一种控制飞秒激光诱导晶硅表面微纳结构形态的方法
【专利摘要】本发明涉及一种控制飞秒激光诱导晶硅表面微纳结构形态的方法，该方法在单点飞秒激光诱导晶硅表面周期性微纳结构几何形态控制的基础上，通过对飞秒激光线偏振方向与激光直写方向进行控制，实现了对直写线宽的调控，当激光直写方向与线偏振方向平行时得到最小线宽表面周期性微纳结构，当激光直写方向与线偏振方向垂直时得到最大线宽表面周期性微纳结构。本发明的有益效果为：本发明通过简单的基于激光偏振态的调节及飞秒激光脉冲序列的应用，能够精确控制飞秒激光诱导晶硅表面周期结构的几何形态，从而为飞秒激光直写诱导大面积周期结构的产生提供了精确的可控参数，适用于飞秒激光直写精确诱导大面积表面周期结构的制造。
【专利说明】一种控制飞秒激光诱导晶硅表面微纳结构形态的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及飞秒激光应用领域，尤其涉及一种控制飞秒激光诱导晶硅表面微纳结构形态的方法。
【背景技术】
[0002]1965年Birnbaum首次用红宝石激光在半导体表面诱导了规则的波纹结构，此后，研究者利用各种连续、脉冲激光在各种材料的表面和内部诱导了周期性结构。飞秒激光加工过程中具有低污染和可以加工各种复杂形状器件等的优势，在微/纳加工领域有着广泛的应用。飞秒激光诱导表面周期结构的产生可以实现纳米尺度上的激光加工结构，在光子学、光电子学、热辐射源和生物光学器件等方面有潜在的重要应用。另一方面，对于这种周期性结构的控制还可用于光栅结构的加工。因此对于这种表面周期性结构制造的控制研究具有重大意义。然而对于这种表面周期性微纳结构的精密控制上的难题仍然制约着其广泛的应用。主要包括对于单点自组装周期性微纳结构的加工控制以及在单点自组装周期性微纳结构研究的基础上，逐点重叠扫描直写大尺度周期性微纳结构的制备控制。在文献“Two-dimens1nal microstructures induced by femtosecond vector light fields onsilicon”中Lou等人通过对激光偏振方向的调节，实现了复杂二维半波长表面周期结构的制备。但对于这种表面周期性结构的控制均为对其波纹走向的控制，对于大面积周期结构进行制备时，相邻扫描点间距为其主要参数。因而对于表面周期结构几何形态的控制为这种表面周期性结构的广泛应用至关重要。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供一种控制飞秒激光诱导晶硅表面微纳结构形态的方法，以克服目前现有技术存在的上述不足。
[0004]本发明的目的是通过以下技术方案来实现:
[0005]一种控制飞秒激光诱导晶硅表面微纳结构形态的方法，该方法包括以下步骤:
[0006]步骤一:打开脉冲整形器，调整光路，确保激光入射方向与所加工样本表面垂直；
[0007]步骤二:在线偏振态飞秒激光作用下调节不同的偏振方向，同时对激光偏振态进行调控；
[0008]步骤三:在线偏振态飞秒激光作用下的表面周期性结构呈现出椭圆形几何形态，基于脉冲序列的表面周期性微纳结构进行各向异性消除；以及
[0009]步骤四:控制激光直写方向与激光线偏振方向调整扫描线宽。
[0010]进一步的，步骤二中，所述激光偏振态的调控方法包括以下步骤:
[0011](I)调节脉冲能量为0.8J/cm2，在光路中加入半波片，调节半波片光轴与原偏振方向夹角得到不同方向的线偏振飞秒激光脉冲；
[0012](2)打开机械开关，借助成像摄像机，通过消色差双胶合平凸透镜把激光聚焦到材料表面；
[0013](3)调整激光入射频率并控制机械开关开启时间，激光脉冲以设定的脉冲数作用到样本表面；
[0014](4)在不同的线偏振激光作用下，在样本表面加工出不同几何形态的表面周期性结构；
[0015](5)在光路中加入四分之一波片,调节波片光轴方向与原激光偏振方向夹角45°得到圆偏振激光；以及
[0016](6)重复(2)、(3)过程，在圆偏振激光作用下，在样本表面加工出几何形态各向同性的表面周期性结构。
[0017]进一步的，所述步骤三中，所述基于脉冲序列的表面周期性微纳结构各向异性消除方法包括以下步骤:
[0018](I)打开机械开关，借助成像摄像机，通过消色差双胶合平凸透镜把激光聚焦到材料表面；
[0019](2)调整激光入射频率并控制机械开关开启时间，激光脉冲以设定的脉冲数作用到样本表面；以及
[0020](3)在样本表面加工出几何形态各向同性的表面周期性结构。
[0021]进一步的，所述步骤四中，所述控制激光直写方向与激光线偏振方向调整扫描线宽的加工方法包括以下步骤:
[0022](I)打开机械开关，借助成像摄像机，通过消色差双胶合平凸透镜把激光聚焦到材料表面；
[0023](2)设置激光入射频率并编程控制移动平台速度以控制入射到样本表面单位面积上的脉冲数，在样本上加工出垂直于激光偏振方向的链状波纹结构；
[0024](3)在光路中加入半波片，通过半波片光轴与原偏振方向夹角控制来调整入射激光的线偏振方向，保持激光扫描方向不变，在晶硅表面直写出不同周期走向，不同线宽的链状波纹结构。
[0025]本发明的有益效果为:本发明提出了一种可精确控制线宽的方法，通过调整激光偏振方向可精确控制扫描线宽，大大提高了大面积周期结构的制备效率及精度，同时，本发明提出的有关表面周期结构形态各向异性的控制，大大提高了其加工精度，在信息存储等方面具有至关重要的应用价值。
【具体实施方式】
[0026]本发明实施例所述的一种控制飞秒激光诱导晶硅表面微纳结构形态的方法，该方法包括以下步骤:
[0027]步骤一:打开脉冲整形器，调整光路，确保激光入射方向与所加工样本表面垂直；
[0028]步骤二:在线偏振态飞秒激光作用下调节不同的偏振方向以及对激光偏振态进行调控；
[0029]步骤三:在线偏振态飞秒激光作用下的表面周期性结构呈现出椭圆形几何形态，基于脉冲序列的表面周期性微纳结构进行各向异性消除；以及
[0030]步骤四:控制激光直写方向与激光线偏振方向调整扫描线宽。
[0031]步骤二中，所述激光偏振态的调控方法包括以下步骤:
[0032](I)调节脉冲能量为0.8J/cm2，在光路中加入半波片，调节半波片光轴与原偏振方向夹角得到不同方向的线偏振飞秒激光脉冲；
[0033](2)打开机械开关，借助成像摄像机，通过消色差双胶合平凸透镜把激光聚焦到材料表面；
[0034](3)调整激光入射频率并控制机械开关开启时间，激光脉冲以设定的脉冲数作用到样本表面；
[0035](4)在不同的线偏振激光作用下，在样本表面加工出不同几何形态的表面周期性结构；
[0036](5)在光路中加入四分之一波片,调节波片光轴方向与原激光偏振方向夹角45°得到圆偏振激光；以及
[0037](6)重复(2)、(3)过程，在圆偏振激光作用下，在样本表面加工出几何形态各向同性的表面周期性结构。
[0038]所述步骤三中，所述基于脉冲序列的表面周期性微纳结构各向异性消除方法包括以下步骤:
[0039](I)打开机械开关，借助成像摄像机，通过消色差双胶合平凸透镜把激光聚焦到材料表面；
[0040](2)调整激光入射频率并控制机械开关开启时间，激光脉冲以设定的脉冲数作用到样本表面；以及
[0041](3)在样本表面加工出几何形态各向同性的表面周期性结构。
[0042]所述步骤四中，所述控制激光直写方向与激光线偏振方向调整扫描线宽的加工方法包括以下步骤:
[0043](I)打开机械开关，借助成像摄像机，通过消色差双胶合平凸透镜把激光聚焦到材料表面；
[0044](2)设置激光入射频率并编程控制移动平台速度以控制入射到样本表面单位面积上的脉冲数，在样本上加工出垂直于激光偏振方向的链状波纹结构；
[0045](3)在光路中加入半波片，通过半波片光轴与原偏振方向夹角控制来调整入射激光的线偏振方向，保持激光扫描方向不变，在晶硅表面直写出不同周期走向，不同线宽的链状波纹结构。
[0046]具体实施例一
[0047]波长为800nm,脉冲宽度为50fs,重复频率为IkHz,光强为高斯分布的线偏振飞秒激光脉冲通过脉冲整形器压缩对飞秒激光传播过程中的色散进行精确补偿；利用半波片-偏振片组合连续调节激光的能量；利用半波片实现对飞秒激光脉冲的线偏振方向进行调节，四分之一波片实现圆偏振态激光脉冲；通过脉冲整形器，在时域上调制为飞秒激光脉冲序列(每个脉冲序列里至少包含两个子脉冲，子脉冲间的延迟时间为100fs-2ps，可由脉冲整形器控制)。利用消色差双胶合平凸透镜(焦距为100mm)将飞秒激光聚焦到样品表面；样品固定在6维精密移动平台上，利用飞秒激光脉冲频率设定及机械开关开启时间控制单点飞秒激光脉冲作用个数；利用飞秒激光脉冲频率设定及直写速度设定控制激光直写单位面积上作用脉冲个数，精密移动平台可按照预先设定的程序以1-2000 μ m/s的速度运动，重复定位精度为I μ m ;控制一定个数的不同线偏振态及圆偏振态飞秒激光脉冲，可在晶硅表面诱导出不同几何形态表面周期性微纳结构。设定一定的脉冲频率，程序控制精密移动平台与激光焦点的相对运动并调节激光脉冲的线偏振方向，可在晶硅表面制备出不同线宽的表面周期性微纳结构。
[0048]上述飞秒激光系统采用的是美国光谱物(Spectrum Physics)公司生产的激光器，激光波长800nm，脉冲宽度50fs，重复频率ΙΚΗζ，单脉冲最大能量3mJ，光强分布为高斯型，线偏振。
[0049]脉冲整形器为美国B1photonic公司生产的MIIPS box,可对飞秒激光在传播过程中产生的色散进行精确补偿并可实现把传统的飞秒激光脉冲整形成间隔时间为100fs-5ps的脉冲序列。
[0050]具体实施例二:试验样本为单晶硅
[0051](I)在0.8J/cm2的能量密度下，脉冲作用个数20，不同线偏振方向的单点飞秒激光脉冲序列作用下得到不同椭圆形状的表面周期性微纳结构，椭圆形激光诱导表面周期结构的长短轴比约为0.6，其长轴方向平行于激光偏振方向。
[0052](2)在辐照参数下，圆偏振单点飞秒激光脉冲作用下得到圆形的表面周期性微纳结构几何形态。
[0053](3)在辐照参数下，线偏振脉冲序列(两个子脉冲，延迟时间300fs)作用下的表面周期性微纳结构消除了基于激光偏振态的各向异性，呈现出圆形几何形态。
[0054](4)在0.8J/cm2的能量密度，脉冲重复频率200Hz，激光直写速度100 μ m/s条件下，保持直写方向不变，调整线偏振激光偏振方向与激光直写方向夹角，从0°到90°变化，得到不同线宽的表面周期性微纳结构。当直写方向与激光偏振方向平行或垂直时得到直写极限线宽。直写方向平行于激光偏振方向时所得线宽最小，直写方向垂直于激光偏振方向时所得线宽最大。
[0055]本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种控制飞秒激光诱导晶硅表面微纳结构形态的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤: 步骤一:打开脉冲整形器，调整光路，确保激光入射方向与所加工样本表面垂直；步骤二:在线偏振态飞秒激光作用下调节不同的偏振方向，同时对激光偏振态进行调控；步骤三:在线偏振态飞秒激光作用下的表面周期性结构呈现出椭圆形几何形态，基于脉冲序列的表面周期性微纳结构进行各向异性消除；以及 步骤四:控制激光直写方向与激光线偏振方向调整扫描线宽。
2.根据权利要求1所述的控制飞秒激光诱导晶硅表面微纳结构形态的方法，其特征在于:步骤二中，所述激光偏振态的调控方法包括以下步骤: (1)调节脉冲能量为0.8J/cm2，在光路中加入半波片，调节半波片光轴与原偏振方向夹角得到不同方向的线偏振飞秒激光脉冲； (2)打开机械开关，借助成像摄像机，通过消色差双胶合平凸透镜把激光聚焦到材料表面； (3)调整激光入射频率并控制机械开关开启时间，激光脉冲以设定的脉冲数作用到样本表面； (4)在不同的线偏振激光作用下，在样本表面加工出不同几何形态的表面周期性结构； (5)在光路中加入四分之一波片，调节波片光轴方向与原激光偏振方向夹角45°得到圆偏振激光；以及 (6)重复(2)、(3)过程，在圆偏振激光作用下，在样本表面加工出几何形态各向同性的表面周期性结构。
3.根据权利要求1所述的控制飞秒激光诱导晶硅表面微纳结构形态的方法，其特征在于，所述步骤三中，所述基于脉冲序列的表面周期性微纳结构各向异性消除方法包括以下步骤: (1)打开机械开关，借助成像摄像机，通过消色差双胶合平凸透镜把激光聚焦到材料表面； (2)调整激光入射频率并控制机械开关开启时间，激光脉冲以设定的脉冲数作用到样本表面；以及 (3)在样本表面加工出几何形态各向同性的表面周期性结构。
4.根据权利要求1所述的控制飞秒激光诱导晶硅表面微纳结构形态的方法，其特征在于，所述步骤四中，所述控制激光直写方向与激光线偏振方向调整扫描线宽的加工方法包括以下步骤: (1)打开机械开关，借助成像摄像机，通过消色差双胶合平凸透镜把激光聚焦到材料表面； (2)设置激光入射频率并编程控制移动平台速度以控制入射到样本表面单位面积上的脉冲数，在样本上加工出垂直于激光偏振方向的链状波纹结构； (3)在光路中加入半波片，通过半波片光轴与原偏振方向夹角控制来调整入射激光的线偏振方向，保持激光扫描方向不变，在晶硅表面直写出不同周期走向，不同线宽的链状波纹结构。
【文档编号】B23K26/36GK104209652SQ201310209667
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2013年5月31日 优先权日:2013年5月31日
【发明者】姜澜, 韩伟娜, 李晓炜, 徐乐, 袁艳萍 申请人:中自高科（苏州）光电有限公司