一种降低飞秒激光引入结构所需脉冲数的装置和方法与流程

本发明属于激光加工领域，更具体地，涉及一种降低飞秒激光引入结构所需脉冲数的装置和方法。

背景技术：

近年来，飞秒激光及其应用得到了极大的发展，受到了越来越多的关注。由于其极高的瞬时功率密度，经聚焦之后可在透明材料内部实现多光子吸收或多光子聚合等非线性效应，在微纳制造等领域得到了迅速的发展。熔融石英是飞秒激光加工中常见的一种材料，根据激光脉冲能量的不同，熔融石英中可诱导三种不同类型的结构变化。当脉冲能量较低时，加工区域折射率会增加，可用于制造光波导。当能量很高时，加工区域会出现小孔或裂纹，可用于三维光存储技术。当脉冲能量处于一个中间范围时，可在加工区域诱导出一种周期性结构，其周期通常小于激光波长，排列方向与激光的偏振状态有关，称为纳米光栅结构。纳米光栅结构具有双折射特性，并且结构损伤阈值较高，可用于制造偏振光学器件与五维光存储技术。

目前，产生纳米光栅结构采用的方法是选用合适参数的飞秒脉冲对熔融石英持续照射。但是，由于纳米光栅形成中存在孵化过程，生成纳米光栅结构需要几十甚至几百个激光脉冲，在应用于光存储等对速度有很高要求的应用时难以满足需求，是五维光存储技术等应用中急需解决的困难之一。因此，需要对现有技术进行改进，实现较少脉冲数形成纳米光栅结构或其他类似双折射结构。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种降低飞秒激光引入结构所需脉冲数的装置和方法，其目的在于解决现有生产纳米光栅的方法所需脉冲数较多，生成时间较长，难以满足光存储等应用的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种降低飞秒激光引入结构所需脉冲数的装置，包括：第一飞秒激光器、第二飞秒激光器、第一反射镜、第二反射镜、延时单元和物镜；

所述第一飞秒激光器，用于产生第一束飞秒激光脉冲；所述第二飞秒激光器，用于产生第二束飞秒激光脉冲；其中，第二束飞秒激光脉冲落后于第一束飞秒激光脉冲；

所述延时单元，用于调制第一束飞秒激光脉冲和第二束飞秒激光脉冲的延迟时间；

所述第一反射镜，用于将第一束飞秒激光脉冲反射至物镜中；

所述第二反射镜，用于透过第一束飞秒激光脉冲，并将第二束飞秒激光脉冲反射至物镜中；

所述物镜，用于将第一束飞秒激光脉冲和第二束飞秒激光脉冲聚焦到加工材料内部的加工区域，形成各向异性结构；其中，第一飞秒激光脉冲用于在材料中产生纳米等离子体激元；第二飞秒激光脉冲用于加速纳米等离子体激元的非对称生长过程。

进一步地，所述第二束飞秒激光脉冲波长根据纳米等离子体激元的尺寸确定。

进一步地，所述第二束飞秒激光脉冲落后于第一束飞秒激光脉冲150飞秒以内。

进一步地，所述加工材料为熔融石英。

进一步地，所述各向异性结构为纳米光栅结构。

按照本发明的另一方面，提供了一种降低飞秒激光引入结构所需脉冲数的方法，包括：

s1.产生第一束飞秒激光脉冲和第二束飞秒激光脉冲；

s2.调制第一束飞秒激光脉冲和第二束飞秒激光脉冲的延迟时间，使第二束飞秒激光脉冲落后于第一束飞秒激光脉冲；

s3.将第一束飞秒激光脉冲和第二束飞秒激光脉冲聚焦到加工材料内部的加工区域，形成各向异性结构；其中，第一飞秒激光脉冲用于在材料中产生纳米等离子体激元；第二飞秒激光脉冲用于加速纳米等离子体激元的非对称生长过程。

进一步地，所述第二束飞秒激光脉冲波长根据纳米等离子体激元的尺寸确定。

进一步地，所述第二束飞秒激光脉冲落后于第一束飞秒激光脉冲150飞秒以内。

进一步地，所述加工材料为熔融石英。

进一步地，所述各向异性结构为纳米光栅结构。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。

(1)本发明采用两种波长的飞秒激光脉冲进行飞秒激光加工，其中，一种飞秒激光脉冲波长与通常用于生成纳米光栅结构所用激光脉冲相同；另一种飞秒激光脉冲波长根据纳米等离子体激元的尺寸来选择，使其与纳米等离子体激元的相互作用更强，起到加速纳米等离子体激元由球形向纳米平面转换的作用，有效减少了生成纳米光栅结构所需的脉冲数量，从而提高了纳米光栅结构的生成速度，能够满足光存储等对速度有很高要求的应用。

(2)在纳米等离子体由球形向椭球型或者纳米平面转换的过程中，加工区域也会呈现出一定的各向异性，同样能够表现出双折射特性。在需要加工这类尚未形成纳米光栅的结构时(例如各向异性的纳米孔洞时)，本发明同样有效，因此适用范围广，实用性强。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种降低飞秒激光引入结构所需脉冲数的装置结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

研究表明，纳米光栅形成需要经历一个孵化的过程。由于熔融石英中存在一些固有的缺陷，飞秒激光作用到加工区域时，这些缺陷具有较低的电离阈值，在加工区域产生一些随机分布的纳米等离子体激元。在后续的激光脉冲照射下，这些纳米等离子体激元会不断膨胀，并且根据激光的偏振状态，膨胀过程表现出明显的各向异性，从而形成椭球型的纳米等离子体。这种椭球状的等离子体对光场具有增强作用，形成一个正反馈过程，进一步加速等离子体的生长，直至演化出纳米平面的形状。这些平面首先随机分布在焦点区域，随着入射脉冲的积累，纳米平面中的电子等离子体密度增大，使得激发材料具有类金属相，与入射光场发生相干，使等离子体受到周期调制，最终导致随机分布的纳米平面形成纳米光栅结构。

由于纳米等离子体激元的生产过程在纳米光栅形成中起着重要的作用，加速这一过程有望加速纳米光栅的形成。为了加速这个过程，如图1所示，本发明提出了一种降低飞秒激光引入结构所需脉冲数的装置，包括：第一飞秒激光器、第二飞秒激光器、第一反射镜、第二反射镜、延时单元和物镜；第一飞秒激光器，用于产生第一束飞秒激光脉冲；第二飞秒激光器，用于产生第二束飞秒激光脉冲；其中，第二束飞秒激光脉冲落后于第一束飞秒激光脉冲；延时单元，用于调制第一束飞秒激光脉冲和第二束飞秒激光脉冲的延迟时间；第一反射镜，用于将第一束飞秒激光脉冲反射至物镜中；第二反射镜，用于透过第一束飞秒激光脉冲，并将第二束飞秒激光脉冲反射至物镜中；物镜，用于将第一束飞秒激光脉冲和第二束飞秒激光脉冲聚焦到加工材料内部的加工区域，形成各向异性结构；其中，第一飞秒激光脉冲用于在材料中产生纳米等离子体激元，其波长与通常用于生成纳米光栅结构所用激光脉冲相同，一般为800nm或1030nm；；第二飞秒激光脉冲用于加速纳米等离子体激元的非对称生长过程；加工区域为物镜焦点所在处。

研究表明，纳米等离子体激元的寿命约为150飞秒，因此必须精确控制两束激光脉冲的相对延迟，使得第二束激光脉冲落后于第一束激光脉冲150飞秒以内。纳米等离子体与光场的相互作用强度与纳米等离子激元的几何尺寸及入射光的波长有关，因此对于第二束激光脉冲，其波长根据纳米等离子体激元的尺寸来选择，波长远小于第一束激光波长，例如，可采用第一束激光的3倍频产生，使其与纳米等离子体激元的相互作用最强，加速纳米等离子体激元由球形向纳米平面转换的过程，以起到加速纳米等离子体激元非对称生长过程的目的。

本发明实施例的加工材料为熔融石英，但本发明不限于此，实际应用时也可以换成其他可形成类似各向异性结构的材料，如氧化锗玻璃，蓝宝石等。

需要指出，在纳米等离子体由球形向椭球型或者纳米平面转换的过程中，加工区域也会呈现出一定的各向异性，同样能够表现出双折射特性。在需要加工这类尚未形成纳米光栅的结构，例如各向异性的纳米孔洞时，本发明同样有效，因此在本发明的保护范围之内。

本发明实施的另一方面，提供了一种降低飞秒激光引入结构所需脉冲数的方法，包括：

s1.产生第一束飞秒激光脉冲和第二束飞秒激光脉冲；

s2.调制第一束飞秒激光脉冲和第二束飞秒激光脉冲的延迟时间，使第二束飞秒激光脉冲落后于第一束飞秒激光脉冲；

s3.将第一束飞秒激光脉冲和第二束飞秒激光脉冲聚焦到加工材料内部的加工区域，形成各向异性结构；其中，第一飞秒激光脉冲用于在材料中产生纳米等离子体激元；第二飞秒激光脉冲用于加速纳米等离子体激元的非对称生长过程。其中，第二束飞秒激光脉冲波长根据纳米等离子体激元的尺寸确定；第二束飞秒激光脉冲落后于第一束飞秒激光脉冲150飞秒以内。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。