一种基于动态调控的焦场轨迹制作微结构的装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光场偏振调控及飞秒激光微纳加工领域，具体涉及利用动态调控的飞 秒矢量光场阵列调控焦场轨迹并基于此进行微纳加工的装置和方法。
【背景技术】：
[0002] 过去十几年内，随着飞秒激光技术的不断发展，飞秒激光微纳加工的应用越来越 广泛。飞秒激光凭借其固有的超短和超强特性，较传统长脉冲激光在微细加工方面具有许 多不可比拟的独特优势：加工过程的非热熔性、加工程度的准确性、加工尺寸的亚微米特 性、加工材料的广泛性等，因而被广泛用来加工金属、半导体以及介质材料等。同时，飞秒 激光微加工技术也是一种在透明材料中制作二维或三维结构的方法。但是，飞秒激光微纳 加工也有加工效率低的特点，这是由于一般的激光加工都是基于单光斑扫描的方式进行加 工。为了提高加工的效率，可以采用多光束或多光束干涉的干涉光斑进行并行加工，但是这 些方法的缺点是在加工复杂的二维/三维微结构时缺乏灵活性。
[0003] 偏振作为光场的一个重要属性，在光的调控中起到非常重要的作用。最近几年， 对光场的空域调控，尤其对偏振态的空域调控，已取得了一些重要进展，并已成为广受关注 的研究领域。矢量光场或非均匀偏振光场，即在光场波阵面上不同位置具有不同偏振态的 光场，作为一类极为重要的空间结构光场，其非均匀偏振分布导致新颖的时空演化行为和 许多不同于标量光场的新奇特性。径向偏振光场可以被紧聚焦成〇. 16 λ 2超衍射极限的远 场焦斑，而在相同条件下线偏振光场只能实现〇. 26 λ 2的聚焦斑。利用光场偏振态和位相 的联合调控，可建立携带涡旋位相的旋向（角向）偏振矢量光场，紧聚焦后可获得更小的 超衍射极限远场焦斑。特别地，紧聚焦径向偏振光场可生成强的纵向电场分量（简称为纵 向场，即其偏振方向沿着轴向）。最近，飞秒矢量光场已被用于在固体材料表面制备亚波长 的微纳结构。对于单个的矢量光场，在紧聚焦条件下一般只产生一个聚焦斑，而单个焦斑 的微纳加工其加工效率是目前面临的一个重要挑战。但是，对于由多个单个矢量光场组成 的矢量光场阵列，由于可以单独设计每个矢量光场的偏振态分布及其空间排布，因此可以 实现对焦场的三维调控进而获得多焦斑，因而在提高微纳加工的效率方面有着非常大的应 用潜力[Κ. Lou, S.X. Qian, Z.C. Ren, C.H. Tu，Υ.Ν. Li, and Η.Τ. Wang, "Femtosecond Laser Processing by Using Patterned Vector Optical Fields, "Sci. Rep.3,2281 (2013); M. Q. Cai, C. H. Tu, H. H. Zhang, S. X. Qian, K. Lou, Y. N. Li, and Η. T. Wang, ''Subwavelength multiple focal spots produced by tight focused the patterned vector optical fields, " Opt. Express 21，31469 - 31482 (2013) ·]。
[0004] 基于矢量光场阵列中单个矢量光场的偏振态分布及矢量光场阵列的空间排布的 设计，可以获得不同的紧聚焦焦场分布。比如，设计一种矢量光场阵列，其紧聚焦时可以产 生按正六边形排布的六个聚焦斑，若要用此聚焦场进行微纳加工，则一次可以加工六个点， 如果要加工一个圆形的结构，设想让这六个点绕中心点随时间慢慢旋转60°，这样会产生 一个圆形的随时间变化的焦斑轨迹，基于它则可以加工出一个圆形。若需要加工一个正六 边形，则需要在旋转这六个焦斑的过程中，使焦斑轨迹呈现六边形即可，而这可以通过动态 设计加载在空间光调制器上的全息光栅来实现。依据和此类似的方法，可以实现其他复杂 微结构的加工和制备。因此基于动态调控的飞秒矢量光场阵列一方面可以方便的实现对复 杂微纳结构的加工，另一方面还可以大幅提高微纳加工的效率。更重要的是，在微纳加工的 过程中，不需要样品和光束的移动，而这一切仅需要动态改变加载在空间光调制器上的全 息光栅就可实现，基于这种动态调控的焦场轨迹加工微结构的方法目前尚未查到相关专利 申请。
【发明内容】
[0005] 发明目的是为了解决目前飞秒激光微纳加工时需要对样品进行复杂的移动控制 以及加工效率低下的问题，提供一种基于动态调控飞秒矢量光场阵列的复杂微纳结构高效 加工的装置和方法。
[0006] 技术方案：
[0007] -种基于动态调控的焦场轨迹制作复杂微纳结构的装置，该装置包括：飞秒激光 器、动态飞秒矢量光场阵列的生成及调控系统和紧聚焦微加工系统。
[0008] 动态飞秒矢量光场阵列的生成及调控系统包括：沿光轴方向依次布置的空间光调 制器（4)、4f系统前置透镜（5)、空间滤波器（6)、1/4波片（7)、4f系统后置透镜（8)、朗奇 光栅（9)以及用于产生和动态控制全息光栅的计算机系统（14)。
[0009] 紧聚焦微加工系统包括：显微物镜（11)、样品（12)和样品三维移动平台（13);
[0010] 飞秒激光器（1)输出的飞秒激光经由1/2波片（2)和偏振分束器（3)组成的可变 衰减器对激光能量进行控制，然后垂直入射至空间光调制器（4)，空间光调制器上加载由计 算机系统（14)生成并动态控制的全息光栅，通过空间光调制器后衍射的线偏振光经4f系 统前置透镜（5)进行汇聚，利用处在4f系统前置透镜的频谱面上的空间滤波器（6)分别选 取正、负一级的衍射光，然后各自经过一个1/4波片（7)转化成携带涡旋相位的左、右旋圆 偏振光，再经4f系统后置透镜（8)汇聚后入射至朗奇光栅（9)，经朗奇光栅合束后获得动态 调控的飞秒矢量光场阵列。所获得的动态调控飞秒矢量光场阵列经反射镜（10)反射后入 射至显微物镜（11)进行聚焦，聚焦光束辐照在样品（12)表面或内部（透明材料）进行微 纳结构的加工，样品可根据需要由三维移动平台（13)进行三维精确控制移动，对移动平台 的控制由与之相连的计算机系统（14)来实施。
[0011] 所述的飞秒激光器（1)的中心波长为775~810nm、脉冲宽度为50~150fs、重复 频率为1~5kHz。
[0012] 所述的经计算机系统（14)加载到空间光调制器（4)的全息光栅在微加工过程随 时间动态变化以生成动态调控的飞秒矢量光场阵列，进而产生所需的随时间变化的焦场轨 迹；制备的微纳结构的形状可以由焦场轨迹的设计进行控制。
[0013] 所述的样品（12)可以是金属、半导体或介质材料（在表面进行微纳加工），也可以 是透明固体材料（如玻璃、融石英、铌酸锂或周期极化铌酸锂等，在内部或表面进行微纳加 工）。
[0014] 本发明的优点和有益效果
[0015] (1)本发明加工的微纳结构的形状可以由焦场轨迹的设计和动态控制来实现，因 此可以实现复杂微纳结构的制备和加工；
[0016] (2)本发明基于矢量光场阵列的偏振调控从而产生多焦斑的紧聚焦焦场，并基于 多焦斑进行微加工，提高了微纳加工的效率；
[0017] (3)本发明在加工单个微纳结构时，无需样品或光束的移动，只需动态调控加载到 空间光调制器上的全息光栅即可。本发明技术成熟，步骤简单，稳定性强，可重复性高。
【附图说明】
[0018] 图1是利用动态调控的飞秒矢量光场阵列制作微结构的装置示意图。
[0019] 图2是基于矢量光场阵列的焦场轨迹调控示意图，（a)矢量光场阵列排布示意图 及其描述参数，（b)图（a)中所示的矢量光场阵列的旋转，（C)由矢量光场阵列旋转导致的 焦斑旋转示意图。
[0020] 图3是基于动态调控矢量光场阵列的正六边形焦场轨迹形成过程示意图。第一 行：旋转一定角度后的矢量光场阵列示意图，第二行：与第一行的矢量光场阵列对应的焦 场分布，第三行：基于矢量光场阵列逐步旋转产生的正六边形焦场轨迹形成示意图。模拟 条件：（a)r = r0，α = 0，（b)r = I. 10r0，α = π /15，（c)r = I. 15r0，α = 2 π /15，（d)r =I. 15r〇, a = Ji /5, (e)r = I. IOr0, a = 4 π /15。
[0021] 图4是正四边形焦场轨迹形成示意图，（a)矢量光场阵列排布示意图，（b)图（a) 矢量光场阵列对应的焦斑分布，（c)矢量光场阵列逐步旋转π/2形成的正四边形焦斑轨 迹。
[0022] 图5是基于产生的正六边形（a)和正四边形（b)焦场轨迹在铌酸锂内部加工制备 的相应微结构。第一行：模拟结果，第二行：实验结果。
[0023] 图6是基于按四方晶系（a)、（b)和三方晶系排列（c)、（d)的矢量光场阵列产生的 焦场轨迹及在铌酸锂内部加工制备的相应微结构。第一行：模拟结果，第二行：实验结果。
[0024] 图7是基于正六边形焦斑轨迹在铌酸锂晶体内部制备的周期性正六边形微结构。
[0025] 图8是基于正六边形焦斑轨迹在铌酸锂晶体内部制备的周期性二层内嵌正六边 形微结构。
【具体实施方式】
[0026] 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。
[0027] 实施例1、基于动态调控的焦场轨迹制作微结构的装置
[0028] 如图1所示，本发明提出的利用动态调控的飞秒矢量光场阵列制作微结构的装置 包括：飞秒激光器、动态飞秒矢量光场阵列的生成及调控系统、紧聚焦微加工系统。
[0029] 动态飞秒矢量光场阵列的生成及调控系统包括：沿光轴方向依次布置的空间光调 制器（4)、4f系统前置透镜（5)、空间滤波器（6)、1/4波片（7)、4f系统后置透镜（8)、朗奇 光栅（9)以及用于产生和动态控制全息光栅的计算机系统（14)。紧聚焦微加工系统包括： 显微物镜（11)、样品（12)和三维移动平台（13)。
[0030] 飞秒激光器（1)输出的飞秒激光经由1/2波片（2)和偏振分束器（3)组成的可变 衰减器对激光能量进行控制，然后垂直入射至空间光调制器（4)，空间光调制器上加载由计 算机系统（14)生成并动态控制的全息光栅，通过空间光调制器后衍射的线偏振光经4f系 统前置透镜（5)进行汇聚，利用处在4f系统前置透镜的频谱面上的空间滤波器（6)分别选 取正、负一级的衍射光，然后各自经过一个1/4波片（7)转化成携带涡旋相位的左、右旋圆 偏振光，再经4f系统后置透镜（8)汇聚后入射至朗奇光栅（9)，经朗奇光栅合束