專利名稱：一種近場光學(xué)虛擬光探針選擇性微加工方法及其系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于近場光學(xué)、激光微加工技術(shù)領(lǐng)域，特別提出一種應(yīng)用近場光學(xué)虛擬光探針進行多種材料選擇性微加工方法及其系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的激光微加工主要有全息記錄法、激光直接掃描法、光纖探針操作法。全息記錄法的實驗裝置復(fù)雜，設(shè)備昂貴，光束的干涉較難調(diào)節(jié)，限制了它在微細加工領(lǐng)域應(yīng)用。激光直接掃描法的分辨率較低，加工過程難于控制。光纖探針操作法由于光纖探針的通光效率很低，而且光纖探針與加工表面之間的距離必須控制在近場區(qū)域(約10～50nm)，使得其間距控制比較困難，很容易因探針與材料表面碰撞而造成探針的損傷。
2000年，法國的Grosjean和Courjon首先提出了虛擬光探針的概念。利用兩束入射角大于全反射角的平行光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時發(fā)生全反射，由電磁場的連續(xù)性條件可知，光波不是絕對地在界面上被全部反射回光密介質(zhì)，而是透入光疏介質(zhì)大約一個波長的深度，并在光疏介質(zhì)中沿著介質(zhì)表面?zhèn)鞑ヒ欢ň嚯x后重新返回光密介質(zhì)，再沿著反射光方向出射，這個沿著光疏介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ牟词请[失波。兩束入射光產(chǎn)生的兩列沿著光疏介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ碾[失波在兩種介質(zhì)的界面上相遇時即發(fā)生干涉，造成了受限制的光場分布，光場中央出現(xiàn)了一個比較尖銳的峰，其半峰全寬(FWHM)在波長深度范圍內(nèi)不隨距離z的變化而變化，形成納米光柱，此即納米尺度的近場光學(xué)虛擬光探針。
由虛擬光探針概念可知近場光學(xué)虛擬光探針是基于近場光學(xué)隱失波場干涉原理產(chǎn)生的一種非實體探針，其在一定范圍內(nèi)峰值寬度保持不變的特性使得它可以被廣泛應(yīng)用于近場光學(xué)超高密度數(shù)據(jù)存儲、近場光學(xué)光譜探測、近場光學(xué)納米光刻、近場掃描顯微鏡、近場光學(xué)成像、納米樣品的近場光學(xué)操作等領(lǐng)域。
清華大學(xué)在應(yīng)用虛擬光探針實現(xiàn)光學(xué)存儲方面開展了系統(tǒng)而深入的研究，他們提出在兩種具有不同折射率的介質(zhì)界面處設(shè)置一個小孔光闌，從而可以由隱失波場的干涉疊加形成約束光場，更有利于產(chǎn)生虛擬光探針效應(yīng)。其開展的研究尚處于理論探討階段，尚未應(yīng)用于激光微加工。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服傳統(tǒng)微加工中存在的系統(tǒng)復(fù)雜、間距控制困難、選擇性不強等缺點，應(yīng)用具有優(yōu)異特性的近場光學(xué)虛擬光探針來實現(xiàn)對材料表面進行選擇性微加工。
基于由近場光學(xué)隱失波場干涉疊加形成虛擬光探針的原理，本發(fā)明提出應(yīng)用納米尺度的近場光學(xué)虛擬光探針對材料進行選擇性微加工，并且據(jù)此設(shè)計了一套微加工系統(tǒng)。實施選擇性微加工的方法為由激光器發(fā)射的激光光束經(jīng)濾波片、偏光器后入射到三角棱鏡的一邊，其折射光束在三角棱鏡底面的入射角大于三棱鏡的全反射角時發(fā)生全內(nèi)反射，反射光束從另一邊折射出三角棱鏡后經(jīng)光學(xué)延遲器和反射鏡后又沿原路入射到三角棱鏡的底面，從而在該底面與空氣的界面上產(chǎn)生隱失波場，在一定的條件下由于隱失波場干涉疊加而形成虛擬光探針，將加工材料置于三角棱鏡底面下的一定距離范圍，即由隱失波場干涉形成的虛擬光探針的有效作用距離150～500nm，便可以利用虛擬光探針對材料進行微加工，材料的微移調(diào)節(jié)通過微動載物臺來實現(xiàn)。
為了增強虛擬光探針效應(yīng)，可以在棱鏡的全反射面設(shè)置微孔光闌，使得光場分布的中心峰(即虛擬光探針的有效部分)在其約束作用下在波長距離內(nèi)不向外發(fā)散而形成納米光柱。
實現(xiàn)本發(fā)明的系統(tǒng)主要由激光器、調(diào)光體系、光束延遲體系和微加工系統(tǒng)依次組成。其中隱失波場是通過由激光器提供的光源產(chǎn)生全內(nèi)反射激發(fā)而形成的。調(diào)光體系主要由濾波片和偏光器組成，濾波片可以將激光光源調(diào)節(jié)至一定的頻帶寬度，偏光器可以調(diào)節(jié)激光光束的偏振方向。為了實現(xiàn)隱失波場的干涉，必須調(diào)節(jié)兩入射光束的光程差，這可以通過光學(xué)延遲體系中的光學(xué)延遲器來完成。微加工系統(tǒng)包括兩個部分，兩部分之間為空氣隙。其中一個部分(即核心部分)是由經(jīng)過調(diào)節(jié)后的兩束入射激光束在三角棱鏡底面發(fā)生全內(nèi)反射從而形成虛擬光探針，在這一部分必須嚴格控制兩入射光束的入射角使其大于三棱鏡的全反射角來實現(xiàn)全內(nèi)反射，此外在三角棱鏡的底面鍍有一層金屬薄膜，并在金屬薄膜中間留微孔。金屬膜層的作用相當于微孔光闌，它可以屏蔽掉可能透過三角棱鏡底面的激光，要求金屬膜層的厚度為納米至亞微米級(控制在5～200nm范圍內(nèi))，并且具有盡可能大的導(dǎo)電率(σ→∞)，其材料可以選擇金、銀、鋁或者其他易加工微孔的材料。微孔對激光光束具有一定的約束作用，有利于產(chǎn)生虛擬光探針效應(yīng)，微孔的形狀通?？梢栽O(shè)計成圓形、方形或者其他特殊形狀，其尺度不能太大也不能太小，太大會造成隱失波場干涉疊加產(chǎn)生的光場分布產(chǎn)生許多旁瓣，對虛擬光探針的應(yīng)用不利，太小則使得虛擬光探針的隱失波場干涉效應(yīng)不顯著，通常控制在亞微米至微米級范圍(0.5～3μm)。微加工系統(tǒng)的另一個部分是加工材料控制系統(tǒng)，其作用是一方面控制加工材料的微動調(diào)節(jié)以實現(xiàn)選擇性微加工，另一方面更重要的是要準確地控制微加工表面與光束全反射面之間的距離(近場納米間距，亦即空氣隙的厚度)在虛擬光探針的有效作用距離即150～500nm范圍內(nèi)。
本發(fā)明提出的微加工系統(tǒng)因其應(yīng)用了具有優(yōu)異特性的近場光學(xué)虛擬光探針而帶來一系列的技術(shù)優(yōu)勢。第一，探針與微加工材料表面之間的近場納米間距容易控制，一方面有效克服了因灰塵污染及探針與材料表面碰撞而造成損傷的不足，另一方面也為提高微加工速度奠定了基礎(chǔ)。而且虛擬光探針的尺寸(即光場分布中心峰的半高寬)在波長深度空間范圍內(nèi)基本保持在100～300nm不變，與傳統(tǒng)光纖探針相比，其近場納米間距的控制要求大大放寬。第二，虛擬光探針的通光效率高，其數(shù)量級為10-2，比普通納米孔徑光纖探針10-4～10-6的通光效率提高了約2～4個數(shù)量級，克服了傳統(tǒng)光纖探針輸出信號微弱的缺點。第三，微加工分辨率高于衍射極限，可達到納米量級，比傳統(tǒng)光學(xué)分辨率提高了幾十倍甚至上百倍。第四，微加工工藝簡單易實現(xiàn)，這是由于虛擬光探針的實施條件容易滿足，所需要的光學(xué)元件較少，系統(tǒng)組建比較容易。


圖1近場光學(xué)虛擬光探針選擇性微加工系統(tǒng)示意2金屬膜層上圓形微孔的幾何形狀3近場光學(xué)虛擬光探針原理示意圖1激光器，2濾波片，3偏光器，4三角棱鏡，5光學(xué)延遲器，6反射鏡，7金屬膜層，8圓形微孔，9微動載物臺，10加工材料，11空氣隙，12光疏介質(zhì)，13光密介質(zhì)，14兩束受限入射光，15隱失波場干涉疊加產(chǎn)生的光場分布。
具體實施例方式
結(jié)合圖1示例的近場光學(xué)虛擬光探針選擇性微加工系統(tǒng)示意圖對本發(fā)明的具體裝置的細節(jié)和實施作如下說明進行近場光學(xué)虛擬光探針選擇性微加工的基本裝置是由激光器1、外光路系統(tǒng)、微加工系統(tǒng)依次組成的，其中外光路系統(tǒng)包括調(diào)光體系和光束延遲體系，主要由濾波片2、偏光器3、光學(xué)延遲器5、反射鏡6組成；微加工系統(tǒng)包括近場光學(xué)虛擬光探針形成及調(diào)節(jié)系統(tǒng)、加工材料控制系統(tǒng)，主要構(gòu)成元件有三角棱鏡4、金屬膜層7、微動載物臺9以及加工材料10。
本發(fā)明所提出的系統(tǒng)的核心部分為近場光學(xué)虛擬光探針形成及調(diào)節(jié)系統(tǒng)。為了在三角棱鏡4和空氣隙11的交界面上產(chǎn)生隱失波場，從而可以滿足虛擬光探針形成的基本條件，在系統(tǒng)組建時必須通過對三角棱鏡4進行微調(diào)來準確控制激光光束在三角棱鏡4底面上的入射角，使其大于三角棱鏡4的全反射角(即臨界角)。為了增強隱失波場的干涉，通過在三角棱鏡4的全反射面鍍一層鋁金屬膜的方法對光場分布施以約束作用，金屬膜層7的厚度大約為100nm，上面開有圓形微孔8，這樣就使得金屬膜層7起到了微孔光闌的作用。圓形微孔8的幾何形狀如圖2所示，其直徑D的大小為1.5μm。為了有效利用虛擬光探針，微加工時還必須通過加工材料控制系統(tǒng)來控制微加工表面與光束全反射面之間的近場納米間距，根據(jù)其作用范圍控制在150～500nm為宜。
為了形象地說明虛擬光探針的形成機理，便于系統(tǒng)操作時較好掌握調(diào)控要素，圖3給出了近場光學(xué)虛擬光探針的原理示意圖。當入射角θ大于臨界角θc(θc＝arcsin(n2/n1))的兩束受限入射光14自光密介質(zhì)13(折射率為n1)射入光疏介質(zhì)12(折射率為n2，通常為空氣，n2＝1)時發(fā)生全反射，從而在兩種介質(zhì)的界面上會產(chǎn)生隱失波場，隱失波場干涉疊加產(chǎn)生的光場分布15具有多級次級峰。如果在界面處設(shè)置適當尺寸的微孔光闌，則形成約束光場，其中心峰被極大增強且在波長深度范圍內(nèi)不會發(fā)散而形成納米光柱，即光場分布中心峰的半高寬(FWHM)不隨距離z的變化而變化，此即為納米尺度的近場光學(xué)虛擬光探針。本發(fā)明的系統(tǒng)正是應(yīng)用光場分布的這一高峰值中心峰來實現(xiàn)選擇性微加工的。
權(quán)利要求
1.一種近場光學(xué)虛擬光探針選擇性微加工方法，其特征在于由激光器發(fā)射的激光光束經(jīng)濾波片、偏光器后入射到三角棱鏡的一邊，且其折射光束在三角棱鏡底面的入射角大于三棱鏡的全反射角，反射光束從另一邊折射出三角棱鏡后經(jīng)光學(xué)延遲器和反射鏡后又沿原路入射到三角棱鏡的底面，從而在該底面與空氣的界面上產(chǎn)生隱失波場，經(jīng)隱失波場干涉疊加而形成虛擬光探針，將加工材料置于三角棱鏡底面下，即由隱失波場干涉形成的虛擬光探針，在有效作用距離150～500nm下利用虛擬光探針對材料進行微加工，通過微動載物臺實現(xiàn)材料的微移調(diào)節(jié)。
2.實現(xiàn)權(quán)利要求1所述的一種近場光學(xué)虛擬光探針選擇性微加工方法的系統(tǒng)，其特征在于由激光器(1)、外光路系統(tǒng)、微加工系統(tǒng)依次組成的，其中外光路系統(tǒng)包括調(diào)光體系和光束延遲體系，主要由濾波片(2)、偏光器(3)、光學(xué)延遲器(5)、反射鏡(6)組成；微加工系統(tǒng)包括近場光學(xué)虛擬光探針形成及調(diào)節(jié)系統(tǒng)、加工材料控制系統(tǒng)，主要構(gòu)成元件有三角棱鏡(4)、金屬膜層(7)、微動載物臺(9)以及加工材料(10)，其中在三角棱鏡的底面鍍有一層金屬薄膜，并在金屬薄膜中間留微孔，金屬膜層的厚度為納米至亞微米級即5～200nm，并且具有盡可能大的導(dǎo)電率σ→∞，其材料為金、銀、鋁或者其他易加工微孔的材料；微孔的形狀為圓形、方形或者其他特殊形狀，其尺度為亞微米至微米級范圍0.5～3μm。
全文摘要
本發(fā)明為一種應(yīng)用近場光學(xué)虛擬光探針進行多種材料選擇性微加工方法及其系統(tǒng)。本發(fā)明提出應(yīng)用納米尺度的近場光學(xué)虛擬光探針對材料進行選擇性微加工，并且據(jù)此設(shè)計了一套微加工系統(tǒng)。其由激光器發(fā)射的激光光束經(jīng)濾波片、偏光器后入射到三角棱鏡的一邊，其折射光束在三角棱鏡底面的入射角大于三棱鏡的全反射角時發(fā)生全內(nèi)反射，反射光束從另一邊折射出三角棱鏡后經(jīng)光學(xué)延遲器和反射鏡后又沿原路入射到三角棱鏡的底面，形成虛擬光探針，將加工材料置于三角棱鏡底面下的一定距離范圍，便可以利用虛擬光探針對材料進行微加工，材料的微移調(diào)節(jié)通過微動載物臺來實現(xiàn)。有效克服了因灰塵污染及探針與材料表面碰撞而造成損傷的不足，可提高微加工速度。
文檔編號B23K26/36GK1899748SQ200610085348
公開日2007年1月24日 申請日期2006年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月12日
發(fā)明者周明, 李保家, 蔡蘭 申請人:江蘇大學(xué)