飛秒激光在透明材料內(nèi)制備三維可旋轉(zhuǎn)納米體光柵的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種飛秒激光在透明材料內(nèi)制備三維可旋轉(zhuǎn)納米體光柵的方法，屬飛秒激光應(yīng)用【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明的特點(diǎn)是僅改變?nèi)肷浼す獾拿}沖前沿傾斜和偏振方向即可以在激光焦點(diǎn)區(qū)域得到特定取向的三維納米體光柵結(jié)構(gòu)。入射的飛秒脈沖激光為線偏振光，波長為800nm，脈沖寬度為100~150fs，脈沖能量為1~6mJ，且脈沖光強(qiáng)空間分布為高斯分布。透明介質(zhì)內(nèi)部輻照區(qū)域經(jīng)機(jī)械拋光和化學(xué)腐蝕后，可以用掃描電子顯微鏡觀測到納米體光柵的剖面結(jié)構(gòu)來驗(yàn)證結(jié)果。
【專利說明】飛秒激光在透明材料內(nèi)制備三維可旋轉(zhuǎn)納米體光柵的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種飛秒激光在透明材料內(nèi)制備三維可旋轉(zhuǎn)納米體光柵的方法，屬飛秒激光應(yīng)用【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]飛秒激光脈沖是一種超短超強(qiáng)的脈沖激光，具有傳統(tǒng)連續(xù)激光及長脈沖激光無法比擬的優(yōu)越性能，這使得其在微加工領(lǐng)域備受關(guān)注。它能在極短的時(shí)間內(nèi)，以極高的峰值功率與材料相互作用，可以極快地在激光輻照區(qū)域注入能量，通過多光子電離、隧穿電離和雪崩電離，能夠在透明材料內(nèi)部誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)變化，飛秒激光微納加工是當(dāng)今世界激光、光電子行業(yè)中的一個(gè)極為弓I人注目的研究方向。
[0003]利用飛秒激光能夠在透明材料內(nèi)部誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)變化的特點(diǎn)，人們已經(jīng)在透明材料內(nèi)部誘導(dǎo)了許多不同功能的結(jié)構(gòu)，例如光波導(dǎo)，微流體器件，具有光存儲功能的孔洞結(jié)構(gòu)。
[0004]利用飛秒激光在透明材料內(nèi)部的非線性激發(fā)和飛秒脈沖光譜的時(shí)間-空間變化特征，我們實(shí)現(xiàn)了一種在透明固體材料內(nèi)部制備三維周期性的納米體光柵結(jié)構(gòu)的技術(shù)。本發(fā)明具有一步成型、無需掩模、免受二次污染等特點(diǎn)，具有很好的可重復(fù)性和規(guī)?；_發(fā)潛力。而且，根據(jù)實(shí)際需要，可以提前設(shè)計(jì)出這種微納結(jié)構(gòu)的空間取向，通過改變激光參數(shù)可精確調(diào)控輻照區(qū)域形成的結(jié)構(gòu)變化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種飛秒激光在透明材料內(nèi)制備三維可旋轉(zhuǎn)納米體光柵的方法。
[0006]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
一種飛秒激光在透明材料內(nèi)制備三維可旋轉(zhuǎn)納米體光柵的方法，包括如下步驟:
1)根據(jù)所需的三維空間取向，設(shè)計(jì)并計(jì)算出光柵旋轉(zhuǎn)平面與飛秒激光入射面之間的夾
角cP,以及光柵旋轉(zhuǎn)面中，光柵法線與線掃描方向之間的夾角Θ ；
2)將六面拋光的透明材料放置在計(jì)算機(jī)操控的三維平臺上；
3)用超短脈沖時(shí)空探測設(shè)備測量激光脈沖前沿傾斜值PFT，根據(jù)公式PFT = dx/dt = tamp ,調(diào)節(jié)激光系統(tǒng)中光柵得到所需的PFT值，從而確定強(qiáng)度前傾角V ；
4)設(shè)定飛秒激光波長為800nm，脈沖寬度10(Tl50fs，重復(fù)頻率Ik或者250kHz，掃描速度I?500mm/s,顯微鏡物鏡N.A.0.5-0.9 ；
5)利用中性濾色片連續(xù)調(diào)節(jié)飛秒激光能量，使顯微鏡物鏡輸出單脈沖能量大于lmj，并根據(jù)要求選擇合適能量；光柵平面中的旋轉(zhuǎn)角β等同于激光偏振方向與掃描方向之間的夾角，調(diào)整初始激光偏振方向與激光掃線方向平行，定義此時(shí)λ/2波片上的讀數(shù)為0 = 0,調(diào)節(jié)λ/2波片至步驟I)中計(jì)算出的Θ度，此時(shí)即確定將加工的納米光柵的空間取向；
6)將由飛秒激光發(fā)出的激光經(jīng)過顯微鏡物鏡聚焦到透明材料內(nèi)部，按設(shè)定的程序配合電子快門移動三維平臺，則在所需加工區(qū)域制備具有特定取向的三維納米體光柵結(jié)構(gòu)。
[0007]所述透明材料為熔融石英、摻鍺石英玻璃、氧化鋁晶體、二氧化碲晶體或硼硅酸鹽玻璃。
[0008]本發(fā)明具有如下突出的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的優(yōu)點(diǎn):
本發(fā)明提供了一種操作簡單、可行的方法，結(jié)合飛秒激光直寫技術(shù)在透明介質(zhì)內(nèi)部微區(qū)制備具有三維取向可控的周期性自組裝納米體光柵結(jié)構(gòu)。這種在透明材料中制備的納米體光柵具有雙折射、各向異性反射、散射、高熱穩(wěn)定性和偏振依賴的各向異性腐蝕等特征，在微納光電子學(xué)器件、微流體通道、生物醫(yī)學(xué)工程等方面將會有巨大潛在價(jià)值。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1為飛秒激光誘導(dǎo)自由旋轉(zhuǎn)的三維納米體光柵的加工示意圖。
[0010]圖2為納米體光柵的空間取向由f3和Θ兩個(gè)角度決定。
[0011]圖3所示為利用250kHz飛秒激光，調(diào)制f?為8.8°時(shí)，不同偏振旋轉(zhuǎn)角對應(yīng)的不同空間取向的納米體光柵的剖面掃描電鏡圖。剖面對應(yīng)于圖2中的XZ面，沿著Y+方向進(jìn)行電鏡觀察。
[001 2]圖4所示為圖3中偏振面方位角Θ與納米光柵寬度d之間的關(guān)系。d為光柵中平行線間的寬度。黑點(diǎn)代表圖3中的實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)，曲線代表理論數(shù)據(jù)擬合曲線。
[0013]圖5所示為圖3中偏振面方位角0與納米體光柵取向角JS之間的關(guān)系。#為波矢與光柵寬度d之間的夾角。黑點(diǎn)代表圖3中的實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)，曲線代表理論數(shù)據(jù)擬合曲線。
[0014]圖6所示為利用IkHz飛秒激光，固定強(qiáng)度前傾角史，不同偏振旋轉(zhuǎn)角對應(yīng)的不同空間取向的納米體光柵的剖面掃描電鏡圖。剖面對應(yīng)于圖2中的XZ面，沿著Y+方向進(jìn)行電鏡觀察。
【具體實(shí)施方式】
[0015]本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例并結(jié)合【專利附圖】

【附圖說明】如下:
實(shí)施例1
首先，按照制備三維納米體光柵的需求，選取石英玻璃等透明塊體作為目標(biāo)材料。其次，按照以上的技術(shù)解決方案的步驟可以調(diào)節(jié)強(qiáng)度面前傾角φ至8.8°。選用波長為800nm，脈沖寬度120fs，重復(fù)頻率為250kHz，掃描速度為50μπιΛ，單脈沖能量2.8μ J的飛秒激光聚焦于材料上表面以下100μπι處，在水平面中進(jìn)行單向的線掃描。改變偏振旋轉(zhuǎn)角，從10°至190°，每20°進(jìn)行一次線掃描。如圖3所示，為掃線的橫截面掃描電子顯微鏡照
片。圖4、圖5所示為偏振面方位角g與納米光柵寬度d、光柵取向角#之間的關(guān)系。黑點(diǎn)代表圖3中測量得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，曲線代表分析圖2幾何特性后的理論數(shù)據(jù)擬合曲線。兩者非常吻合。
[0016]實(shí)施例2
按照制備三維納米體光柵的需求，選取石英玻璃等透明塊體作為目標(biāo)材料。固定強(qiáng)度前傾角φ不變，選用波長為800nm，脈沖寬度120fs，重復(fù)頻率為1kHz，掃描速度為5 μ m/s，單脈沖能量5 μ J的飛秒激光聚焦于材料上表面以下100 μ m處，在水平面中進(jìn)行單向的線掃描。改變偏振旋轉(zhuǎn)角，分別為10°、50° >90° ,每次進(jìn)行一次線掃描。
[0017]激光加工完成后，輻照區(qū)域處形成的納米光柵形成了密度分布為“疏-密-疏-密”狀周期性交替排列的片層結(jié)構(gòu)。首先，通過機(jī)械拋光的方法將內(nèi)部的三維結(jié)構(gòu)拋光至表面，洗凈烘干。隨后，將材料于1%體積比的氫氟酸溶液中浸泡3分鐘，“疏-密-疏-密”結(jié)構(gòu)就會發(fā)生選擇性腐蝕，密度較小的片層就會優(yōu)先腐蝕而密度較大的片層則易于保留，這樣就形成了 “凹-凸-凹-凸”的表面結(jié)構(gòu)。最后，通過掃描電子顯微鏡對納米體光柵周期、取向及形貌進(jìn)行觀察。如圖6所示，為掃線的橫截面掃描電子顯微鏡照片。同樣證明相對較低重復(fù)頻率的飛秒激光也能誘導(dǎo)出自由旋轉(zhuǎn)的納米體光柵。
【權(quán)利要求】
1.一種飛秒激光在透明材料內(nèi)制備三維可旋轉(zhuǎn)納米體光柵的方法，其特征在于，包括如下步驟: 1)根據(jù)所需的三維空間取向，設(shè)計(jì)并計(jì)算出光柵旋轉(zhuǎn)平面與飛秒激光入射面之間的夾角V,以及光柵旋轉(zhuǎn)面中，光柵法線與線掃描方向之間的夾角0 ; 2)將六面拋光的透明材料放置在計(jì)算機(jī)操控的三維平臺上； 3)用超短脈沖時(shí)空探測設(shè)備測量激光脈沖前沿傾斜值PFT，根據(jù)公式PFT = dx/dt = tamp，調(diào)節(jié)激光系統(tǒng)中光柵得到所需的PFT值，從而確定強(qiáng)度前傾角φ ； 4)設(shè)定飛秒激光波長為800nm，脈沖寬度10(Tl50fs，重復(fù)頻率Ik或者250kHz，掃描速度I?500mm/s,顯微鏡物鏡N.A.0.5-0.9 ； 5)利用中性濾色片連續(xù)調(diào)節(jié)飛秒激光能量，使顯微鏡物鏡輸出單脈沖能量大于lmj，并根據(jù)要求選擇合適能量；光柵平面中的旋轉(zhuǎn)角β等同于激光偏振方向與掃描方向之間的夾角，調(diào)整初始激光偏振方向與激光掃線方向平行，定義此時(shí)λ/2波片上的讀數(shù)為0 = 0,調(diào)節(jié)λ/2波片至步驟I)中計(jì)算出的β度，此時(shí)即確定將加工的納米光柵的空間取向； 6)將由飛秒激光發(fā)出的激光經(jīng)過顯微鏡物鏡聚焦到透明材料內(nèi)部，按設(shè)定的程序配合電子快門移動三維平臺，則在所需加工區(qū)域制備具有特定取向的三維納米體光柵結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的飛秒激光在透明材料內(nèi)制備三維可旋轉(zhuǎn)納米體光柵的方法，其特征在于，所述透明材料為熔融石英、摻鍺石英玻璃、氧化鋁晶體、二氧化碲晶體或硼硅酸鹽玻璃。
【文檔編號】B23K26/00GK103949772SQ201410162039
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月22日
【發(fā)明者】戴曄, 葉俊毅, 公民, 閻曉娜, 馬國宏 申請人:上海大學(xué)