一種基于動(dòng)態(tài)調(diào)控的焦場(chǎng)軌跡制作微結(jié)構(gòu)的裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光場(chǎng)偏振調(diào)控及飛秒激光微納加工領(lǐng)域，具體涉及利用動(dòng)態(tài)調(diào)控的飛 秒矢量光場(chǎng)陣列調(diào)控焦場(chǎng)軌跡并基于此進(jìn)行微納加工的裝置和方法。
【背景技術(shù)】：
[0002] 過去十幾年內(nèi)，隨著飛秒激光技術(shù)的不斷發(fā)展，飛秒激光微納加工的應(yīng)用越來越 廣泛。飛秒激光憑借其固有的超短和超強(qiáng)特性，較傳統(tǒng)長(zhǎng)脈沖激光在微細(xì)加工方面具有許 多不可比擬的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：加工過程的非熱熔性、加工程度的準(zhǔn)確性、加工尺寸的亞微米特 性、加工材料的廣泛性等，因而被廣泛用來加工金屬、半導(dǎo)體以及介質(zhì)材料等。同時(shí)，飛秒 激光微加工技術(shù)也是一種在透明材料中制作二維或三維結(jié)構(gòu)的方法。但是，飛秒激光微納 加工也有加工效率低的特點(diǎn)，這是由于一般的激光加工都是基于單光斑掃描的方式進(jìn)行加 工。為了提高加工的效率，可以采用多光束或多光束干涉的干涉光斑進(jìn)行并行加工，但是這 些方法的缺點(diǎn)是在加工復(fù)雜的二維/三維微結(jié)構(gòu)時(shí)缺乏靈活性。
[0003] 偏振作為光場(chǎng)的一個(gè)重要屬性，在光的調(diào)控中起到非常重要的作用。最近幾年， 對(duì)光場(chǎng)的空域調(diào)控，尤其對(duì)偏振態(tài)的空域調(diào)控，已取得了一些重要進(jìn)展，并已成為廣受關(guān)注 的研究領(lǐng)域。矢量光場(chǎng)或非均勻偏振光場(chǎng)，即在光場(chǎng)波陣面上不同位置具有不同偏振態(tài)的 光場(chǎng)，作為一類極為重要的空間結(jié)構(gòu)光場(chǎng)，其非均勻偏振分布導(dǎo)致新穎的時(shí)空演化行為和 許多不同于標(biāo)量光場(chǎng)的新奇特性。徑向偏振光場(chǎng)可以被緊聚焦成〇. 16 λ 2超衍射極限的遠(yuǎn) 場(chǎng)焦斑，而在相同條件下線偏振光場(chǎng)只能實(shí)現(xiàn)〇. 26 λ 2的聚焦斑。利用光場(chǎng)偏振態(tài)和位相 的聯(lián)合調(diào)控，可建立攜帶渦旋位相的旋向（角向）偏振矢量光場(chǎng)，緊聚焦后可獲得更小的 超衍射極限遠(yuǎn)場(chǎng)焦斑。特別地，緊聚焦徑向偏振光場(chǎng)可生成強(qiáng)的縱向電場(chǎng)分量（簡(jiǎn)稱為縱 向場(chǎng)，即其偏振方向沿著軸向）。最近，飛秒矢量光場(chǎng)已被用于在固體材料表面制備亞波長(zhǎng) 的微納結(jié)構(gòu)。對(duì)于單個(gè)的矢量光場(chǎng)，在緊聚焦條件下一般只產(chǎn)生一個(gè)聚焦斑，而單個(gè)焦斑 的微納加工其加工效率是目前面臨的一個(gè)重要挑戰(zhàn)。但是，對(duì)于由多個(gè)單個(gè)矢量光場(chǎng)組成 的矢量光場(chǎng)陣列，由于可以單獨(dú)設(shè)計(jì)每個(gè)矢量光場(chǎng)的偏振態(tài)分布及其空間排布，因此可以 實(shí)現(xiàn)對(duì)焦場(chǎng)的三維調(diào)控進(jìn)而獲得多焦斑，因而在提高微納加工的效率方面有著非常大的應(yīng) 用潛力[Κ. Lou, S.X. Qian, Z.C. Ren, C.H. Tu，Υ.Ν. Li, and Η.Τ. Wang, "Femtosecond Laser Processing by Using Patterned Vector Optical Fields, "Sci. Rep.3,2281 (2013); M. Q. Cai, C. H. Tu, H. H. Zhang, S. X. Qian, K. Lou, Y. N. Li, and Η. T. Wang, ''Subwavelength multiple focal spots produced by tight focused the patterned vector optical fields, " Opt. Express 21，31469 - 31482 (2013) ·]。
[0004] 基于矢量光場(chǎng)陣列中單個(gè)矢量光場(chǎng)的偏振態(tài)分布及矢量光場(chǎng)陣列的空間排布的 設(shè)計(jì)，可以獲得不同的緊聚焦焦場(chǎng)分布。比如，設(shè)計(jì)一種矢量光場(chǎng)陣列，其緊聚焦時(shí)可以產(chǎn) 生按正六邊形排布的六個(gè)聚焦斑，若要用此聚焦場(chǎng)進(jìn)行微納加工，則一次可以加工六個(gè)點(diǎn)， 如果要加工一個(gè)圓形的結(jié)構(gòu)，設(shè)想讓這六個(gè)點(diǎn)繞中心點(diǎn)隨時(shí)間慢慢旋轉(zhuǎn)60°，這樣會(huì)產(chǎn)生 一個(gè)圓形的隨時(shí)間變化的焦斑軌跡，基于它則可以加工出一個(gè)圓形。若需要加工一個(gè)正六 邊形，則需要在旋轉(zhuǎn)這六個(gè)焦斑的過程中，使焦斑軌跡呈現(xiàn)六邊形即可，而這可以通過動(dòng)態(tài) 設(shè)計(jì)加載在空間光調(diào)制器上的全息光柵來實(shí)現(xiàn)。依據(jù)和此類似的方法，可以實(shí)現(xiàn)其他復(fù)雜 微結(jié)構(gòu)的加工和制備。因此基于動(dòng)態(tài)調(diào)控的飛秒矢量光場(chǎng)陣列一方面可以方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù) 雜微納結(jié)構(gòu)的加工，另一方面還可以大幅提高微納加工的效率。更重要的是，在微納加工的 過程中，不需要樣品和光束的移動(dòng)，而這一切僅需要?jiǎng)討B(tài)改變加載在空間光調(diào)制器上的全 息光柵就可實(shí)現(xiàn)，基于這種動(dòng)態(tài)調(diào)控的焦場(chǎng)軌跡加工微結(jié)構(gòu)的方法目前尚未查到相關(guān)專利 申請(qǐng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 發(fā)明目的是為了解決目前飛秒激光微納加工時(shí)需要對(duì)樣品進(jìn)行復(fù)雜的移動(dòng)控制 以及加工效率低下的問題，提供一種基于動(dòng)態(tài)調(diào)控飛秒矢量光場(chǎng)陣列的復(fù)雜微納結(jié)構(gòu)高效 加工的裝置和方法。
[0006] 技術(shù)方案：
[0007] -種基于動(dòng)態(tài)調(diào)控的焦場(chǎng)軌跡制作復(fù)雜微納結(jié)構(gòu)的裝置，該裝置包括：飛秒激光 器、動(dòng)態(tài)飛秒矢量光場(chǎng)陣列的生成及調(diào)控系統(tǒng)和緊聚焦微加工系統(tǒng)。
[0008] 動(dòng)態(tài)飛秒矢量光場(chǎng)陣列的生成及調(diào)控系統(tǒng)包括：沿光軸方向依次布置的空間光調(diào) 制器（4)、4f系統(tǒng)前置透鏡（5)、空間濾波器（6)、1/4波片（7)、4f系統(tǒng)后置透鏡（8)、朗奇 光柵（9)以及用于產(chǎn)生和動(dòng)態(tài)控制全息光柵的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（14)。
[0009] 緊聚焦微加工系統(tǒng)包括：顯微物鏡（11)、樣品（12)和樣品三維移動(dòng)平臺(tái)（13);
[0010] 飛秒激光器（1)輸出的飛秒激光經(jīng)由1/2波片（2)和偏振分束器（3)組成的可變 衰減器對(duì)激光能量進(jìn)行控制，然后垂直入射至空間光調(diào)制器（4)，空間光調(diào)制器上加載由計(jì) 算機(jī)系統(tǒng)（14)生成并動(dòng)態(tài)控制的全息光柵，通過空間光調(diào)制器后衍射的線偏振光經(jīng)4f系 統(tǒng)前置透鏡（5)進(jìn)行匯聚，利用處在4f系統(tǒng)前置透鏡的頻譜面上的空間濾波器（6)分別選 取正、負(fù)一級(jí)的衍射光，然后各自經(jīng)過一個(gè)1/4波片（7)轉(zhuǎn)化成攜帶渦旋相位的左、右旋圓 偏振光，再經(jīng)4f系統(tǒng)后置透鏡（8)匯聚后入射至朗奇光柵（9)，經(jīng)朗奇光柵合束后獲得動(dòng)態(tài) 調(diào)控的飛秒矢量光場(chǎng)陣列。所獲得的動(dòng)態(tài)調(diào)控飛秒矢量光場(chǎng)陣列經(jīng)反射鏡（10)反射后入 射至顯微物鏡（11)進(jìn)行聚焦，聚焦光束輻照在樣品（12)表面或內(nèi)部（透明材料）進(jìn)行微 納結(jié)構(gòu)的加工，樣品可根據(jù)需要由三維移動(dòng)平臺(tái)（13)進(jìn)行三維精確控制移動(dòng)，對(duì)移動(dòng)平臺(tái) 的控制由與之相連的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（14)來實(shí)施。
[0011] 所述的飛秒激光器（1)的中心波長(zhǎng)為775~810nm、脈沖寬度為50~150fs、重復(fù) 頻率為1~5kHz。
[0012] 所述的經(jīng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（14)加載到空間光調(diào)制器（4)的全息光柵在微加工過程隨 時(shí)間動(dòng)態(tài)變化以生成動(dòng)態(tài)調(diào)控的飛秒矢量光場(chǎng)陣列，進(jìn)而產(chǎn)生所需的隨時(shí)間變化的焦場(chǎng)軌 跡；制備的微納結(jié)構(gòu)的形狀可以由焦場(chǎng)軌跡的設(shè)計(jì)進(jìn)行控制。
[0013] 所述的樣品（12)可以是金屬、半導(dǎo)體或介質(zhì)材料（在表面進(jìn)行微納加工），也可以 是透明固體材料（如玻璃、融石英、鈮酸鋰或周期極化鈮酸鋰等，在內(nèi)部或表面進(jìn)行微納加 工）。
[0014] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果
[0015] (1)本發(fā)明加工的微納結(jié)構(gòu)的形狀可以由焦場(chǎng)軌跡的設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)控制來實(shí)現(xiàn)，因 此可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜微納結(jié)構(gòu)的制備和加工；
[0016] (2)本發(fā)明基于矢量光場(chǎng)陣列的偏振調(diào)控從而產(chǎn)生多焦斑的緊聚焦焦場(chǎng)，并基于 多焦斑進(jìn)行微加工，提高了微納加工的效率；
[0017] (3)本發(fā)明在加工單個(gè)微納結(jié)構(gòu)時(shí)，無需樣品或光束的移動(dòng)，只需動(dòng)態(tài)調(diào)控加載到 空間光調(diào)制器上的全息光柵即可。本發(fā)明技術(shù)成熟，步驟簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性強(qiáng)，可重復(fù)性高。
【附圖說明】
[0018] 圖1是利用動(dòng)態(tài)調(diào)控的飛秒矢量光場(chǎng)陣列制作微結(jié)構(gòu)的裝置示意圖。
[0019] 圖2是基于矢量光場(chǎng)陣列的焦場(chǎng)軌跡調(diào)控示意圖，（a)矢量光場(chǎng)陣列排布示意圖 及其描述參數(shù)，（b)圖（a)中所示的矢量光場(chǎng)陣列的旋轉(zhuǎn)，（C)由矢量光場(chǎng)陣列旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的 焦斑旋轉(zhuǎn)示意圖。
[0020] 圖3是基于動(dòng)態(tài)調(diào)控矢量光場(chǎng)陣列的正六邊形焦場(chǎng)軌跡形成過程示意圖。第一 行：旋轉(zhuǎn)一定角度后的矢量光場(chǎng)陣列示意圖，第二行：與第一行的矢量光場(chǎng)陣列對(duì)應(yīng)的焦 場(chǎng)分布，第三行：基于矢量光場(chǎng)陣列逐步旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的正六邊形焦場(chǎng)軌跡形成示意圖。模擬 條件：（a)r = r0，α = 0，（b)r = I. 10r0，α = π /15，（c)r = I. 15r0，α = 2 π /15，（d)r =I. 15r〇, a = Ji /5, (e)r = I. IOr0, a = 4 π /15。
[0021] 圖4是正四邊形焦場(chǎng)軌跡形成示意圖，（a)矢量光場(chǎng)陣列排布示意圖，（b)圖（a) 矢量光場(chǎng)陣列對(duì)應(yīng)的焦斑分布，（c)矢量光場(chǎng)陣列逐步旋轉(zhuǎn)π/2形成的正四邊形焦斑軌 跡。
[0022] 圖5是基于產(chǎn)生的正六邊形（a)和正四邊形（b)焦場(chǎng)軌跡在鈮酸鋰內(nèi)部加工制備 的相應(yīng)微結(jié)構(gòu)。第一行：模擬結(jié)果，第二行：實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
[0023] 圖6是基于按四方晶系（a)、（b)和三方晶系排列（c)、（d)的矢量光場(chǎng)陣列產(chǎn)生的 焦場(chǎng)軌跡及在鈮酸鋰內(nèi)部加工制備的相應(yīng)微結(jié)構(gòu)。第一行：模擬結(jié)果，第二行：實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
[0024] 圖7是基于正六邊形焦斑軌跡在鈮酸鋰晶體內(nèi)部制備的周期性正六邊形微結(jié)構(gòu)。
[0025] 圖8是基于正六邊形焦斑軌跡在鈮酸鋰晶體內(nèi)部制備的周期性二層內(nèi)嵌正六邊 形微結(jié)構(gòu)。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 現(xiàn)結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明，應(yīng)當(dāng)指出，但本發(fā)明并不局限于 這些實(shí)施例。
[0027] 實(shí)施例1、基于動(dòng)態(tài)調(diào)控的焦場(chǎng)軌跡制作微結(jié)構(gòu)的裝置
[0028] 如圖1所示，本發(fā)明提出的利用動(dòng)態(tài)調(diào)控的飛秒矢量光場(chǎng)陣列制作微結(jié)構(gòu)的裝置 包括：飛秒激光器、動(dòng)態(tài)飛秒矢量光場(chǎng)陣列的生成及調(diào)控系統(tǒng)、緊聚焦微加工系統(tǒng)。
[0029] 動(dòng)態(tài)飛秒矢量光場(chǎng)陣列的生成及調(diào)控系統(tǒng)包括：沿光軸方向依次布置的空間光調(diào) 制器（4)、4f系統(tǒng)前置透鏡（5)、空間濾波器（6)、1/4波片（7)、4f系統(tǒng)后置透鏡（8)、朗奇 光柵（9)以及用于產(chǎn)生和動(dòng)態(tài)控制全息光柵的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（14)。緊聚焦微加工系統(tǒng)包括： 顯微物鏡（11)、樣品（12)和三維移動(dòng)平臺(tái)（13)。
[0030] 飛秒激光器（1)輸出的飛秒激光經(jīng)由1/2波片（2)和偏振分束器（3)組成的可變 衰減器對(duì)激光能量進(jìn)行控制，然后垂直入射至空間光調(diào)制器（4)，空間光調(diào)制器上加載由計(jì) 算機(jī)系統(tǒng)（14)生成并動(dòng)態(tài)控制的全息光柵，通過空間光調(diào)制器后衍射的線偏振光經(jīng)4f系 統(tǒng)前置透鏡（5)進(jìn)行匯聚，利用處在4f系統(tǒng)前置透鏡的頻譜面上的空間濾波器（6)分別選 取正、負(fù)一級(jí)的衍射光，然后各自經(jīng)過一個(gè)1/4波片（7)轉(zhuǎn)化成攜帶渦旋相位的左、右旋圓 偏振光，再經(jīng)4f系統(tǒng)后置透鏡（8)匯聚后入射至朗奇光柵（9)，經(jīng)朗奇光柵合束