專利名稱：制備納米光柵的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光誘導(dǎo)納米結(jié)構(gòu)，特別是一種制備納米光柵的裝置和方法，是一種在空氣中采用兩束超短脈沖激光共路垂直照射在材料表面形成周期納米結(jié)構(gòu)的加工方法。本方法適用于在半導(dǎo)體、透明介質(zhì)塊體和薄膜表面誘導(dǎo)規(guī)則的周期結(jié)構(gòu)，制備納米量級(jí)光柵。
背景技術(shù)：
超短脈沖激光加工是一種很有前景的材料加工手段。超短脈沖能夠在局部聚集很高的能量，同時(shí)產(chǎn)生很小的熱效應(yīng)，非常有利于材料的精細(xì)加工，對(duì)于一些硬脆及耐腐蝕材料的加工尤其適用。
在現(xiàn)有技術(shù)中，目前人們主要采用全息方法刻蝕光柵。人們用兩束同頻率、斜交叉的激光形成干涉，在材料表面刻蝕出周期穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)規(guī)則的光柵。(參見文獻(xiàn)Y.Li，W.Watanabe，et.al.，Applied Physics Letters，Vol.80，P 1508，2002；S.Qu，J.Qiu，et.at.，Applied Physics Letters，Vol.84，P 2046，2004)。他們用這種方法分別在玻璃表面和內(nèi)部制備了光柵。得到的光柵刻線間距較大，約為1μm，刻槽寬度隨入射激光能量變化，約為300～500nm。理論上采用全息方法可以得到的最小光柵周期趨近于λ/2。
最近人們采用另一種新的制備納米周期結(jié)構(gòu)的方法(參見文獻(xiàn)N.Yasumaru，K.Miyazaki，J.Kiuchi，Applied Physics A，Vol.76，P 983，2003)。采用單束線偏振飛秒激光在半導(dǎo)體、透明材料中誘導(dǎo)準(zhǔn)周期的納米結(jié)構(gòu)，它只有照射激光波長(zhǎng)的1/5～1/10。這種準(zhǔn)周期的結(jié)構(gòu)往往出現(xiàn)在燒蝕坑的邊緣。在文獻(xiàn)(Y.Shimotsuma，P.G.Kazansky，et.al.，Physical Review Letters，Vol.91，P 247405，2003)中，人們采用顯微物鏡，把單束800nm飛秒激光聚焦于玻璃內(nèi)部，在直徑1μm的面積誘導(dǎo)出周期約140nm～320nm的納米結(jié)構(gòu)，刻槽寬度約20nm，但光柵的刻線存在一些不規(guī)則的刻線交叉。圖1即是利用該方法在玻璃內(nèi)部產(chǎn)生的光柵結(jié)構(gòu)的掃描電鏡背散射圖。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種制備納米光柵的裝置和方法，本發(fā)明的裝置應(yīng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和制備方法簡(jiǎn)便，能獲得光柵刻線規(guī)則，光柵面積較大，光柵方向可控的技術(shù)效果。
本發(fā)明的基本構(gòu)思是空氣中，利用KDP晶體將一束激光倍頻，形成偏振方向互相垂直兩束激光。將這兩束激光共光路聚焦到材料表面，由于倍頻光電場(chǎng)的干涉作用，在材料上形成周期納米光柵。通過調(diào)節(jié)倍頻光的能量，可以改變光柵結(jié)構(gòu)的方向。
本發(fā)明具體的技術(shù)解決方案如下一種制備納米光柵的裝置，其特征在于該裝置包括一飛秒激光器，并由沿該飛秒激光器輸出的飛秒激光脈沖的光軸上依次是格蘭棱鏡、KDP晶體和聚焦透鏡構(gòu)成，所述的格蘭棱鏡和KDP晶體具有繞光軸旋轉(zhuǎn)的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。
所述的飛秒激光器為摻鈦藍(lán)寶石激光器。
利用上述制備納米光柵的裝置制備納米光柵的方法，包括下列步驟①建立一臺(tái)權(quán)利要求1所述的制備納米光柵的裝置，制備樣品；②調(diào)整所述的裝置的格蘭棱鏡和KDP晶體，形成共光路的基頻光和倍頻光，倍頻光的偏振方向和基頻光的偏振方向相互垂直，將所述的樣品置于聚焦透鏡的焦平面；③在KDP晶體和聚焦透鏡之間放一塊對(duì)400nm波長(zhǎng)光高反而對(duì)800nm波長(zhǎng)光高透的反射鏡，分別用兩個(gè)能量計(jì)探頭監(jiān)測(cè)，同時(shí)調(diào)節(jié)激光器、格蘭棱鏡和KDP晶體，使400nm波長(zhǎng)光和800nm波長(zhǎng)光的能量達(dá)到所需的比值；④撤離所述的反射鏡，激光聚焦垂直照射在樣品的表面，在樣品的表面即形成納米光柵。
我們知道光柵周期Λ與激光波長(zhǎng)λ成正比關(guān)系，可表示為Λ＝λ/2n (1)其中λ/2為入射倍頻光波長(zhǎng)，n表示在受激狀態(tài)下的材料對(duì)于倍頻光的折射率。其工作原理是我們知道樣品介電常數(shù)的實(shí)部ε1和虛部ε2與樣品折射率n和消光系數(shù)k的關(guān)系為ε1＝n2-k2(2)ε2＝2nk介電常數(shù)的改變量與導(dǎo)帶電子數(shù)密度的關(guān)系為 這里εg表示材料未激發(fā)時(shí)的對(duì)倍頻光的介電常數(shù)，ΔEg表示激光作用下材料帶系變化，N0是價(jià)帶電子數(shù)密度，ne為激發(fā)態(tài)電子的數(shù)密度，e為電子電荷，m*為電子的有效質(zhì)量，me為自由電子質(zhì)量，τD是電子-電子、電子-格點(diǎn)碰撞的時(shí)間常數(shù)，ε0是真空介電常數(shù)，ω是倍頻光的角頻率。
隨著激發(fā)態(tài)電子數(shù)密度ne的增加，折射率n變小，光柵結(jié)構(gòu)的周期略微變大。參見文獻(xiàn)A.Borowiec and H.K.Haugen，Applied Physics Letters，Vol.82，P 4462，2003和M.Ivanov and P.Rochon，Applied Physics Letters，Vol.84，P 4511，2004。
當(dāng)激光與材料作用時(shí)，由于入射倍頻光和由基頻光與材料作用產(chǎn)生的電場(chǎng)矢量合成共同確定光柵結(jié)構(gòu)的方向。當(dāng)入射倍頻光能量很低時(shí)，光柵結(jié)構(gòu)近似平行于基頻光偏振方向；隨著入射倍頻光增強(qiáng)，光柵方向逐漸向倍頻光偏振方向偏轉(zhuǎn)，直至平行。
與現(xiàn)有的單脈沖激光制備光柵技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1、采用普通透鏡聚焦，得到的光柵面積(直徑10μm)遠(yuǎn)大于通過顯微物鏡聚焦的得到的光柵(直徑1μm)，有更大的應(yīng)用價(jià)值。
2、本發(fā)明的共路雙脈沖法制備周期納米結(jié)構(gòu)是采用兩束共路的超短脈沖激光，倍頻激光能量從0.5μJ增大到1.1μJ，依然可以在整個(gè)激光照射區(qū)域形成穩(wěn)定的周期納米光柵結(jié)構(gòu)，而不會(huì)在焦斑中心形成燒蝕坑。單脈沖能量略高于燒蝕閾值很容易在激光照射區(qū)域形成燒蝕坑。
3、采用本發(fā)明方法可以制備周期小(約180nm)，刻槽精細(xì)(約20nm)的光柵結(jié)構(gòu)，而且光柵結(jié)構(gòu)更規(guī)則。
4、采用本發(fā)明方法可以通過調(diào)節(jié)兩束光的能量關(guān)系，改變光柵結(jié)構(gòu)的方向。這在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)很有意義。
5、這種方法是有效的，采用這種方法我們已得到了很好的結(jié)果。
由于用全息法獲得光柵周期在微米量級(jí)，與之相比較，采用我們的方法獲得光柵周期更小，小于200nm。


圖1為現(xiàn)有的采用顯微物鏡聚焦單脈沖激光在玻璃內(nèi)部產(chǎn)生的光柵結(jié)構(gòu)的掃描電鏡背散射圖。
圖2為本發(fā)明裝置光路示意圖。
圖3為800nm和400nm飛秒激光共路雙脈沖照射后ZnSe晶體表面的掃描電鏡圖。實(shí)線箭頭和虛線箭頭分別代表800nm和400nm激光的偏振方向。(b)為(a)中方框部分的放大圖。
圖4為光柵方向隨著400nm和800nm激光能量變化的旋轉(zhuǎn)示意圖。
具體實(shí)施例方式
先請(qǐng)參閱圖2，圖2為本發(fā)明裝置光路示意圖。由圖可見，本發(fā)明制備納米光柵的裝置，該裝置包括一飛秒激光器1，并由沿該飛秒激光器1輸出的飛秒激光脈沖的光軸上依次是格蘭棱鏡2、KDP晶體3和聚焦透鏡4構(gòu)成，所述的格蘭棱鏡2和KDP晶體3具有繞光軸旋轉(zhuǎn)的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。所述的飛秒激光器1為摻鈦藍(lán)寶石激光器。
利用本發(fā)明制備納米光柵的裝置制備納米光柵的方法，包括下列步驟①建立一臺(tái)權(quán)利要求1所述的制備納米光柵的裝置，制備樣品5；②調(diào)整所述的裝置的格蘭棱鏡2和KDP晶體3，形成共光路的基頻光和倍頻光，倍頻光的偏振方向和基頻光的偏振方向相互垂直，將所述的樣品5置于聚焦透鏡4的焦平面；③在KDP晶體3和聚焦透鏡4之間放一塊對(duì)400nm波長(zhǎng)光高反而對(duì)800nm波長(zhǎng)光高透的反射鏡，分別用兩個(gè)能量計(jì)探頭監(jiān)測(cè)，同時(shí)調(diào)節(jié)激光器1、格蘭棱鏡2和KDP晶體3，使400nm波長(zhǎng)光和800nm波長(zhǎng)光的能量達(dá)到所需的比值；④撤離所述的反射鏡，激光聚焦垂直照射在樣品5的表面，在樣品5的表面即形成納米光柵。
利用本發(fā)明裝置的制備納米光柵的過程，再舉例補(bǔ)充說(shuō)明如下?lián)解佀{(lán)寶石激光器1發(fā)射800nm、130fs的基頻光，所述的樣品為ZnSe晶體，一束800nm、130fs的基頻光(P偏振方向)垂直經(jīng)過格蘭棱鏡2和KDP晶體3被分成800nm的P偏振光和400nm的S偏振光。兩束光共光路經(jīng)過聚焦透鏡4(f＝150mm)垂直共焦于ZnSe樣品5的表面。樣品5表面為<100>方向，經(jīng)過拋光處理。為確定照射到樣品5表面兩束激光能量，我們?cè)诒额l晶體3后面放置一塊對(duì)波長(zhǎng)400nm高反而對(duì)800nm高透的反射鏡，分別用兩個(gè)能量計(jì)探頭監(jiān)測(cè)，通過旋轉(zhuǎn)格蘭棱鏡2和KDP晶體3調(diào)節(jié)激光能量，使800nm激光的能量固定于1.9μJ，而400nm激光的能量從0.5μJ到1.1μJ變化。激光器1采用1Hz，單脈沖輻射。其結(jié)果如圖3所示。圖中激光能量為400nm(0.5μJ)+800nm(1.9μJ)。圖3(b)為圖3(a)中方框的局部放大圖。實(shí)線箭頭和虛線箭頭分別代表800nm和400nm激光的偏振方向。從圖中經(jīng)觀察和測(cè)試表明在ZnSe表面整個(gè)激光照射區(qū)域，沒有出現(xiàn)燒蝕坑，形成了一個(gè)完整的納米光柵，光柵結(jié)構(gòu)周期大約為180nm。光柵的結(jié)構(gòu)比較規(guī)則，沒有明顯的刻線交叉現(xiàn)象?？叹€也很細(xì)，只有10-20nm。
圖4為光柵方向隨著400nm和800nm激光能量比值變化而旋轉(zhuǎn)變化的示意圖。其中圖(a)400nm(0.5μJ)+800nm(1.9μJ)；圖(b)400nm(1.0μJ)+800nm(1.9μJ)；圖(c)400nm(1.1μJ)+800nm(1.9μJ)。
表明我們可以通過調(diào)節(jié)400nm光能量改變光柵結(jié)構(gòu)的方向。即隨著400nm激光能量的增加，光柵結(jié)構(gòu)的方向趨向400nm光的偏振方向。
對(duì)于倍頻的400nm激光，ZnSe晶體未激發(fā)時(shí)的折射率為2.9，其它參數(shù)為ε0＝8.47，m*＝0.17，N0＝2.19×1022cm-3，τD＝1fs。當(dāng)ne達(dá)到等離子體臨界密度1.5×1021cm-3時(shí)，根據(jù)公式(2，3)，ZnSe折射率下降10％。根據(jù)公式(1)，基頻光波長(zhǎng)λ＝800nm，周期Λ＝154nm。這與本發(fā)明方法制備的光柵結(jié)構(gòu)的周期符合得很好。
利用本發(fā)明，在整個(gè)激光照射區(qū)域形成了穩(wěn)定的周期納米光柵結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)倍頻光的能量，可改變光柵結(jié)構(gòu)的方向。同樣，我們利用本發(fā)明，采用800nm和400nm飛秒激光輻射SiC表面，也制備了周期170nm和90nm的納米光柵結(jié)構(gòu)。這種方法還可以應(yīng)用于半導(dǎo)體、介質(zhì)塊體和薄膜上的納米周期結(jié)構(gòu)的制備。
權(quán)利要求
1.一種制備納米光柵的裝置，其特征在于該裝置包括一飛秒激光器(1)，并由沿該飛秒激光器(1)輸出的飛秒激光脈沖的光軸上依次是格蘭棱鏡(2)、KDP晶體(3)和聚焦透鏡(4)構(gòu)成，所述的格蘭棱鏡(2)和KDP晶體(3)具有繞光軸旋轉(zhuǎn)的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備納米光柵的裝置，其特征在于所述的飛秒激光器(1)為摻鈦藍(lán)寶石激光器。
3.利用權(quán)利要求1所述的制備納米光柵的裝置制備納米光柵的方法，其特征在于包括下列步驟①建立一臺(tái)權(quán)利要求1所述的制備納米光柵的裝置，制備樣品(5)；②調(diào)整所述的裝置的格蘭棱鏡(2)和KDP晶體(3)，形成共光路的基頻光和倍頻光，倍頻光的偏振方向和基頻光的偏振方向相互垂直，將所述的樣品(5)置于聚焦透鏡(4)的焦平面；③在KDP晶體(3)和聚焦透鏡(4)之間放一塊對(duì)400nm波長(zhǎng)光高反而對(duì)800nm波長(zhǎng)光高透的反射鏡，分別用兩個(gè)能量計(jì)探頭監(jiān)測(cè)，同時(shí)調(diào)節(jié)激光器(1)、格蘭棱鏡(2)和KDP晶體(3)，使400nm波長(zhǎng)光和800nm波長(zhǎng)光的能量達(dá)到所需的比值；④撤離所述的反射鏡，激光聚焦垂直照射在樣品(5)的表面，在樣品(5)的表面即形成納米光柵。
全文摘要
一種制備納米光柵的裝置和方法，本發(fā)明的基本構(gòu)思是利用KDP晶體將一束激光倍頻，形成偏振方向互相垂直兩束激光。將這兩束激光共光路聚焦到材料表面，在材料上形成周期納米光柵。通過調(diào)節(jié)倍頻光的能量，可以改變光柵結(jié)構(gòu)的方向。本發(fā)明制備納米光柵的裝置，包括一飛秒激光器，并由沿該飛秒激光器輸出的飛秒激光脈沖的光軸上依次是格蘭棱鏡、KDP晶體和聚焦透鏡構(gòu)成，所述的格蘭棱鏡和KDP晶體具有繞光軸旋轉(zhuǎn)的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，制備方法簡(jiǎn)便，獲得的光柵刻線規(guī)則，光柵面積較大，光柵方向可控。
文檔編號(hào)G02B5/18GK1758075SQ20051011005
公開日2006年4月12日 申請(qǐng)日期2005年11月4日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月4日
發(fā)明者李成斌, 賈天卿, 陳洪新, 孫海軼, 徐至展 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所