一种基于飞秒激光的菲涅尔波带片阵列制作方法及应用

摘要

一种基于飞秒激光的菲涅尔波带片阵列制作方法及其在微纳结构加工中的应用。包括利用飞秒激光直接加工菲涅尔波带片阵列，以及飞秒激光经加工好的菲涅尔波带片阵列聚焦后直接加工微结构。通过该方法我们能制作各种不同排列方式的菲涅尔波带片阵列，并基于这些波带片阵列加工与其排列方式相对应的微结构阵列。该方法具有加工效率高、加工方法简单、灵活性好等特点。

说明书

技术领域

本发明属于飞秒激光微纳加工领域，涉及一种基于飞秒激光的菲涅尔波带片阵列制作方法及其在微纳加工中的应用。

背景技术

根据北京大学出版社1984年出版的《光学》上册(作者：赵凯华、钟锡华)一书第202-206页介绍，菲涅尔波带片具有与透镜相似的聚焦特性，它可以使光聚焦起来，而与透镜不同的是菲涅尔波带片除主焦点外还有很多次焦点。据美国“Optical Society of America”1991年出版的《OPTICS LETTERS》(Vol.16,No.12,June 1991,p931-933)报道,A.Marrakchi等人在空间光调制器中加载可编程的菲涅尔波带片阵列图案，光经过该空间光调制器并传播一段距离后产生了相干的点阵列。利用菲涅尔波带片阵列把飞秒激光聚焦成点阵列这个性质，我们可以通过菲涅尔波带片阵列并行加工微纳结构，这样使得加工效率高、操作方便以及加工结构具有非常好的灵活性。

经相关资料查询，有几篇文献报道了利用飞秒激光直接烧蚀单个菲涅尔波带片，例如，据美国“Optical Society ofAmerica”2002年出版的《OPTICS EXPRESS》(Vol.10,No.19,September 2002,p978-983)报道，WataruWatanabe等人利用飞秒激光脉冲在石英玻璃上加工了单个菲涅尔波带片；2011年激光与光电子学国际会议(CLEO:2011-Laser Science to Photonic Applications，文章题为“Fabrication of binary Fresnel lenses in PMMAby femtosecond laser micromachining”)报道，R.

Martínez Vázquez等人利用飞秒激光在PMMA材料上烧蚀单个菲涅尔波带片。

但利用飞秒激光在透明材料表面直接烧蚀菲涅尔波带片阵列，目前尚未发现相关报道。

对于利用菲涅尔波带片阵列加工微纳结构，有文献报道了利用空间光调制器生成的菲涅尔波带片阵列加工微纳结构，例如，据美国“Optical Society ofAmerica”2006年出版的《OPTICS LETTERS》(Vol.31,No.11,June 2006,p1705-1707)报道,Satoshi Hasegawa等人在空间光调制器中加载由多个相位菲涅尔透镜组成的图案，而后飞秒激光经过该空间光调制器后在载玻片上烧蚀了多个孔阵列结构。但是空间光调制器不能承受很高的功率，而玻璃等透明材料介质能承受很高的功率，所以对于利用在玻璃等透明材料上烧蚀的菲涅尔波带片并行加工微纳结构，其对飞秒激光的能量利用效率更高，并且能同时加工更多的微纳结构。目前尚未发现相关文献利用飞秒激光直接烧蚀的菲涅尔波带片阵列来并行加工微结构的报导。

发明内容

发明目的是解决微纳加工的效率低下以及微纳结构加工过程复杂等问题，提供一种基于飞秒激光的菲涅尔波带片阵列制作方法及其在微纳加工中的应用。

技术方案：

一种基于飞秒激光的菲涅尔波带片阵列的制作方法，该方法的制作步骤如下：飞秒激光(1)经紧聚焦后在透明介质材料表面上直接烧蚀孔结构，同时利用三维移动平台(4)移动透明介质材料，使得烧蚀的位置沿菲涅尔波带片的奇数或偶数环带结构内的同心圆轨迹移动，从而在透明介质材料表面烧蚀单个菲涅尔波带片结构；然后通过二维电控平移台(5)对透明介质材料进行移动，根据给定的空间排列方式加工出菲涅尔波带片阵列。

所述的透明介质材料为两面抛光的透明介质薄片。所述的透明介质薄片包括熔融石英玻璃、BK7玻璃或铌酸锂晶体，但不仅限于这几种材料。

本发明同时提供了所述的菲涅尔波带片阵列在直接加工微纳结构中的应用，该应用方法包括：飞秒激光(1)经所述的菲涅尔波带片阵列(2)后聚焦成多焦斑阵列，该多焦斑阵列在待加工样品表面上直接烧蚀多孔结构，通过三维移动平台控制待加工样品(3)按预定轨迹移动得到所需图形的微纳结构阵列。

所述的待加工样品包括金属膜、半导体、透明介质或金属材料。

所加工的微纳结构陈列为各种图形的阵列结构，包括长方形阵列结构、圆形阵列结构或椭圆形阵列结构。

原理说明：

为了高效率地加工微结构，我们加工了由多个相同的菲涅尔波带片按一定规律排列的菲涅尔波带片阵列(2)，并利用该阵列把飞秒激光(1)聚焦成由多个光斑组成的焦斑阵列；为了简单快速地加工微结构，我们直接利用该光斑阵列在材料表面(3)烧蚀微结构。而对于菲涅尔波带片阵列中的单个菲涅尔波带片，它是由多个环带结构组成的，其中相邻两环带(奇数环带和偶数环带)的相位或振幅不一样，而每个环的半径ρ_n(表示依次序从内到外第n个环的半径，本发明中n＝56)可表示为：

${\rho }_n=\sqrt{n}{\rho }_1---\left(1\right)$

则其主焦距为f＝ρ₁²/λ(其中λ为入射光波长，ρ₁为第一个环带的内环半径)，数值孔径NA＝ρ_N/f(ρ_N为波带片最外环半径)。因此在波带片最外环尺寸(有效通光孔径)一定情况下，当第一环带半径越小时，波带片的环带数越多，焦距越小，数值孔径越大，则其主焦斑尺寸就越小。

我们加工波带片的方法主要是通过显微物镜把飞秒激光脉冲聚焦到透明介质材料表面后，控制飞秒激光脉冲的能量和开关对透明介质材料表面进行烧蚀(把材料去除)，同时通过三维移动平台(4)控制样品按圆形轨道移动，其圆形轨道半径处于偶数或奇数环带半径内，且在每个环带内每相邻两个圆形轨道半径之间距离为300nm左右。

通过二维电控平移台(5)控制透明介质材料的移动，使飞秒激光在透明介质材料表面的不同位置加工多个按一定规律排列的菲涅尔波带片，这些波带片构成菲涅尔波带片阵列，例如图2所示的四方对称排列方式的菲涅尔波带片阵列。飞秒激光经过准直、缩束后入射到菲涅尔波带片阵列被聚焦成由多个焦斑组成的光斑阵列，该光斑阵列排列方式与所使用的菲涅尔波带片阵列排列方式相同，若这些光斑阵列位于样品表面上，在入射飞秒激光脉冲能量足够强的情况下会对样品表面进行烧蚀，则在样品表面得到孔阵列。如果在飞秒激光脉冲经菲涅尔波带片阵列对样品表面进行烧蚀，同时通过三维移动平台(4)控制样品按一定轨迹移动，则可在样品表面得到多个按一定规律(该规律与菲涅尔波带片阵列排列规律相同)排列的图形阵列，例如图3所示的四方对称排列方式的矩形阵列图案。

本发明的优点和有益效果

(1)由于该方法为并行加工即同时加工多个结构，因此加工效率高；

(2)该加工方法所需器件少，操作过程简单；

(3)与光刻相比，该方法的加工过程无需其他辅助材料和工艺过程，并且对环境无污染，无有害物质排放。

(4)由于可灵活设计不同的菲涅尔波带片参数(例如环带数、第一个环的半径、波带片的尺寸)和各种波带片排列方式的菲涅尔波带片阵列，以及通过移动平台来控制样品的移动来加工各种微结构，因此该方法具有非常好的灵活性。

附图说明

图1是基于菲涅尔透镜阵列的飞秒激光并行直接加工方法示意图，1为入射飞秒激光脉冲，2为菲涅尔波带片阵列，3为待加工的样品，4为三维移动平台(精度高但移动范围小)，5为二维电控平移台(精度较低但移动范围大)。

图2是由25个菲涅尔波带片以四方对称排列方式组合而成的菲涅尔波带片阵列示意图。

图3是长方形阵列图案示意图。

图4是利用飞秒激光脉冲在玻璃上直接烧蚀的菲涅尔波带片阵列光学显微图，其中每个菲涅尔波带片的直径为200nm；其中，(a)为原图，(b)为(a)中白色虚线框内放大后的单个菲涅尔波带片光学显微图。

图5是利用菲涅尔波带片在铜膜上直接烧蚀的矩形阵列图，整个图尺寸为1mm×1mm。

具体实施方式

现结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，应当指出，但本发明并不局限于这些实施例。

实施例1、菲涅尔波带片陈列制作

为了加工如图2所示的菲涅尔波带片阵列。首先，我们利用数值孔径为0.75的显微物镜把飞秒激光脉冲(来自于相干公司的飞秒激光，其中心波长800nm，脉冲重复频率为1kHz,单个脉冲宽度为35fs)聚焦到BK7玻璃片表面(垂直于入射光的两表面被抛光)。其次，通过三维移动平台(PI公司生产的，型号为P-562.3CD)控制玻璃片按照我们所需的轨迹移动即在菲涅尔波带片的偶数环带内沿同心圆形轨迹移动，且在每个环带内相邻两个圆形轨道半径之间距离为300nm左右，使得聚焦后的飞秒激光焦斑在菲涅尔偶数环带结构内对玻璃表面进行烧蚀，得到了如图4(b)所示的单个菲涅尔波带片。图4(b)所示的飞秒激光烧蚀的菲涅尔波带片直径为200nm，被加工的环带数为28个，且第一个环带的内环半径ρ₁为13.36μm。最后，通过二维电控平台(来自于北京卓立汉光仪器有限公司的两个型号为PSA-100-11-x的一维电控平移台组合而成的)控制玻璃片的移动，加工了如图4(a)所示的按四方对称紧密排列的5×5菲涅尔波带片阵列。

实施例2、加工微结构

如图1所示，我们把飞秒激光脉冲1经准直、缩束(光斑直径由8mm变为1.6mm)后，并垂直入射到菲涅尔波带片阵列2上(如图4(a)所示)。垂直入射到菲涅尔波带片阵列的飞秒激光聚焦成多个焦斑，该焦斑入射到待加工的样品(铜膜)3上。通过改变入射的飞秒激光的脉冲能量，使其达到铜膜的烧蚀阈值，从而把铜膜去除，同时通过移动三维样品台4使待加工样品按长方形轨迹移动，得到如图5所示的矩形阵列图案。