基于双波长飞秒激光电子动态调控硅表面纳米柱制备方法_2

文档序号:9738451阅读:来源:国知局
[0024]实验过程中采用的飞秒激光器参数如下:中心波长为800nm,脉冲宽度为50fs,重复频率为I kHz,线偏振;实验中待加工样品为单晶硅(111)。
[0025]飞秒激光器I采用美国光谱物理(SpectrumPhysics)公司生产的激光器,激光波长800nm,脉冲宽度50fs,重复频率IKHz,单脉冲最大能量3mJ,光强分布为高斯型,线偏振。
[0026]连续衰减片5采用大恒光电GCC-3030圆形中性密度渐变滤光片,在可见光到红外光区内可通过调整镜片的旋转角度,改变吸收/反射光与透射光的比例来改变光衰减的大小,激光能量调节范围为I % —90 %。
[0027]机械开关6采用Thorlabs公司生产的SH05,可以控制激光曝光时间,其开关响应时间为lms。
[0028]实施例1:
[0029]以加工单晶硅纳米柱阵列为例,采用本发明的双波长飞秒激加工方法,所采用的双波长基频与倍频脉冲均为线偏振态,具体加工步骤如下:
[0030]调整光路,确保激光入射方向与所加工样本表面垂直;
[0031 ] (I)样本制备:本实施例通过真空派射的方法在1mm X 1mmX Imm的单晶娃样本上镀20nm金膜(金膜厚度可调节范围为1nm?40nm);此处镀金属膜不限于采用真空派射的方法,还可以采用热蒸发的方法或其它可以将金属膜镀于待加工样本的任何方法;所述金属可以为任何在激光脉冲作用下可以激发产生类等离子激元的金属,优选为金或银;
[0032](2)飞秒激光双波长脉冲调节:将倍频晶体14置于光路中,调节倍频晶体14的角度使得倍频后得到的400nm飞秒激光强度最强(调节最大倍频效率),经过倍频晶体14后得到相互垂直的线偏振态双波长飞秒激光脉冲;
[0033](3)在倍频晶体14后置入双色半波片12(对于800nm基频光为半波片),通过调节双色半波片12使得基频光与倍频光偏振相互平行;
[0034](4)调节能量:利用半波片2-偏振片3组合及连续衰减片5调节激光能量使之大于被加工样本材料表面的单脉冲烧蚀阈值,且激光能量能够连续调节;
[0035](5)利用20X物镜15对双波长飞秒激光脉冲进行聚焦,被加工样品16固定在六维移动平台17上,通过成像CCDll的观测,调节六维移动平台17使得双波长飞秒激光脉冲聚焦于样本16表面;
[0036](6)调节飞秒激光系统I脉冲频率为1Hz,机械开关6开启时间为200s,从而使得每个激光脉冲辐照点脉冲个数为2;
[0037](7)对六维移动平台17移动程序进行编程,对相邻两激光辐照点的位置进行间隔为3μπι的控制,可得到均匀排布相邻纳米柱间距为3μπι的阵列结构。
[0038]实施例2:
[0039]以加工单晶硅纳米柱阵列为例,采用本发明的双波长飞秒激加工方法,所采用的双波长基频光脉冲为圆偏振态,倍频光脉冲为线偏振态,具体加工步骤如下:
[0040]其它步骤与实施例1相同,不同之处在于:不经过步骤(4)的基频光线偏振方向调节过程,在倍频晶体14前加入四分之一波片13,调节四分之一波片13,使得波片光轴方向与原激光偏振方向夹角45°从而得到圆偏振800nm飞秒激光脉冲。在基频光为圆偏振态条件下进行加工。
[0041 ] 实施例1、2比较结果:
[0042]由于类PL结构在第二个圆偏振激光激发下的SPPs场沿结构径向均匀分布,产生的材料向中心挤压的应力更均匀,故实施例2中采用圆偏振基频光两个脉冲加工的晶硅表面纳米柱结构不易弯曲,形态更好。
[0043]以上所述的具体描述,对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施例而已,并不用于限定本发明的保护范围,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种基于双波长电子动态调控的飞秒激光调控晶硅表面纳米柱的制备方法,其特征在于:包括以下步骤: 步骤一,飞秒激光双波长脉冲调节:通过倍频晶体将800nm飞秒激光脉冲倍频为400nm,经过倍频之后的400nm激光脉冲与基频800nm飞秒激光脉冲汇聚形成双波长飞秒激光脉冲; 步骤二,在光路中加入四分之一波片或双色半波片,调节波片光轴方向与原激光偏振方向夹角45°得到圆偏振激光或使得双色激光脉冲偏振相互平行; 步骤三,样本准备:在被加工样本表面进行镀金属膜处理; 步骤四,调节能量:利用半波片-偏振片组合及连续衰减片调节激光能量使之大于被加工样本材料表面的单脉冲烧蚀阈值,且激光能量能够连续调节; 步骤五,利用聚焦物镜对双波长飞秒激光脉冲进行聚焦,被加工样品固定在六维移动平台上,通过成像CCD的观测,调节六维移动平台使得双波长飞秒激光脉冲聚焦于待加工样本表面; 步骤六,综合控制飞秒激光系统脉冲频率及机械开关开启时间,使得每个激光脉冲辐照点脉冲个数为2。2.根据权利要求1所述的一种基于双波长电子动态调控的飞秒激光调控晶硅表面纳米柱的制备方法,其特征在于:通过对六维移动平台移动程序进行编程,对相邻两激光辐照点的位置进行控制,可得到均匀排布的纳米柱点阵结构。3.根据权利要求1所述的一种基于双波长电子动态调控的飞秒激光调控晶硅表面纳米柱的制备方法,其特征在于:在被加工样本表面进行镀金属膜处理采用真空溅射的方法或热蒸发的方法,厚度范围为1nm?40nmo4.根据权利要求1-3任一所述的一种基于双波长电子动态调控的飞秒激光调控晶硅表面纳米柱的制备方法,其特征在于:所述镀金属膜采用的金属为金或银,厚度为20nm。5.—种基于双波长电子动态调控的飞秒激光调控晶硅表面纳米柱的制备装置,其特征在于:包括飞秒激光器(I)、第一半波片(2)、偏振片(3)、第二半波片(4)、连续衰减片(5),机械开关(6)、二向色镜(7)、倍频晶体(14)、聚焦物镜(15)和六维移动平台(17),以及双色半波片(12)或四分之一波片(13);飞秒激光器(I)产生飞秒激光脉冲,飞秒激光脉冲经过第一半波片(2)、偏振片(3)、第二半波片(4)、连续衰减片(5),机械开关(6)之后,被二向色镜(7)反射经过倍频晶体(14)后经过聚焦物镜(15)聚焦到待加工样本(16)表面,待加工样本(16)固定在六维移动平台(17)上;光路中插入双色半波片(12)使得线偏振双波长飞秒激光脉冲相互平行;插入四分之一波片(13)使得双波长飞秒激光脉冲基频光为圆偏振态。6.根据权利要求5所述的一种基于双波长电子动态调控的飞秒激光调控晶硅表面纳米柱的制备装置,其特征在于:所述装置还包括分束镜(8)、照明白光源(9)、聚焦透镜(10)和成像CCD(Il),用于监控纳米柱的加工;照明白光源(9)经过分束镜(8)、二向色镜(7),被分束镜(8)反射后经聚焦透镜(1)后入射到成像CCD (11)中。
【专利摘要】本发明涉及一种基于双波长电子动态调控的飞秒激光调控硅表面纳米柱的制备方法,属于飞秒激光应用技术领域;本发明基于局部瞬时电子激发动态调控,通过倍频技术将800nm基频光倍频为400nm波长,采用双波长飞秒激光来控制表面微纳结构形态:第一束在材料表面产生类等离子体透镜结构(PL),第二束沿类PL结构边缘产生表面等离子体并产生沿光斑中心分布的梯度场,使材料在该脉冲作用下产生向中心挤压的力,形成凸起的纳米柱结构;通过对加工平台的程序控制实现了大面积均匀纳米柱阵列的制备。对比现有方法,本发明有效提高了纳米柱的加工精度及加工效率,实现高效精确的晶硅表面纳米结构的调控,在信息存储及太阳能电池等方面具有至关重要的应用价值。
【IPC分类】B23K26/06, B23K26/08, B23K26/352
【公开号】CN105499792
【申请号】CN201610021533
【发明人】姜澜, 韩伟娜, 李晓炜
【申请人】北京理工大学
【公开日】2016年4月20日
【申请日】2016年1月14日
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