一種納米激光器激光合束器件的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種納米激光器激光合束器件的制備方法，包括：曲面多層膜的制備；曲面多層膜的平坦化；曲面多層膜的減薄；涂覆、固化溶膠層；在溶膠層上沉積金屬Ag層；反復(fù)涂覆溶膠層-沉積Ag層，最終得到這種納米激光器激光合束器件。該納米激光器激光合束器件利用人工材料結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)激光光束的定向耦合、傳輸，克服了單個(gè)納米激光器激光功率有限的不足，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多束激光的合束。
【專利說(shuō)明】一種納米激光器激光合束器件的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種制備激光合束器件的方法，尤其涉及納米激光器激光合束器件的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]1960年第一臺(tái)紅寶石激光器的誕生是20世紀(jì)最重要的發(fā)明之一。半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，激光器正朝著更小體積、更快調(diào)制速度、更大功率、更高效率、更低成本等方向飛速發(fā)展。2001年，美國(guó)加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的研究人員在只有人類(lèi)頭發(fā)絲千分之一大小的納米光導(dǎo)線上制造出世界上最小的激光器-氧化鋅納米激光器。這是納米技術(shù)誕生以來(lái)的一項(xiàng)重大實(shí)際應(yīng)用。這類(lèi)納米激光器在信息傳輸?shù)墓饣ミB、生物探測(cè)、醫(yī)療、納米光刻加工、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。
[0003]但目前報(bào)道的納米激光器大多普遍存在損耗高、功率低等問(wèn)題，使其在應(yīng)用方面受到一定的限制。隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)僅僅利用單一納米激光器來(lái)實(shí)現(xiàn)高功率是非常困難的。因此，為了獲得高功率的激光，采用激光合束的方法是一條較好且實(shí)用的途徑。傳統(tǒng)激光合束主要是基于物質(zhì)對(duì)光的色散作用，并且多利用棱鏡或者光柵的色散作用來(lái)實(shí)現(xiàn)激光合束的目的。而針對(duì)納米激光器與新型人工材料結(jié)構(gòu)的激光合束研究報(bào)道幾乎沒(méi)有。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是:針對(duì)單個(gè)納米激光器激光功率有限的不足，通過(guò)構(gòu)建人工材料結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)激光的空間耦合、傳輸，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多束激光的合束來(lái)提高納米激光器的激光功率。
[0005]本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題采用的技術(shù)方案是:一種納米激光器激光合束器件的制備方法，利用多層膜減薄技術(shù)與涂覆多層膜技術(shù)制備納米激光器激光合束器件的方法，包括下列步驟:
[0006]步驟(I)、在已制備得到的曲面溝槽上沉積多層膜，共沉積5-20組，每組由2層膜層組成，每層膜厚=15-30nm，所述多層膜總厚度為150_1200nm，其中金屬Ag層和SiO2層交替沉積；
[0007]步驟(2)、在曲面多層膜上采用涂覆、固化的方法進(jìn)行平坦化，控制平坦化之后的平面高低起伏<10nm，表面粗糙度RMS〈2nm ；
[0008]步驟(3)、對(duì)步驟(2)中得到平坦化之后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行多層膜減薄(刻蝕)工藝，通過(guò)控制離子束刻蝕機(jī)的束流大小、入射角度、氣體流量與基底溫度等工藝條件，使減薄之后的曲面多層膜的深度<50nm ；
[0009]步驟(4)、在步驟(3)中得到的減薄之后的曲面多層膜上涂布一層可固化的溶膠層，溶膠層在表面張力與重力的雙重作用下會(huì)在曲面多層膜里形成弧面結(jié)構(gòu)，經(jīng)加熱或紫外光照射處理后溶膠層固化；所述溶膠層的厚度為2nm至IOOnm ；
[0010]步驟(5)、在步驟(4)中得到的溶膠層上沉積一層金屬Ag膜層，所述金屬Ag膜層的厚度為2nm至IOOnm ；
[0011]步驟(6)、在步驟(5)中所沉積的金屬Ag層上交替涂覆固化溶膠層和沉積Ag膜層，得到溶膠層和Ag層交替組成的多層弧面膜層，直到將凹槽填平，即制備得到這種納米激光器激光合束器件。
[0012]所述步驟(I)中所制備的曲面多層膜可以通過(guò)磁控濺射鍍膜、真空蒸發(fā)蒸鍍、電子束蒸發(fā)鍍膜，也可以采用混合方式鍍膜。
[0013]所述步驟(2)中采用的平坦化材料可以為紫外光刻膠、壓印膠也可以為PMMA等聚合物。
[0014]所述步驟(3)中打平工藝可以利用RIE、IBE或ICP來(lái)實(shí)現(xiàn)?？涛g所選氣體可以是SF6、CHF3*Ar。
[0015]所述步驟(4)中涂覆的溶膠層包括SOG或PMMA。
[0016]所述步驟(5)中沉積的金屬Ag膜可以利用真空蒸發(fā)沉積也可以利用磁控濺射沉積。
[0017]所述步驟(6)中溶膠層與Ag層交替組成的多層弧面膜層的層數(shù)為1-20層。
[0018]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比所具有的優(yōu)點(diǎn)是:
[0019]本發(fā)明可以克服現(xiàn)有單個(gè)納米激光器激光功率有限的不足，通過(guò)構(gòu)建人工材料結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)激光的空間耦合、傳輸，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多束激光的合束來(lái)提高納米激光器的激光功率，同時(shí)，所制備的納米激光器激光合束器件具有結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定、容易加工等特點(diǎn)，在一定程度拓展了現(xiàn)有激光合束技術(shù)應(yīng)用范圍。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1為本發(fā)明方法的流程圖；
[0021]圖2為制備的曲面多層膜結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖3為平坦化之后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖4為減薄后的曲面多層膜結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖5為涂覆一層溶膠層后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖6為在溶膠層上沉積一層金屬Ag層結(jié)構(gòu)不意圖；
[0026]圖7為反復(fù)涂覆溶膠層-沉積Ag層得到的納米激光器激光合束器件結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖8為設(shè)計(jì)的激光合束器件對(duì)365nm激光的合束效果模擬光場(chǎng)分布圖；
[0028]圖9為設(shè)計(jì)納米激光器激光合束器件的合束效果圖；其中，X軸表示空間位置坐標(biāo)。Y軸表不空間位置上的光強(qiáng)分布，合束后，光束的峰值半寬400nm。
[0029]圖中:1為金屬Ag，2為二氧化硅，3為平坦化層，4為固化溶膠層。
【具體實(shí)施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖及【具體實(shí)施方式】詳細(xì)介紹本發(fā)明。但以下的實(shí)施例僅限于解釋本發(fā)明，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)包括權(quán)利要求的全部?jī)?nèi)容，而且通過(guò)以下實(shí)施例本領(lǐng)域技術(shù)人員即可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明權(quán)利要求的全部?jī)?nèi)容。
[0031]實(shí)施例1，如圖1所示，在徑深200nm的曲面溝槽上制備納米激光器激光合束器件，其具體實(shí)施步驟如下:[0032]( I)在曲面溝槽上沉積曲面多層膜結(jié)構(gòu)。利用磁控濺射沉積，交替沉積金屬Ag和介質(zhì)SiO2，其中金屬Ag采用直流濺射沉積，直流功率120W ;介質(zhì)SiO2采用射頻濺射沉積，沉積功率200w。每層膜厚為20nm。共沉積10組20層，總膜厚為400nm，如圖2所示；I代表金屬Ag ; 2代表二氧化硅。
[0033](2)采用涂覆AZ-3100光刻膠的方式進(jìn)行平坦化，轉(zhuǎn)速4000rpm，旋涂時(shí)間40s，在120°C的熱板上烘焙lh。膠厚為lOOOnm，如圖3所示；3代表平坦化層。
[0034](3)通過(guò)IBE刻蝕來(lái)減薄曲面多層膜。首先通過(guò)對(duì)平面多層膜與平坦化材料在不同的入射角與不同的離子束流條件下刻蝕速率的研究，得到刻蝕速率隨入射角度與離子束流變化的分布曲線，篩選出刻蝕多層膜與平坦化材料速率相差最小或一致的工藝條件，然后利用IBE進(jìn)行刻蝕。首先選擇離子束流20mA，入射角度60° (基片的法線與離子束流的夾角)，采用Ar氣進(jìn)行刻蝕。其中刻蝕5min進(jìn)行一次光刻膠后烘5min，共刻蝕30min。減薄后的曲面溝槽深度為50nm，如圖4所示。
[0035](4)在步驟(3)中得到的減薄后的曲面多層膜，涂覆一層PMMA固化溶膠層。涂覆的固化溶膠層在表面張力與重力的作用下會(huì)在凹槽位置形成弧面，經(jīng)120°C加熱后PMMA溶膠層層固化，如圖5所示；4代表固化溶膠層。
[0036](5)在步驟(4)中得到的固化溶膠層上沉積一層金屬Ag層，采用磁控濺射沉積的方式，沉積膜厚20nm，如圖6所示。
[0037](6)在步驟(5)中所鍍的Ag膜上繼續(xù)涂覆PMMA固化溶膠層，再沉積Ag層，共重復(fù)2次，就得到納米激光器激光合束器件結(jié)構(gòu)，如圖7所示。
[0038]實(shí)施例2，在如圖1所示，在徑深250nm的曲面溝槽上制備納米激光器激光合束器件，其具體實(shí)施步驟如下:
[0039](I)在已制備得到的曲面溝槽上沉積曲面多層膜結(jié)構(gòu)。利用蒸發(fā)鍍膜方式沉積，交替沉積金屬Ag和介質(zhì)SiO2,其中金屬Ag采用熱蒸發(fā)沉積，；介質(zhì)SiO2采用電子束蒸發(fā)沉積。每層膜厚為30nm。共沉積8組16層，總膜厚為480nm,如圖2所不；I代表金屬Ag ;2
代表二氧化硅。
[0040](2)采用涂覆AR-P3120光刻膠溶膠層的方式進(jìn)行平坦化，轉(zhuǎn)速5000rpm，懸涂時(shí)間40s，在100°C的熱板上烘焙Ih。膠厚為600nm，如圖3所示；3代表平坦化層。
[0041](3)通過(guò)IBE刻蝕來(lái)減薄曲面多層膜。選擇刻蝕多層膜與刻蝕平坦化材料速率相差不大或一致的工藝參數(shù)進(jìn)行刻蝕。采用離子束流50mA，入射角度45°。其中刻蝕3min進(jìn)行一次光刻膠后烘。后烘溫度100°C,后烘3min,共刻蝕15min。減薄后的曲面溝槽深度為30-50nm，如圖4所示。
[0042](4)在步驟(3)中得到的減薄后的曲面多層膜，涂覆一層SOG固化溶膠層。涂覆的固化溶膠層在表面張力與重力的作用下會(huì)在凹槽位置形成弧面，經(jīng)100°C加熱后介質(zhì)層固化，如圖5所示；4代表固化溶膠層。
[0043](5)在步驟(4)中得到的固化溶膠層上沉積一層金屬Ag層，采用熱蒸發(fā)沉積的方式，沉積膜厚20-30nm，如圖6所示。
[0044](6)在步驟(5)中所鍍的Ag膜上繼續(xù)涂覆AR-P3170固化溶膠層，再沉積Ag層，共反復(fù)重復(fù)3次，就得到納米激光器激光合束器件結(jié)構(gòu)，如圖7所示。
[0045]實(shí)施例3，如圖1所示，在徑深300nm的曲面溝槽上制備納米激光器激光合束器件，其具體實(shí)施步驟如下:
[0046]( I)在曲面溝槽上沉積曲面多層膜結(jié)構(gòu)。利用磁控濺射沉積，交替沉積金屬Ag和介質(zhì)Si02，其中金屬Ag采用直流濺射沉積，直流功率120w ;介質(zhì)Si02采用射頻濺射沉積，沉積功率200w。每層膜厚為15nm。共沉積20組40層，總膜厚為600nm，如圖2所示；I代表金屬Ag ；2代表二氧化娃。
[0047](2)采用涂覆AR-P3170光刻膠的方式進(jìn)行平坦化，轉(zhuǎn)速2000rpm，旋涂時(shí)間40s，重復(fù)涂覆5次。在120°C的熱板上烘焙lh。膠厚為600nm，如圖3所示；3代表平坦化層。
[0048](3)通過(guò)IBE刻蝕來(lái)減薄曲面多層膜。首先通過(guò)對(duì)平面多層膜與平坦化材料在不同的入射角與不同的離子束流條件下刻蝕速率的研究，得到刻蝕速率隨入射角度與離子束流變化的分布曲線，篩選出刻蝕多層膜與平坦化材料速率相差一致的工藝條件，然后利用IBE進(jìn)行刻蝕。首先選擇離子束流40mA，入射角度75° (基片的法線與離子束流的夾角)，采用Ar氣進(jìn)行刻蝕。其中刻蝕2min進(jìn)行一次光刻膠后烘5min，共刻蝕20min。減薄后的曲面溝槽深度為30nm，如圖4所示。
[0049](4)在步驟(3)中得到的減薄后的曲面多層膜，涂覆一層PMMA固化溶膠層。涂覆的固化溶膠層在表面張力與重力的作用下會(huì)在凹槽位置形成弧面，經(jīng)180°C加熱后PMMA溶膠層層固化，如圖5所示；4代表固化溶膠層。
[0050](5)在步驟(4)中得到的固化溶膠層上沉積一層金屬Ag層，采用磁控濺射沉積的方式，沉積膜厚15nm，如圖6所示。
[0051](6)在步驟(5)中所鍍的Ag膜上繼續(xù)涂覆PMMA固化溶膠層，再沉積Ag層，共重復(fù)3次，就得到納米激光器激光合束器件結(jié)構(gòu)，如圖7所示；
[0052]實(shí)施例4，如圖1所示，在徑深200nm的曲面溝槽上制備納米激光器激光合束器件，其具體實(shí)施步驟如下:
[0053](I)在曲面溝槽上沉積曲面多層膜結(jié)構(gòu)。利用蒸發(fā)沉積，交替沉積金屬Ag和介質(zhì)Si02，其中金屬Ag采用熱蒸發(fā)的方式沉積；介質(zhì)Si02采用電子束蒸發(fā)沉積。每層膜厚為15nm。共沉積16組32層，總膜厚為480nm,如圖2所不；1代表金屬Ag ；2代表二氧化娃。
[0054](2)采用涂覆PMMA的方式進(jìn)行平坦化，轉(zhuǎn)速3000rpm，旋涂時(shí)間50s，重復(fù)涂覆7次。在120°C的熱板上烘焙lh。膠厚為600nm，如圖3所示；3代表平坦化層。
[0055](3)通過(guò)IBE刻蝕來(lái)減薄曲面多層膜。首先通過(guò)對(duì)平面多層膜與平坦化材料在不同的入射角與不同的離子束流條件下刻蝕速率的研究，得到刻蝕速率隨入射角度與離子束流變化的分布曲線，篩選出刻蝕多層膜與平坦化材料速率相差一致的工藝條件，然后利用IBE進(jìn)行刻蝕。首先選擇離子束流50mA，入射角度75° (基片的法線與離子束流的夾角)，采用Ar氣進(jìn)行刻蝕。其中刻蝕Imin進(jìn)行一次光刻膠后烘5min，共刻蝕18min。減薄后的曲面溝槽深度為20nm，如圖4所示。
[0056](4)在步驟(3)中得到的減薄后的曲面多層膜，涂覆一層SOG固化溶膠層。涂覆的固化溶膠層在表面張力與重力的作用下會(huì)在凹槽位置形成弧面，經(jīng)200°C加熱后SOG溶膠層層固化，如圖5所示；4代表固化溶膠層。
[0057](5)在步驟(4)中得到的固化溶膠層上沉積一層金屬Ag層，采用電子束蒸發(fā)沉積的方式，沉積膜厚15nm,如圖6所示。
[0058](6)在步驟(5)中所鍍的Ag膜上繼續(xù)涂覆SOG固化溶膠層，再沉積Ag層，共重復(fù)2次，就得到納米激光器激光合束器件結(jié)構(gòu)，如圖7所示。
[0059]圖9為設(shè)計(jì)納米激光器激光合束器件的合束效果圖；其中，X軸表示空間位置坐標(biāo)。Y軸表不空間位置上的光強(qiáng)分布，合束后，光束的峰值半寬400nm。
[0060]本發(fā)明未詳細(xì)闡述的部分屬于本領(lǐng)域公知技術(shù)。
【權(quán)利要求】
1.一種納米激光器激光合束器件的制備方法，其特征在于:該方法包括以下步驟: 步驟(I)、在已制備得到的曲面溝槽上沉積多層膜，共沉積5-20組，每組由2層膜層組成，每層膜厚=15-30nm，所述多層膜總厚度為150_1200nm，其中Ag層和Si02層交替沉積； 步驟(2)、在曲面多層膜上采用涂覆、固化的方法進(jìn)行平坦化，控制平坦化之后的平面高低起伏<10nm，表面粗糙度RMS〈2nm ； 步驟(3)、對(duì)步驟(2)中得到平坦化之后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行多層膜減薄(刻蝕)工藝，通過(guò)控制離子束刻蝕機(jī)的束流大小、入射角度、氣體流量與基底溫度等工藝條件，使減薄之后的曲面多層膜的深度<50nm ； 步驟(4)在步驟(3)中得到的減薄之后的曲面多層膜上涂布一層可固化的溶膠層，溶膠層在表面張力與重力的雙重作用下會(huì)在曲面多層膜里形成弧面結(jié)構(gòu)，經(jīng)加熱或紫外光照射處理后溶膠層固化，所述溶膠層的厚度為2nm至IOOnm ； 步驟(5)在步驟(4)中得到的溶膠層上沉積一層金屬Ag膜層，所述金屬Ag膜層的厚度為 2nm 至 IOOnm ； 步驟(6)在步驟(5)中所沉積的金屬Ag層上交替涂覆固化溶膠層和沉積Ag膜層，得到溶膠層和Ag層交替組成的多層弧面膜層，即制備得到這種納米激光器激光合束器件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種納米激光器激光合束器件的制備方法，其特征在于:所述步驟(I)中所制備的曲面多層膜可以通過(guò)磁控濺射鍍膜、真空蒸發(fā)鍍膜、電子束蒸發(fā)鍍膜，也可以采用混合方式鍍膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種納米激光器激光合束器件的制備方法，其特征在于:所述步驟(2)中采用的平坦化材料可以為紫外光刻膠、壓印膠也可以為PMMA等聚合物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種納米激光器激光合束器件的制備方法，其特征在于:所述步驟(3)中曲面多層膜的減薄工藝可以利用RIE、IBE或ICP來(lái)實(shí)現(xiàn)，，刻蝕所選氣體可以是 SF6、CHF3 或 Ar。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種納米激光器激光合束器件的制備方法，其特征在于:所述步驟(4)中涂覆的溶膠層包括SOG或PMMA。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種納米激光器激光合束器件的制備方法，其特征在于:所述步驟(5)中沉積的金屬Ag膜可以利用真空蒸發(fā)沉積，也可以利用磁控濺射沉積。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種納米激光器激光合束器件的制備方法，其特征在于:所述步驟(6)中溶膠層與Ag層交替組成的多層弧面膜層的層數(shù)為1-20層。
【文檔編號(hào)】B82Y20/00GK103457157SQ201310340691
【公開(kāi)日】2013年12月18日 申請(qǐng)日期:2013年8月7日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月7日
【發(fā)明者】羅先剛, 王彥欽, 王長(zhǎng)濤, 趙澤宇, 沈同圣, 羅云飛, 胡承剛, 黃成 , 楊磊磊, 潘思潔, 崔建華, 趙波 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所