本實(shí)用新型屬于激光干涉微納加工領(lǐng)域，具體涉及一種基于達(dá)曼光柵和反射鏡的多光束激光干涉微納加工裝置。

背景技術(shù)：

激光干涉光刻是一種在材料表面大面積加工亞微米尺度周期性結(jié)構(gòu)的方法，通過兩束或者多束相干光形成周期性或者準(zhǔn)周期性光場，可以直接在材料表面或者內(nèi)部刻蝕二維和三維周期性結(jié)構(gòu)。激光干涉光刻工藝具有加工面積大，加工尺度靈活多變，成本低廉等優(yōu)勢，已受到研究者們的高度重視，利用激光干涉光刻加工出的納米結(jié)構(gòu)也在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但其在質(zhì)量穩(wěn)定性以及實(shí)用性應(yīng)用方面仍有很多缺陷。

傳統(tǒng)的Mach-Zehnder干涉光刻儀為雙光束干涉光刻裝置，校準(zhǔn)過程繁瑣，需要精確調(diào)整光路中每一個(gè)透鏡的位置，并且一次只能進(jìn)行單一周期納米結(jié)構(gòu)的加工，想要加工其他周期的納米圖形則需要重新調(diào)整整套光路，過程復(fù)雜不易實(shí)現(xiàn)。要獲得均勻光強(qiáng)分布的多光束干涉條紋，首先要對激光進(jìn)行分束，目前實(shí)現(xiàn)光學(xué)分束的方法很多,常用的微光學(xué)分束器主要有：泰伯光柵，微透鏡陣列和達(dá)曼光柵。泰伯光柵利用近場菲涅耳衍射，理論上衍射效率接近100％，但實(shí)際上由于邊緣效應(yīng)及像差等影響，衍射效率在80％左右，其最大的缺點(diǎn)是光強(qiáng)分布不均勻。微透鏡陣列由許多微小的透鏡組成，將完整的光波分成許多小部分，每部分都聚焦在相應(yīng)透鏡的焦點(diǎn)上，從而得到光強(qiáng)均勻的陣列分布。但實(shí)際光束會(huì)有一定的畸變。并不是理想的平面波前。光束經(jīng)過微透鏡聚焦后發(fā)生了位移，不再是均勻分布。此外，制作過程中各透鏡之間的加工誤差也會(huì)對分束器性能造成影響。由此可見，現(xiàn)有的多光束激光光刻技術(shù)普遍采用離散式多支架方案，校準(zhǔn)過程繁瑣，并且只能進(jìn)行單一周期納米結(jié)構(gòu)的加工，想要獲得其他周期的干涉圖案需要重新調(diào)整整套光路，過程復(fù)雜不易實(shí)現(xiàn)；同時(shí)還存在著衍射效率低，干涉條紋光強(qiáng)分布不均勻等缺點(diǎn)。

達(dá)曼光柵是一種將入射光分束成等光強(qiáng)，等空間距離陣列的光柵。利用遠(yuǎn)場傅里葉變換，取相位二值，但周期內(nèi)空間坐標(biāo)與相位被調(diào)制，可獲得等光強(qiáng)的光陣列，得到光強(qiáng)均勻的多重成像。達(dá)曼光柵具有以下優(yōu)點(diǎn)：首先,它是一種位相型光柵,衍射效率高；其次,它的位相值是二值的,便于利用常規(guī)大規(guī)模集成電路技術(shù)進(jìn)行加工；最后,它是一種夫瑯和費(fèi)衍射型器件,其光束均勻性不受入射光強(qiáng)影響。基于以上優(yōu)點(diǎn),達(dá)曼光柵成為目前最有效的分束器件之一。

相關(guān)參考文件為：

[1]李哲.一種雙層光柵分束器的設(shè)計(jì)[J].工業(yè)設(shè)計(jì).2012(02)

[2]李兵,閆愛民,戴恩文,呂笑宇,職亞楠,孫建鋒,劉立人.二維固體激光陣列逆達(dá)曼光柵相干合束技術(shù)模擬研究[J].光學(xué)學(xué)報(bào).2012(11)

[3]任琳.基于多光束相干的激光干涉光刻技術(shù)研究[D].吉林大學(xué)2007

[4]張錦,馮伯儒,郭永康,蔣世磊,宗德蓉,杜驚雷,曾陽素,高福華.用于大面積周期性圖形制造的激光干涉光刻[J].光電工程.2001(06)

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型提出了基于達(dá)曼光柵和反射鏡的多光束激光干涉微納加工裝置，可以在激光相干范圍內(nèi)大面積制造周期性微納米結(jié)構(gòu)。具體采用如下技術(shù)方案：

一種基于達(dá)曼光柵和反射鏡的多光束激光干涉微納加工裝置，該裝置包括激光器、準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)、光束整形器、雙層透射達(dá)曼光柵、反射鏡，滑道，相位調(diào)制器，待加工材料，其特征在于：基于反射式達(dá)曼光柵的分光特性，使用雙層透射達(dá)曼光柵將經(jīng)過準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)、光束整形器的單束激光分成強(qiáng)度相同的多束相干光，再經(jīng)過反射鏡、相位調(diào)制器，將多束相干光會(huì)合于待加工材料表面形成微納結(jié)構(gòu)。

所述雙層達(dá)曼光柵分束器為雙層達(dá)曼透射光柵，中間結(jié)構(gòu)為介質(zhì)層，介質(zhì)厚度l＝0.15mm，介質(zhì)折射率n＝3.4253，前后光柵為平面薄光柵，光柵蝕刻深度為219.4nm，分束比為3。

光束整形器對激光光斑形狀進(jìn)行調(diào)整，使其變?yōu)榉叫?，便于加工區(qū)域的連續(xù)拼接。

微納結(jié)構(gòu)的特征尺寸和周期通過改變反射鏡的位置和角度進(jìn)行調(diào)整，其中反射鏡安裝在滑道上，便于移動(dòng)和角度調(diào)整的操作。

所述相位調(diào)制器可調(diào)節(jié)+1級，0級和-1級三束光之間的相位偏差。

本實(shí)用新型相比于現(xiàn)有技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn)：

采用雙層達(dá)曼透射光柵作為分束器，并利用滑道上的反射鏡進(jìn)行光束間夾角的調(diào)整和加工周期的選取，獲得各級次光強(qiáng)分布均勻的光陣列，取代了現(xiàn)有系統(tǒng)中的離散式多支架方案，大大提高了系統(tǒng)的方便性、可靠性和效率。本發(fā)明具有光路調(diào)整方便，加工尺寸可控、效率高、適合低成本大批量生產(chǎn)、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1為基于達(dá)曼光柵和反射鏡的多光束激光干涉加工裝置結(jié)構(gòu)。

圖2為微納加工流程圖。

圖3為進(jìn)行激光干涉微納加工得到的周期性結(jié)構(gòu)圖片。

具體實(shí)施方式

實(shí)例一

采用脈沖激光器作為光源，光束首先經(jīng)過準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)和光束整形器，再通過快門來控制曝光時(shí)間長短。激光器發(fā)出的激光束經(jīng)過雙層透射達(dá)曼光柵后被分成多束相干光，對于雙層結(jié)構(gòu)的達(dá)曼光柵分束器而言，可視為光波依次通過上層薄光柵、介質(zhì)層及后層薄光柵，它能實(shí)現(xiàn)將單一波長的入射平面光波在遠(yuǎn)場被分成若干等光強(qiáng)分布。使用時(shí)激光器發(fā)出的激光經(jīng)過透射光柵被分成+1級，0級，-1級三束后，先分別對+1級，0級和-1級三束光進(jìn)行相位調(diào)制，再分別在兩側(cè)設(shè)置一個(gè)帶有反射鏡的滑道，利用反射鏡在滑道上的移動(dòng)進(jìn)行多光束干涉夾角的調(diào)整以及加工周期的選取，從而實(shí)現(xiàn)多束激光、多種入射夾角的會(huì)聚干涉，多束激光干涉產(chǎn)生的干涉圖案陣列的能量分布與加工材料相互作用，從而刻蝕出物體表面不同周期的微納米結(jié)構(gòu)。

本實(shí)用新型的實(shí)施由激光器1、準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)2、光束整形器3、雙層達(dá)曼光柵分束器4、相位調(diào)制器5、11、反射鏡6、10、滑道7、9、待加工材料組成8；

由激光器1發(fā)出的激光束經(jīng)準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)2準(zhǔn)直擴(kuò)束后，由光束整形器3對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，并將其光斑形狀整形為方形，以便于加工區(qū)域的拼接，通過雙層達(dá)曼光柵4將光束分成+1級，0級和-1級三個(gè)光強(qiáng)分布均勻的光束，三束光分別經(jīng)過相位調(diào)制器5、11后，兩側(cè)的+1級和-1級光束投射到反射鏡6、10上，通過調(diào)節(jié)反射鏡6、10在滑道7、9上的位置實(shí)現(xiàn)對光束夾角以及加工周期的選取，作用于待加工材料表面，從而得到周期性微納結(jié)構(gòu)。

所述激光器為高功率Nd:YAG脈沖固體激光器，波長1064nm，脈沖寬度8ns，單脈沖能量2J，出射光束直徑ф8mm，發(fā)觸角3mrad；

所述準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)2的擴(kuò)束倍數(shù)為2，由多片光學(xué)鏡片及鋁制鏡筒組成，鏡片材料優(yōu)選K9玻璃，鏡片境均鍍增透膜AR@1064nm，入口直徑ф10mm，出口直徑ф25mm；

所述光束整形器3為方形光束整形器，由多片光學(xué)鏡片及鋁制鏡筒組成，鏡片材料優(yōu)選K9玻璃，鏡片均鍍增透膜AR@1064nm，整形器將高斯分布的圓形激光束整形為方形均勻分布的平頂光束，以解決原高斯分面的激光束中心能量強(qiáng)而邊緣能量弱所導(dǎo)致制備的微納陣列結(jié)構(gòu)一致性不理想的問題，并便于在大面積加工時(shí)進(jìn)行無縫拼接，其入口直徑為ф25mm，出口為16mmx16mm；

所述快門可控制加工過程中曝光時(shí)間的長短；

所述雙層達(dá)曼光柵分束器4為雙層達(dá)曼透射光柵，中間結(jié)構(gòu)為介質(zhì)層，介質(zhì)厚度l＝0.15mm，介質(zhì)折射率n＝3.4253，前后光柵為平面薄光柵，雙層位相光柵分束器的衍射效率及光強(qiáng)分布均勻性要高于單層結(jié)構(gòu)，光柵蝕刻深度為219.4nm，分束比為3，實(shí)際衍射效率為90.8％；

所述相位調(diào)制器5、11可調(diào)節(jié)+1級，0級和-1級三束光之間的相位偏差；

所述反射鏡6、10為平面反射鏡，優(yōu)選K9玻璃制造，鏡片尺寸為60mmx80mmx8mm，反射面鍍?nèi)瓷淠R@1064nm；

所述滑道7、9上可放置反射鏡，通過反射鏡在滑道上的移動(dòng)即可進(jìn)行對光束間夾角以及加工周期的調(diào)整；

所述待加工材料8為金屬材料，或非金屬材料，作為被加工對象；

具體實(shí)驗(yàn)過程：在金屬冠脈支架上加工微納斥水性結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)中采用1064nm高功率脈沖固體激光器，利用雙層達(dá)曼透射光柵和反射鏡形成三光束干涉，由三光束干涉的周期公式和得到當(dāng)d’＝5μm時(shí)，三光束之間的入射角為7°。通過調(diào)整激光入射角度，在金屬支架內(nèi)外表面制備出分布均勻、周期可控的密排凹坑微納結(jié)構(gòu)。使用掃描電子顯微鏡和接觸角測定儀對微納結(jié)構(gòu)的形貌特征和接觸角進(jìn)行了測量，所制備的的凹坑結(jié)構(gòu)的周期在5μm時(shí)，接觸角達(dá)到了120.5°，具有良好的疏水性。

以上所述僅為本實(shí)用新型的實(shí)施例，并非因此限制本實(shí)用新型的專利范圍，凡是利用本實(shí)用新型說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本實(shí)用新型的專利保護(hù)范圍內(nèi)。