本發(fā)明屬于光學(xué)元件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種激光脈沖誘導(dǎo)熔石英表面形成均勻光柵結(jié)構(gòu)的方法。

背景技術(shù)：

激光誘導(dǎo)周期性表面結(jié)構(gòu)是線偏振激光輻照在固體上形成的一種普遍現(xiàn)象，幾乎可以在包括金屬、半導(dǎo)體和絕緣體的任何材料上產(chǎn)生，通常以包含準(zhǔn)周期或周期性條紋的表面起伏形態(tài)出現(xiàn)。從技術(shù)的角度，激光誘導(dǎo)周期性表面結(jié)構(gòu)的加工是一種簡便的方法，周期性微納結(jié)構(gòu)可以在大氣環(huán)境條件下一步成形，實(shí)現(xiàn)材料的表面功能化，調(diào)控材料表面的光學(xué)、力學(xué)和化學(xué)等特性。

隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，超短激光光源的應(yīng)用極大促進(jìn)了人們對(duì)激光誘導(dǎo)周期性表面結(jié)構(gòu)的研究。超短飛秒激光不僅可以誘導(dǎo)產(chǎn)生周期接近于激光波長的長周期激光誘導(dǎo)微納結(jié)構(gòu)，而且還可以產(chǎn)生周期遠(yuǎn)小于激光波長的短周期激光誘導(dǎo)微納結(jié)構(gòu)。但是，飛秒激光微細(xì)加工系統(tǒng)設(shè)備昂貴，維護(hù)費(fèi)用高且周期長，加工效率低。飛秒激光誘導(dǎo)周期性表面結(jié)構(gòu)一般出現(xiàn)在燒蝕坑內(nèi)部，其局部的不平整性、燒蝕物的沉積以及波紋線條的不連續(xù)性等制約著飛秒激光誘導(dǎo)周期性表面結(jié)構(gòu)用于大面積均勻光柵結(jié)構(gòu)的制備。

針對(duì)目前激光誘導(dǎo)周期性表面結(jié)構(gòu)用于大面積均勻光柵結(jié)構(gòu)加工遇到的技術(shù)瓶頸，需要進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，探索激光制備大面積均勻光柵結(jié)構(gòu)的新方法，解決目前技術(shù)不能兼顧形貌微精確控制、高效率、高質(zhì)量和低成本的問題，亟需一種激光誘導(dǎo)周期性表面結(jié)構(gòu)形成大面積均勻光柵結(jié)構(gòu)的新方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種激光脈沖誘導(dǎo)熔石英表面形成均勻光柵結(jié)構(gòu)的方法，具有簡潔、方便、高效和低成本的優(yōu)勢。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明技術(shù)方案如下：

一種激光脈沖誘導(dǎo)熔石英表面形成均勻光柵結(jié)構(gòu)的方法，包括以下步驟：

s1：設(shè)置二氧化碳激光器的頻率和占空比參數(shù)；

s2：使用聲光調(diào)制器截取微秒寬度的二氧化碳激光峰值脈沖；

s3：對(duì)截取的微秒二氧化碳激光峰值脈沖進(jìn)行擴(kuò)束，然后對(duì)其聚焦處理；

s4：將熔石英樣片放置在聚焦后二氧化碳激光峰值脈沖的焦點(diǎn)位置；

s5：設(shè)置振鏡系統(tǒng)的掃描區(qū)域、掃描方式、掃描速度和掃描間距；

s6：利用振鏡系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)聚焦后的微秒二氧化碳激光峰值脈沖輻照熔石英樣品的表面，改變?nèi)凼悠繁砻媸茌椪諈^(qū)域的自組織結(jié)構(gòu)；

s7：微秒二氧化碳激光峰值脈沖重復(fù)掃描熔石英樣片的輻照區(qū)，使熔石英樣片表面自組織形成均勻的光柵結(jié)構(gòu)。

采用以上方案，通過微秒二氧化碳激光峰值脈沖聚焦對(duì)熔石英樣片表面進(jìn)行輻照，從而改變?nèi)凼悠砻孀越M織結(jié)構(gòu)，形成均勻的光柵結(jié)構(gòu)，因?yàn)槲⒚攵趸技す夥逯得}沖獲取相對(duì)較為容易，所采用設(shè)備相比飛秒激光微細(xì)加工系統(tǒng)成本更低，形成的光柵結(jié)構(gòu)更均勻光潔，提高了制造均勻光柵結(jié)構(gòu)的效率和質(zhì)量，并使光柵結(jié)構(gòu)適用于分光、結(jié)構(gòu)色等應(yīng)用。

作為優(yōu)選：步驟s5中，步驟s5中，所述掃描路徑為逐行掃描，掃描行間距小于微秒二氧化碳激光峰值脈沖聚焦光斑的尺寸。采用以上方案，使掃描均勻，確保聚焦光斑行與行的重疊，保證光柵結(jié)構(gòu)均勻。

作為優(yōu)選：步驟s5中，設(shè)置掃描速度參數(shù)，使其滿足同一行內(nèi)聚焦光斑重疊。采用以上方案，避免聚焦光斑掃描不均，導(dǎo)致形成的光柵結(jié)構(gòu)不均勻。

作為優(yōu)選：步驟s4中，所述熔石英樣片放置在二維平移樣品臺(tái)上，所述二維平移樣品臺(tái)可以逐行移動(dòng)。采用以上方案，可以直接通過逐行移動(dòng)樣品臺(tái)實(shí)現(xiàn)逐行掃描，減少振鏡系統(tǒng)的的能量耗費(fèi)。

作為優(yōu)選：步驟s5中，需對(duì)熔石英樣片進(jìn)行預(yù)拋光處理。采用以上方案，使熔石英樣片表面達(dá)到光學(xué)級(jí)的拋光度，最后形成的表面光柵結(jié)構(gòu)質(zhì)量更好。

作為優(yōu)選：步驟s5中，對(duì)預(yù)拋光處理后的熔石英進(jìn)行超聲波清洗。采用以上方案，進(jìn)一步提高熔石英表面清潔度，從而保證形成光柵的結(jié)構(gòu)均勻。

作為優(yōu)選：步驟s7中，熔石英樣片表面自組織形成均勻光柵結(jié)構(gòu)區(qū)后，在其相鄰區(qū)域繼續(xù)采用微秒二氧化碳激光峰值脈沖輻照形成新的均勻光柵結(jié)構(gòu)區(qū)后，相鄰均勻光柵結(jié)構(gòu)區(qū)部分交疊。采用以上方案，實(shí)現(xiàn)相鄰均勻光柵結(jié)構(gòu)區(qū)光柵線條連貫一致，實(shí)現(xiàn)相鄰均勻光柵結(jié)構(gòu)區(qū)的拼接。

作為優(yōu)選：步驟s3中，采用擴(kuò)束鏡對(duì)微秒二氧化碳激光峰值脈沖進(jìn)行擴(kuò)束，然后采用f-θ透鏡對(duì)其進(jìn)行聚焦。采用以上方案，可以實(shí)現(xiàn)快速對(duì)微秒二氧化碳激光峰值脈沖的擴(kuò)束聚焦處理，操作簡單快捷。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

采用本發(fā)明提供的激光脈沖誘導(dǎo)熔石英表面形成均勻光柵結(jié)構(gòu)的方法，采用微秒二氧化碳激光峰值脈沖對(duì)熔石英樣片進(jìn)行輻照，從而使熔石英樣片表面自組織形成均勻的光柵結(jié)構(gòu)，方法新穎，避免了采用飛秒激光時(shí)獲取激光的高成本繁瑣步驟，微秒二氧化碳激光峰值脈沖的截取成本較低，形成均勻光柵結(jié)構(gòu)步驟簡潔、方便高效，且結(jié)構(gòu)光潔，通過重疊輻照區(qū)域可輕松獲得大面積的均勻光柵結(jié)構(gòu)，適用于分光、結(jié)構(gòu)色等應(yīng)用。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的流程圖；

圖2為掃描一遍和掃描多遍的熔石英表面形貌顯微圖；

圖3為紅光二極管激光通過熔石英表面表面光柵結(jié)構(gòu)后典型的透射光光強(qiáng)分布圖；

圖4為拼接均勻光柵結(jié)構(gòu)區(qū)域光柵線條分布圖；

圖5為白光線光源不同方向通過均勻光柵結(jié)構(gòu)后形成典型的結(jié)構(gòu)色圖像。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

實(shí)施例1：參考圖1所示流程步驟進(jìn)行，設(shè)置輸出線偏振光的射頻100w，激勵(lì)二氧化碳激光器射出出光頻率為1khz，占空比為25％，當(dāng)占空比為25％時(shí)，二氧化碳激光器激發(fā)出峰值脈沖，利用與二氧化碳激光器耦合的聲光調(diào)制器截取微秒寬度的二氧化碳激光峰值脈沖，獲得1khz，脈寬4.5μs的微秒二氧化碳激光峰值脈沖。

使用三倍擴(kuò)束鏡對(duì)微秒二氧化碳激光峰值脈沖擴(kuò)束，并用焦距為100mm的f-θ透鏡對(duì)微秒二氧化碳激光峰值脈沖進(jìn)行聚焦，聚焦光斑的尺寸約為90μm。

對(duì)熔石英進(jìn)行光學(xué)級(jí)的拋光處理，然后采用超聲波對(duì)其清洗，充分保證其表面清潔度，將處理后的熔石英樣片放置在二氧化碳激光峰值脈沖焦點(diǎn)位置；設(shè)置振鏡系統(tǒng)的掃描區(qū)域?yàn)?mm×3mm，掃描方式是逐行掃描，掃描速度為26.7mm/s，掃描速度滿足同一行內(nèi)的聚焦光斑重疊，即當(dāng)二氧化碳激光峰值脈沖掃描同一行時(shí)，脈沖序列的前后序列掃描的位置相同，后一序列的脈沖作用范圍作用區(qū)域與前一序列的脈沖作用區(qū)域一致；掃描行間距0.013mm，此時(shí)的行間距小于聚焦光斑的尺寸90μm，從而充分保證聚焦光斑在掃描時(shí)，掃過每行時(shí)，相鄰兩行之間縱會(huì)存在重疊，不會(huì)有區(qū)域沒有掃描輻照到，可以有效提高對(duì)熔石英表面自組織的均勻處理。

設(shè)置完成之后，對(duì)熔石英樣品進(jìn)行八遍掃描，其表面在輻照誘導(dǎo)情況下形成自組織均勻光柵結(jié)構(gòu)。

參考圖2，其左側(cè)a部分為掃描一遍熔石英表面的顯微圖，右側(cè)b部分為掃描八遍熔石英表面的顯微圖，顯微圖片指出光柵結(jié)構(gòu)周期與二氧化碳激光波長一致，光柵結(jié)構(gòu)均勻、光潔，光柵線條連貫，且掃描次數(shù)越多，其表面光潔度越高；

利用紅光二極管激光演示制備的光柵結(jié)構(gòu)的衍射效果如圖3所示，衍射效果圖指出制備的光柵結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)有效的分光，激光能量從外到內(nèi)，從零-級(jí)分配到更高的級(jí)次。

實(shí)施例2：本實(shí)施例與實(shí)施例1的區(qū)別在于，當(dāng)熔石英表面3mm×3mm掃描區(qū)域形成均勻光柵結(jié)構(gòu)后，樣品上移3mm，在已經(jīng)形成的均勻光柵結(jié)構(gòu)的區(qū)域下方掃描熔石英表面，形成另一個(gè)3mm×3mm光柵結(jié)構(gòu)區(qū)域，兩個(gè)區(qū)域的光柵線條連貫一致，如圖4所示，上部為第一次通過輻照形成的均勻光柵結(jié)構(gòu)區(qū)域1，下部為第二次輻照形成的均勻光柵結(jié)構(gòu)區(qū)域2，兩者之間存在交疊區(qū)域，由圖可看出，兩者交疊區(qū)域光滑均勻，可以實(shí)現(xiàn)兩塊均勻光柵結(jié)構(gòu)區(qū)域的光滑拼接，以此類推，形成大面積的均勻光柵結(jié)構(gòu)區(qū)，輕松完成大面積均勻光柵結(jié)構(gòu)區(qū)的制作，具有極大的推廣價(jià)值。

實(shí)施例3：本實(shí)施例與實(shí)施例1的區(qū)別在于：掃描微秒二氧化碳激光峰值脈沖輻照熔石英樣片表面采用二維平移樣品臺(tái)逐行移動(dòng)的方式進(jìn)行，二維平移樣品臺(tái)移動(dòng)區(qū)域?yàn)?0mm×30mm，在該區(qū)域內(nèi)的移動(dòng)速度滿足二氧化碳激光器的掃描速度20mm/s，掃描行間距0.02mm，微秒二氧化碳激光脈沖5μs，重復(fù)掃描遍數(shù)4遍，這樣即可減少振鏡系統(tǒng)的逐行移動(dòng)，通過二維平移樣品臺(tái)逐行移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)相對(duì)的逐行掃描，實(shí)現(xiàn)起來更簡單，且消耗能量更少。

實(shí)施例4：本實(shí)施例與實(shí)施例1的區(qū)別在于：振鏡系統(tǒng)掃描熔石英樣片表面區(qū)域?yàn)椤爸形镌?、caep”文字覆蓋的區(qū)域，白光源日光燈管照明下典型的結(jié)構(gòu)色效果如圖5所示，其中a部分為線光源垂直于均勻光柵結(jié)構(gòu)線條方向的透射光圖像、b部分為線光源平行與均勻光柵結(jié)構(gòu)線條方向的透射光圖像、c部分為反射光圖像，通過對(duì)比成像結(jié)構(gòu)色可看出，采用本方法制作的均勻光柵結(jié)構(gòu)的分光效果極好，能很好的顯示反應(yīng)結(jié)構(gòu)色，對(duì)其研究有很大意義。

最后需要說明的是，上述描述僅僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不違背本發(fā)明宗旨及權(quán)利要求的前提下，可以做出多種類似的表示，這樣的變換均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。