一种利用飞秒激光调控制备大面积不同微纳米结构的方法

摘要

一种利用飞秒激光调控制备大面积不同微纳米结构的方法，先将单晶硅清洗干净，然后搭建光路，光路包括飞秒激光器输出截面圆形光束经过反射镜、分光棱镜、快门，最后通过聚焦柱面透镜对圆形光斑激光束进行聚焦，得到椭圆形光斑垂直照射在移动载物台的加工工位上，飞秒激光器、快门、移动载物台和电脑连接，利用电脑调节飞秒激光器输出不同的激光参数；将单晶硅固定在移动载物台加工工位上，经飞秒激光照射，利用电脑控制移动载物沿水平和竖直方向循环移动，得到不同形貌尺寸的微米结构的表面，本发明利用激光照射下硅材料表面发生沉积与微融现象，可调控材料表面沉积生成量和微融程度制备具有不同形貌尺寸的微纳结构的表面，操作简单，加工效率高。

说明书

技术领域

本发明属于微纳米结构制备技术领域，特别涉及一种利用飞秒激光调控制备大面积不同微纳米结构的方法。

背景技术

材料表面的微纳米结构可以提高材料表面的光学、机械及生物仿生等性能，因而在材料表面制备微纳结构成为一个研究的热点。表面微纳米结构的加工方法有多种，而激光加工，尤其是飞秒激光加工，由于其极小的热影响区，加工精度高，尺寸小的特点，已经广泛应用到了半导体、金属及绝缘材料表面微纳结构的制备上。表面微纳米结构的形貌及尺寸直接影响到了材料表面的性能，如何对材料表面微纳米结构的形貌和尺寸进行调控，制备具有良好性能的材料表面是一个重大的挑战。而且，目前激光诱导表面微纳米结构往往利用圆透镜对激光聚焦后的点光斑进行点照射或者线扫描进行制备，微纳米结构的生成面积小，严重限制了微纳结构的应用。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于一种利用飞秒激光调控制备大面积不同微纳米结构的方法，利用柱面透镜，能够在激光照射下通过调控材料表面微融程度和沉积量来大面积制备不同形貌和尺寸的微纳米结构，操作简单，加工效率高。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种利用飞秒激光调控制备大面积不同微纳米结构的方法，包括以下步骤：

1)对单晶硅片样品表面分别用丙酮和无水酒精进行超声波清洗，然后利用冷风吹干得到干净的硅片样品表面；

2)搭建光路，光路包括飞秒激光器1，飞秒激光器1输出光经过反射镜2使光路转90°，反射光依次经过半波片3、分光棱镜4、快门6、聚焦柱面透镜8垂直照射在移动载物台7的加工工位上，飞秒激光器1、快门6、移动载物台7和电脑连接，利用分光棱镜4和功率计5组合检测激光功率，同时电脑通过快门6控制光路的通断，采用焦距为75mm的聚焦柱面透镜8用于飞秒激光器输出的圆形光斑激光束的聚焦，最后使烧蚀点离聚焦柱面透镜8的焦距离为3mm，得到透过聚焦柱面透镜8的烧蚀椭圆光斑的长轴尺寸半径为6mm，短轴尺寸半径为4.2μm；

3)利用电脑调节飞秒激光器1输出激光波长为800nm，重频为1Hz，脉宽为120fs；

4)将硅片样品固定在移动载物台7加工工位上；

5)经飞秒激光照射硅片样品，利用电脑控制移动载物台7沿水平方向移动，速度为50μm/s，调节飞秒激光器1的输出激光功率为300-700mW，即得到不同形貌尺寸的微纳米结构的表面；

6)通过电脑控制移动载物台7回到水平方向的初始坐标位置，然后沿竖直方向移动一段间距，再一次电脑控制移动载物台7沿水平方向移动，速度为50μm/s，调节飞秒激光器1的输出激光功率为300-700mW，即能够扩大硅表面上微纳米结构的面积；

7)多次循环步骤5)和步骤6)，即实现在硅表面大面积的微纳米结构制备。

本发明的有益效果：利用激光照射下，硅材料表面发生微融和产生沉积的特点，通过调节材料表面微融的程度和沉积量，来调控硅材料表面不同微纳米结构的演变过程，从而可以得到不同形貌尺寸的微纳米结构的表面；同时采用聚焦柱面透镜8进行激光束的聚焦，可以得到光斑尺寸远大于圆透镜聚焦的椭圆形光斑，提高了激光烧蚀面积，可以大面积的制备微纳米结构，操作简单，加工效率高。

附图说明

图1为本发明加工示意图。

图2为聚焦柱面透镜8对激光束聚焦示意图。

图3为实施例1激光功率为300mW的结果图。

图4为实施例2激光功率为500mW的结果图。

图5为实施例3激光功率为700mW的结果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例1

一种利用飞秒激光调控制备大面积不同微纳米结构的方法，包括以下步骤：

1)对单晶硅片样品表面分别用丙酮和无水酒精进行超声波清洗，然后利用冷风吹干得到干净的硅片样品表面；

2)搭建光路，参照图1和图2，光路包括飞秒激光器1，飞秒激光器1输出光经过反射镜2使光路转90°，反射光依次经过半波片3、分光棱镜4、快门6、聚焦柱面透镜8垂直照射在移动载物台7的加工工位上，飞秒激光器1、快门6、移动载物台7和电脑连接，利用分光棱镜4和功率计5组合检测激光功率，同时电脑通过快门6控制光路的通断，采用焦距为75mm的聚焦柱面透镜8用于飞秒激光器输出的圆形光斑激光束的聚焦，最后使烧蚀点离聚焦柱面透镜8的焦距离为3mm，得到透过聚焦柱面透镜8的烧蚀椭圆光斑的长轴尺寸半径为6mm，短轴尺寸半径为4.2μm；

3)利用电脑调节飞秒激光器1输出激光波长为800nm，重频为1Hz，脉宽为120fs；

4)将硅片样品固定在移动载物台7加工工位上；

5)经飞秒激光照射硅片样品，利用电脑控制移动载物台7沿水平方向移动，速度为50μm/s，调节飞秒激光器1的输出激光功率为300mW，即得到具有椭圆形状的微纳米结构的表面；

6)通过电脑控制移动载物台7回到水平方向的初始坐标位置，然后沿竖直方向移动一段间距，再一次电脑控制移动载物台7沿水平方向移动，速度为50μm/s，调节飞秒激光器1的输出激光功率为300mW，即能够扩大硅表面上微纳米结构的面积；

7)多次循环步骤5)和步骤6)，即实现在硅表面大面积的微纳米结构制备。

本实施例的效果：参照图3，硅片样品表面诱导出了形状为椭圆的微米结构，椭圆结构长轴平均尺寸为3.1μm，短轴平均尺寸为2.0μm，微结构的椭圆度较大。

实施例2

将实施例1步骤5)和步骤6)中的激光功率变为500mW，得到微纳米结构结合的表面，参照图4，硅片样品表面诱导出了形状为椭圆的微米结构，椭圆结构长轴平均尺寸为3.7μm，短轴平均尺寸为2.6μm，微结构的椭圆度较小，微结构短轴方向两侧发生了微小刻蚀，微结构表面呈阶梯状。

实施例3

将实施例1步骤5)和步骤6)中的激光功率变为700mW，得到微米结构的表面，参照图5，硅材料表面诱导出了形状为椭圆的微米结构，椭圆结构长轴平均尺寸为4.2μm，短轴平均尺寸为3.4μm，微结构的椭圆度更小，微结构更加饱满。