏡陣列單元形狀可為球面透鏡單元、非球面透鏡單元。所述非球面微透鏡陣列單元形狀為拋物面狀、三面體狀、四面體狀、六面體狀、八面體狀和圓錐體狀。
[0114]隨后，用中繼透鏡16使微透鏡陣列焦平面上發(fā)散的陣列點(diǎn)光源會(huì)聚于物鏡入瞳。中繼透鏡16為焦距例如為50mm-500mm的凸透鏡。
[0115]隨后，用顯微鏡物鏡18將微透鏡產(chǎn)生的數(shù)百束激光束聚焦到物鏡焦平面，在焦平面上重新形成陣列焦點(diǎn)。通過對(duì)光路上各光學(xué)組件進(jìn)行調(diào)節(jié)，使兩種波長(zhǎng)光束被調(diào)節(jié)為聚焦于同一焦點(diǎn)。
[0116]調(diào)節(jié)總的激光能量使每一束激光的焦點(diǎn)范圍內(nèi)被照射的金屬離子能夠同時(shí)吸收多個(gè)光子產(chǎn)生多光子吸收效應(yīng)引發(fā)光化學(xué)反應(yīng)被還原為金屬納米顆粒。用聚焦的數(shù)百束激光束照射所述金屬離子溶液，使激光陣列焦點(diǎn)在金屬離子溶液中移動(dòng)，在溶液中得到金屬納米顆粒。
[0117]最后，調(diào)節(jié)加工系統(tǒng)中的三維微移動(dòng)臺(tái)，使上述激光陣列焦點(diǎn)在溶液中移動(dòng)以得到預(yù)定的金屬陣列納米結(jié)構(gòu)。溶液中的金屬離子在每一束激光束作用下產(chǎn)生多光子吸收效應(yīng)被還原為金屬納米顆粒，隨激光束移動(dòng)，在每一束的移動(dòng)范圍內(nèi)，被還原出來的金屬納米顆粒經(jīng)過不斷的聚集而形成金屬微納結(jié)構(gòu)，當(dāng)施加上第二激光束，使剛剛形成的金屬納米顆粒在第二激光束的光鑷作用和表面等離子體熱作用下，向激光束焦點(diǎn)的中心聚集并發(fā)生熔合，得到加工分辨率更為精細(xì)的金屬納米結(jié)構(gòu)。
[0118]圖6為中繼透鏡調(diào)節(jié)微納陣列結(jié)構(gòu)的間距原理圖。平頂光束經(jīng)微透鏡陣列分束后，在微透鏡焦平面上聚焦形成了陣列點(diǎn)光源，由于陣列點(diǎn)光源繼續(xù)向后傳播時(shí)逐漸發(fā)散，為了能夠使發(fā)散的點(diǎn)光源加入物鏡入瞳聚焦，需要在微透鏡與物鏡中間放置中繼透鏡，用來使微透鏡陣列焦平面上發(fā)散的點(diǎn)光源會(huì)聚于物鏡入瞳平面。根據(jù)圖6的幾何光路分析，可知顯微鏡物鏡焦平面上陣列焦點(diǎn)周期為w = (1*?0)/(Μ*Π)，其中I為顯微鏡物鏡鏡筒長(zhǎng)度，例如奧林巴斯顯微鏡物鏡鏡筒長(zhǎng)度為180，M為顯微鏡放大倍數(shù)，1/M為顯微鏡物鏡的焦距，fl為中繼透鏡的焦距，wO為微透鏡陣列的透鏡單元周期。因此通過調(diào)節(jié)中繼透鏡的焦距、微透鏡的周期和物鏡放大倍數(shù)，可以調(diào)節(jié)物鏡焦平面上陣列焦點(diǎn)的周期，從而實(shí)現(xiàn)周期性微納陣列結(jié)構(gòu)周期的調(diào)節(jié)。
[0119]需要特別指出的是，第一光路可以單獨(dú)使用，也和和第二光路結(jié)合使用。當(dāng)使用單光束加工時(shí)，待加工材料可以為有機(jī)光敏材料、無機(jī)光敏材料和金屬離子溶液等，以金屬離子溶液為例，溶液中的金屬離子在第一激光束作用下產(chǎn)生多光子吸收效應(yīng)被還原為金屬納米顆粒，被還原出來的金屬納米顆粒經(jīng)過聚集而形成金屬微納結(jié)構(gòu)。當(dāng)?shù)谝还饴泛偷诙饴吠瑫r(shí)使用時(shí)，優(yōu)選待加工材料為金屬離子溶液，溶液中的金屬離子在第一激光束作用下產(chǎn)生多光子吸收效應(yīng)被還原為金屬納米顆粒，施加上第二激光束，使剛剛形成的金屬納米顆粒在第二激光束的光鑷作用和表面等離子體熱作用下，向激光束焦點(diǎn)的中心聚集并發(fā)生熔合，從而使被還原出來的金屬納米顆粒聚集的更緊密，結(jié)構(gòu)更致密，而且金屬納米顆粒在較少的還原量的情況下，也能聚集形成金屬微納結(jié)構(gòu)，相比單光束可以形成分辨率更高的金屬微納結(jié)構(gòu)。
[0120]實(shí)施例1
[0121]以下結(jié)合圖7和圖8，以在玻璃基片上利用單光束制備銀納米點(diǎn)陣列為例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的說明。
[0122]首先，關(guān)閉第一光路和第二光路的光閘2和8，將承載有銀離子溶液的樣品置于所述微移動(dòng)臺(tái)上。
[0123]承載有銀離子溶液的樣品包括待加工玻璃基片，施加在所述基片上的銀離子溶液，和透明輔助襯底。銀離子溶液中銀離子的濃度為0.01M-0.5M，表面活性劑η-癸酞肌氨酸鈉鹽濃度為0.01Μ-0.2Μ。為防止金屬微納結(jié)構(gòu)制作過程中溶液的蒸發(fā)，常采用待加工玻璃基片、銀離子溶液和透明輔助襯底組成的三明治結(jié)構(gòu)將溶液密封。
[0124]隨后，調(diào)節(jié)第一激光光源I鈦寶石飛秒脈沖激光器輸出的激光束波長(zhǎng)，達(dá)到能夠使所述銀離子溶液中的銀離子產(chǎn)生多光子效應(yīng)的780nm波長(zhǎng)，進(jìn)一步調(diào)節(jié)得到脈沖寬度為10fS，脈沖重復(fù)頻率為82MHz，光束直徑為1mm。
[0125]通過透鏡4和5擴(kuò)束使激光光源產(chǎn)生的波長(zhǎng)780nm飛秒脈沖激光束的光斑直徑能夠滿足第一光束整形器6所要求的入射光束直徑6mm,光斑整形之前的高斯光束光強(qiáng)分布如圖7A。
[0126]隨后，用第一光束整形器6對(duì)激光束呈高斯分布的光斑能量進(jìn)行均勻化處理，使其變成能量分布均勻的平頂光束，該平頂光束的直徑6mm，光斑整形之后的高斯光束光強(qiáng)分布如圖7B。
[0127]隨后，微透鏡陣列組件15將上述能量均等的平頂光束分為數(shù)百束激光束，使焦點(diǎn)呈陣列分布。平頂光束為直徑6_圓形光斑，其相位和電磁場(chǎng)強(qiáng)度在垂直于傳播方向的平面內(nèi)處處相等，可認(rèn)為平行光，經(jīng)微透鏡陣列15分束后，聚焦于其焦平面上，形成陣列點(diǎn)光源，微透鏡分束后的焦點(diǎn)處光強(qiáng)分布如圖7C所示。陣列點(diǎn)光源的整體輪廓形貌受入射平頂光束的圓形形貌影響，仍為圓形分布。該微透鏡陣列組件的有效陣列區(qū)域面積為直徑25.4mm的圓形，微透鏡陣列材質(zhì)為石英玻璃，微透鏡陣列單元形狀為球面型，陣列單元周期性分布周期為0.6mm。平頂光束的光斑面積為直徑6mm的圓，其面積小于微透鏡陣列組件的有效陣列區(qū)域面積，其照射微透鏡陣列時(shí)，覆蓋大約70個(gè)微透鏡單元，在其焦平面形成大約70個(gè)陣列點(diǎn)光源。
[0128]隨后，用焦距為250mm的凸透鏡的中繼透鏡16使微透鏡陣列焦平面上發(fā)散的點(diǎn)光源會(huì)聚于物鏡入瞳。
[0129]隨后，用顯微鏡物鏡18將微透鏡產(chǎn)生的數(shù)百束激光束聚焦到物鏡焦平面，在焦平面上形成陣列焦點(diǎn)。如圖2所示，將微透鏡產(chǎn)生的約70束激光束25經(jīng)數(shù)值孔徑為1.45、放大倍數(shù)為100倍的油浸物鏡18聚焦于物鏡焦平面，形成陣列焦點(diǎn)24。使陣列焦點(diǎn)24移動(dòng)到放置在計(jì)算機(jī)操縱的三維微移動(dòng)臺(tái)19上的玻璃基片21和輔助襯底22間的銀離子溶液23中。
[0130]調(diào)節(jié)激光加工系統(tǒng)中的微移動(dòng)臺(tái)19，調(diào)節(jié)陣列焦點(diǎn)24的位置，使物鏡會(huì)聚的陣列焦點(diǎn)聚焦于在金屬離子溶液23與玻璃基片21的界面所在高度，然后通過控制第一光閘2來控制曝光時(shí)間，同時(shí)調(diào)節(jié)第一光衰減器3控制曝光的能量，使上述陣列焦點(diǎn)24在溶液與玻璃基片的界面處曝光一定時(shí)間得到銀納米點(diǎn)陣列。溶液中的銀離子在激光束780nm激光作用下產(chǎn)生多光子吸收效應(yīng)被還原為銀納米顆粒，銀納米顆粒不斷聚集而形成銀納米點(diǎn)陣列。從而實(shí)現(xiàn)一次曝光，制備約70個(gè)納米點(diǎn)陣列。
[0131]通過調(diào)節(jié)位于光路上的第一光衰減器，來調(diào)節(jié)激光器產(chǎn)生的飛秒脈沖激光束的總功率為0.1-2.8W，通過計(jì)算機(jī)控制第一光閘的開關(guān)，控制曝光時(shí)間為Ι-lOOOms，可在玻璃基片上獲得直徑為100-500nm的銀納米點(diǎn)陣列。
[0132]最后，清洗基片，除去剩余的溶液，獲得金屬微納陣列結(jié)構(gòu)。
[0133]圖8為利用本發(fā)明所述的利用激光制作金屬納米點(diǎn)的方法，周期600微米的微透鏡陣列將平頂光分束為大約70束，在激光光源780nm飛秒激光和100倍物鏡下，調(diào)節(jié)70束激光束聚焦于輔助襯底和金屬離子溶液的界面，總功率為256mW，曝光時(shí)間300ms時(shí)制作的銀納米點(diǎn)陣列的掃描電鏡圖，銀納米點(diǎn)的直徑為300nm，銀點(diǎn)之間的間距為4.30微米，根據(jù)圖6原理計(jì)算的理論值為4.32微米。
[0134]圖9為利用本發(fā)明所述的利用激光制作金屬納米點(diǎn)的方法，周期400微米的微透鏡陣列將平頂光分束為大約200束，在激光光源780nm飛秒激光和60倍物鏡下，調(diào)節(jié)200束激光束聚焦于基片和金屬離子溶液的界面，總功率為124mW，曝光時(shí)間300ms時(shí)制作的銀納米點(diǎn)陣列的掃描電鏡圖，銀納米點(diǎn)的直徑為400nm，銀點(diǎn)之間的間距為4.90微米，根據(jù)圖6原理計(jì)算的理論值為4.80微米。
[0135]實(shí)施例2
[0136]以下結(jié)合圖7和圖9，以在玻璃基片上利用單光束制備銀納米線陣列為例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的說明。
[0137]保持其他條件與實(shí)例I相同，通過調(diào)節(jié)位于光路上的第一光衰減器，來調(diào)節(jié)激光器產(chǎn)生的飛秒脈沖激光束的總功率為0.1-2.8W，通過計(jì)算機(jī)控制第一光閘的開關(guān)，改變?nèi)S微移動(dòng)臺(tái)的移動(dòng)速度為20nm/ms-lnm/ms，可在玻璃基片上獲得直徑為100_500nm的銀納米線陣列。
[0138]圖10為利用本發(fā)明所述的利用激光制作金屬納米線的方法，周期600微米的微透鏡陣列將平頂光分束為大約70束，在激光光源780nm飛秒激光和100倍物鏡下，總功率為193mff,調(diào)節(jié)70束激光束聚焦于輔助襯底和金屬離子溶液的界面，并通過計(jì)算機(jī)控制微移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行移位，移動(dòng)速度2nm/ms，激光束在銀離子溶液掃描，制作銀納米字母“L”陣列，掃描電鏡圖如圖10所示，銀納米字母“L”之間的間距為4.30微米，根據(jù)圖6原理計(jì)算的理論值為4.32微米。
[0139]顯然，本發(fā)明的上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式的限定，對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)，這里無法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉，凡是屬于本發(fā)明的技術(shù)方案所引伸出的顯而易見的變化或變動(dòng)仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之列。
[0140]本發(fā)明獲得國(guó)家自然科學(xué)基金“納米制造的基礎(chǔ)研究”重大研究計(jì)劃重點(diǎn)支持項(xiàng)目(91123032)和科技部國(guó)家“納米研究”重大研究計(jì)劃項(xiàng)目(2010CB934103)資助。
【權(quán)利要求】
1.一種激光制備微納陣列結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，包括: 用于提供使待加工材料產(chǎn)生多光子吸收效應(yīng)的第一激光束的第一激光光源； 用于將所述第一激光束均勻化為能量分布均勻的第一平頂光束的第一光束整形組件； 用于將所述第一平頂光束分束為以陣列排列的多個(gè)激光束的微透鏡陣列組件； 用于將陣列排列的激光束分別聚焦于同一平面的光束聚焦組件；和 計(jì)算機(jī)控制的微移動(dòng)臺(tái)， 其特征在于， 所述光束整形組件的出瞳面積等于或小于所述微透鏡陣列組件的有效陣列面積。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備微納陣列結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，其特征在于，所述光束整形組件包括: 用于對(duì)來自第一激光光源的第一激光束進(jìn)行擴(kuò)束的第一擴(kuò)束透鏡，和用于將高斯分布的擴(kuò)束透鏡出射光整形為能量均勻分布的第一平頂光束的第一光束整形器， 第一光束整形器的出瞳面積等于或小于所述微透鏡陣列組件的有效陣列面積。
3.一種激光制備微納陣列結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，其特征在于，包括: 用于提供使待加工材料產(chǎn)生多光子吸收效應(yīng)的第一激光束的第一激光光源和用于提供使待加工材料產(chǎn)生表面等離子體吸收和光鑷作用的第二激光束的第二激光光源； 用于將所述第一激光束均勻化為能量分布均勻的第一平頂光束的第一光束整形組件和用于將所述第二激光束均勻化為能量分布均勻的第二平頂光束的第二光束整形組件；用于將所述第一平頂光束和所述第二平頂光束疊加為沿同一光路行進(jìn)的疊加平頂光束的二向色鏡和反射鏡； 用于將所述疊加平頂光束分束為以陣列排列的多個(gè)激光束的微透鏡陣列組件； 用于將陣列排列的各激光束分別聚焦于同一平面的光束聚焦組件；和 計(jì)算機(jī)控制的微移動(dòng)臺(tái)， 其特征在于， 所述第一光束整形組件的出瞳面積等于或小于所述第二光束整形組件的出瞳面積，且第二光束整形組件的出瞳面積等于或小于所述微透鏡陣列組件的有效陣列面積。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備微納陣列結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一光束整形組件包括: 用于對(duì)來自第一激光光源的第一激光束進(jìn)行擴(kuò)束的第一擴(kuò)束透鏡，和 用于將高斯分布的第一擴(kuò)束透鏡出射光整形為能量均勻分布的平頂光束的光束整形器； 第一光束整形組件的出瞳面積等于或小于第二擴(kuò)束透鏡的出瞳面積，第二擴(kuò)束透鏡的出瞳面積等于或小于所述微透鏡陣列組件的有效陣列面積，且所述第二光束整形組件包括: 用于對(duì)來自第二激光光源的第二激光束進(jìn)行擴(kuò)束的第二擴(kuò)束透鏡，和 用于將高斯分布的第二擴(kuò)束透鏡出射光整形為能量均勻分布的平頂光束的光束整形器， 第二擴(kuò)束透鏡的出瞳面積等于或小于所述微透鏡陣列組件的有效陣列面積。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的制備微納陣列結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，其特征在于，所述微透鏡陣列組件是由數(shù)十、數(shù)百或者數(shù)千個(gè)透鏡單元組成的陣列結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的制備微納陣列結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，其特征在于，所述微透鏡陣列單元周期為0.1 μ m-10mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的制備微納陣列結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，其特征在于，所述光束聚焦組件包括: 用于將以陣列排列的多個(gè)激光束分別聚焦于同一平面的顯微鏡物鏡，和放置于在所述微透鏡陣列組件與物鏡之間用于使微透鏡陣列焦平面上的點(diǎn)光源會(huì)聚于物鏡入瞳的中繼透鏡。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制備微納陣列結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，其特征在于，所述的中繼透鏡為凸透鏡，焦距為50mm-500mm。
9.一種激光制備微納陣列結(jié)構(gòu)的方法，包括 提供具有使待加工材料產(chǎn)生多光子吸收效應(yīng)的波長(zhǎng)的第一激光束； 將高斯分布的第一激光束均勻化處理為能量分布均勻的第一平頂光束； 用微透鏡陣列組件將平頂光束分束為以陣列排列的多個(gè)激光束； 將陣列排列的多個(gè)激光束分別聚焦于同一平面的光束聚焦組件；和對(duì)置于計(jì)算機(jī)控制的微移動(dòng)臺(tái)上的待加工樣品進(jìn)行掃描，得到數(shù)百個(gè)微納尺度的周期性陣列結(jié)構(gòu)， 其特征在于， 所述第一平頂光束的束斑面積等于或小于所述微透鏡陣列組件的有效陣列面積。
10.一種激光制備微納陣列結(jié)構(gòu)的方法，包括 提供具有使待加工材料產(chǎn)生多光子吸收效應(yīng)的波長(zhǎng)的第一激光束和具有使該待加工材料產(chǎn)生表面等離子體吸收和光鑷作用的第二激光束； 分別將高斯分布的第一激光束和第二激光束均勻化處理為能量分布均勻的第一平頂光束和第二平頂光束； 用于將所述第一平頂光束和所述第二平頂光束疊加為沿同一光路行進(jìn)的疊加平頂光束； 用微透鏡陣列組件將所述疊加平頂光束分束為以陣列排列的多個(gè)激光束； 將陣列排列的各激光束分別聚焦于同一平面；和 用陣列排列的激光束對(duì)置于計(jì)算機(jī)控制的微移動(dòng)臺(tái)上的待加工樣品進(jìn)行掃描，得到數(shù)百個(gè)微納尺度的周期性陣列結(jié)構(gòu)， 其特征在于， 所述第一平頂光束的束斑面積等于或者小于所述第二平頂光束的束斑面積，且所述第二平頂光束的束斑面積等于或小于所述微透鏡陣列組件的有效陣列面積。
【文檔編號(hào)】B23K26/06GK104439699SQ201410583872
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年10月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月27日
【發(fā)明者】段宣明, 趙圓圓, 鄭美玲, 趙震聲 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所