飞秒激光在透明材料内制备三维可旋转纳米体光栅的方法

飞秒激光在透明材料内制备三维可旋转纳米体光栅的方法
【专利摘要】本发明涉及一种飞秒激光在透明材料内制备三维可旋转纳米体光栅的方法，属飞秒激光应用【技术领域】。本发明的特点是仅改变入射激光的脉冲前沿倾斜和偏振方向即可以在激光焦点区域得到特定取向的三维纳米体光栅结构。入射的飞秒脉冲激光为线偏振光，波长为800nm，脉冲宽度为100~150fs，脉冲能量为1~6mJ，且脉冲光强空间分布为高斯分布。透明介质内部辐照区域经机械抛光和化学腐蚀后，可以用扫描电子显微镜观测到纳米体光栅的剖面结构来验证结果。
【专利说明】飞秒激光在透明材料内制备三维可旋转纳米体光栅的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种飞秒激光在透明材料内制备三维可旋转纳米体光栅的方法，属飞秒激光应用【技术领域】。
【背景技术】
[0002]飞秒激光脉冲是一种超短超强的脉冲激光，具有传统连续激光及长脉冲激光无法比拟的优越性能，这使得其在微加工领域备受关注。它能在极短的时间内，以极高的峰值功率与材料相互作用，可以极快地在激光辐照区域注入能量，通过多光子电离、隧穿电离和雪崩电离，能够在透明材料内部诱导结构变化，飞秒激光微纳加工是当今世界激光、光电子行业中的一个极为弓I人注目的研究方向。
[0003]利用飞秒激光能够在透明材料内部诱导结构变化的特点，人们已经在透明材料内部诱导了许多不同功能的结构，例如光波导，微流体器件，具有光存储功能的孔洞结构。
[0004]利用飞秒激光在透明材料内部的非线性激发和飞秒脉冲光谱的时间-空间变化特征，我们实现了一种在透明固体材料内部制备三维周期性的纳米体光栅结构的技术。本发明具有一步成型、无需掩模、免受二次污染等特点，具有很好的可重复性和规模化开发潜力。而且，根据实际需要，可以提前设计出这种微纳结构的空间取向，通过改变激光参数可精确调控辐照区域形成的结构变化。

【发明内容】

[0005]本发明的目的是提供一种飞秒激光在透明材料内制备三维可旋转纳米体光栅的方法。
[0006]为达到上述目的，本发明采用如下技术方案:
一种飞秒激光在透明材料内制备三维可旋转纳米体光栅的方法，包括如下步骤:
1)根据所需的三维空间取向，设计并计算出光栅旋转平面与飞秒激光入射面之间的夹
角cP,以及光栅旋转面中，光栅法线与线扫描方向之间的夹角Θ ；
2)将六面抛光的透明材料放置在计算机操控的三维平台上；
3)用超短脉冲时空探测设备测量激光脉冲前沿倾斜值PFT，根据公式PFT = dx/dt = tamp ,调节激光系统中光栅得到所需的PFT值，从而确定强度前倾角V ；
4)设定飞秒激光波长为800nm，脉冲宽度10(Tl50fs，重复频率Ik或者250kHz，扫描速度I?500mm/s,显微镜物镜N.A.0.5-0.9 ；
5)利用中性滤色片连续调节飞秒激光能量，使显微镜物镜输出单脉冲能量大于lmj，并根据要求选择合适能量；光栅平面中的旋转角β等同于激光偏振方向与扫描方向之间的夹角，调整初始激光偏振方向与激光扫线方向平行，定义此时λ/2波片上的读数为0 = 0,调节λ/2波片至步骤I)中计算出的Θ度，此时即确定将加工的纳米光栅的空间取向；
6)将由飞秒激光发出的激光经过显微镜物镜聚焦到透明材料内部，按设定的程序配合电子快门移动三维平台，则在所需加工区域制备具有特定取向的三维纳米体光栅结构。
[0007]所述透明材料为熔融石英、掺锗石英玻璃、氧化铝晶体、二氧化碲晶体或硼硅酸盐玻璃。
[0008]本发明具有如下突出的实质性特点和显著的优点:
本发明提供了一种操作简单、可行的方法，结合飞秒激光直写技术在透明介质内部微区制备具有三维取向可控的周期性自组装纳米体光栅结构。这种在透明材料中制备的纳米体光栅具有双折射、各向异性反射、散射、高热稳定性和偏振依赖的各向异性腐蚀等特征，在微纳光电子学器件、微流体通道、生物医学工程等方面将会有巨大潜在价值。
【专利附图】

【附图说明】
[0009]图1为飞秒激光诱导自由旋转的三维纳米体光栅的加工示意图。
[0010]图2为纳米体光栅的空间取向由f3和Θ两个角度决定。
[0011]图3所示为利用250kHz飞秒激光，调制f?为8.8°时，不同偏振旋转角对应的不同空间取向的纳米体光栅的剖面扫描电镜图。剖面对应于图2中的XZ面，沿着Y+方向进行电镜观察。
[001 2]图4所示为图3中偏振面方位角Θ与纳米光栅宽度d之间的关系。d为光栅中平行线间的宽度。黑点代表图3中的实验采集数据，曲线代表理论数据拟合曲线。
[0013]图5所示为图3中偏振面方位角0与纳米体光栅取向角JS之间的关系。#为波矢与光栅宽度d之间的夹角。黑点代表图3中的实验采集数据，曲线代表理论数据拟合曲线。
[0014]图6所示为利用IkHz飞秒激光，固定强度前倾角史，不同偏振旋转角对应的不同空间取向的纳米体光栅的剖面扫描电镜图。剖面对应于图2中的XZ面，沿着Y+方向进行电镜观察。
【具体实施方式】
[0015]本发明的优选实施例并结合【专利附图】

【附图说明】如下:
实施例1
首先，按照制备三维纳米体光栅的需求，选取石英玻璃等透明块体作为目标材料。其次，按照以上的技术解决方案的步骤可以调节强度面前倾角φ至8.8°。选用波长为800nm，脉冲宽度120fs，重复频率为250kHz，扫描速度为50μπιΛ，单脉冲能量2.8μ J的飞秒激光聚焦于材料上表面以下100μπι处，在水平面中进行单向的线扫描。改变偏振旋转角，从10°至190°，每20°进行一次线扫描。如图3所示，为扫线的横截面扫描电子显微镜照
片。图4、图5所示为偏振面方位角g与纳米光栅宽度d、光栅取向角#之间的关系。黑点代表图3中测量得的实验数据，曲线代表分析图2几何特性后的理论数据拟合曲线。两者非常吻合。
[0016]实施例2
按照制备三维纳米体光栅的需求，选取石英玻璃等透明块体作为目标材料。固定强度前倾角φ不变，选用波长为800nm，脉冲宽度120fs，重复频率为1kHz，扫描速度为5 μ m/s，单脉冲能量5 μ J的飞秒激光聚焦于材料上表面以下100 μ m处，在水平面中进行单向的线扫描。改变偏振旋转角，分别为10°、50° >90° ,每次进行一次线扫描。
[0017]激光加工完成后，辐照区域处形成的纳米光栅形成了密度分布为“疏-密-疏-密”状周期性交替排列的片层结构。首先，通过机械抛光的方法将内部的三维结构抛光至表面，洗净烘干。随后，将材料于1%体积比的氢氟酸溶液中浸泡3分钟，“疏-密-疏-密”结构就会发生选择性腐蚀，密度较小的片层就会优先腐蚀而密度较大的片层则易于保留，这样就形成了 “凹-凸-凹-凸”的表面结构。最后，通过扫描电子显微镜对纳米体光栅周期、取向及形貌进行观察。如图6所示，为扫线的横截面扫描电子显微镜照片。同样证明相对较低重复频率的飞秒激光也能诱导出自由旋转的纳米体光栅。
【权利要求】
1.一种飞秒激光在透明材料内制备三维可旋转纳米体光栅的方法，其特征在于，包括如下步骤: 1)根据所需的三维空间取向，设计并计算出光栅旋转平面与飞秒激光入射面之间的夹角V,以及光栅旋转面中，光栅法线与线扫描方向之间的夹角0 ; 2)将六面抛光的透明材料放置在计算机操控的三维平台上； 3)用超短脉冲时空探测设备测量激光脉冲前沿倾斜值PFT，根据公式PFT = dx/dt = tamp，调节激光系统中光栅得到所需的PFT值，从而确定强度前倾角φ ； 4)设定飞秒激光波长为800nm，脉冲宽度10(Tl50fs，重复频率Ik或者250kHz，扫描速度I?500mm/s,显微镜物镜N.A.0.5-0.9 ； 5)利用中性滤色片连续调节飞秒激光能量，使显微镜物镜输出单脉冲能量大于lmj，并根据要求选择合适能量；光栅平面中的旋转角β等同于激光偏振方向与扫描方向之间的夹角，调整初始激光偏振方向与激光扫线方向平行，定义此时λ/2波片上的读数为0 = 0,调节λ/2波片至步骤I)中计算出的β度，此时即确定将加工的纳米光栅的空间取向； 6)将由飞秒激光发出的激光经过显微镜物镜聚焦到透明材料内部，按设定的程序配合电子快门移动三维平台，则在所需加工区域制备具有特定取向的三维纳米体光栅结构。
2.根据权利要求1所述的飞秒激光在透明材料内制备三维可旋转纳米体光栅的方法，其特征在于，所述透明材料为熔融石英、掺锗石英玻璃、氧化铝晶体、二氧化碲晶体或硼硅酸盐玻璃。
【文档编号】B23K26/00GK103949772SQ201410162039
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年4月22日 优先权日:2014年4月22日
【发明者】戴晔, 叶俊毅, 公民, 阎晓娜, 马国宏 申请人:上海大学