一种在透明材料表面和内部制备镂空结构的方法与流程

本发明属于飞秒激光微纳加工技术领域，具体涉及使用飞秒激光在透明材料内部直写百纳米精度的均匀线结构，通过后续抛光和湿法刻蚀工艺，从而实现了表面和内部超高加工精度和任意深径比镂空结构的制备。

背景技术：

随着科学技术的不断进步，人们对集成化和微型化的要求越来越高，使用微纳米结构制备的器件和相同功能的大尺寸器件对比，其不仅具有耗能少，效率高，灵敏度高等优势，同时由于其体积小，便于多功能集成。对光学领域也是如此。近年来结构尺寸低于波长的微纳光学元器件的制备通常使用的是光刻工艺。通常需要掩膜版来将图案转移到表面涂覆光敏树脂的基材上，随后通过显影和二次干法刻蚀的方式来实现材料表面的图案化。这种方式通常需要多个步骤，并且对于不同的图案需要选择不同的掩膜版。除此之外，这些光学光刻工艺通常只能实现准三维结构的加工，并且需要严格的真空环境，进一步限制了其应用范围。

常见的飞秒激光直写技术虽然可以在聚合物材料上实现百纳米精度的任意三维结构的加工，但是其在硬脆材料表面直接烧蚀导致的碎屑会影响后续结构的加工，在内部加工由于改性区域的折射率改变量比较小，会导致内部加工光学器件的厚度比较大。除此之外，在表面和内部加工区域通常是由激光直接诱导周期性光栅结构，影响加工的精度和可控性。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是：提供一种在透明材料表面和内部制备镂空结构的加工方法。通过精确的控制偏振和加工功率，使用飞秒激光直写方式在透明材料内部直写精度为百纳米的改性区域，随后使用机械/离子束减薄的方式将透明材料的表面减薄至加工区域位置(表面加工)，最后使用湿法刻蚀工艺对材料进行刻蚀，最终实现了具有高精度、任意图案化结构的百纳米精度的镂空结构的制备。本发明的方法在无真空环境下可以实现多种常见的透明材料的高效高精度加工，解决了现有技术中对环境要求比较高，加工效率较低的问题。

本发明通过如下技术方案实现：

一种在透明材料表面和内部制备镂空结构的方法，具体步骤如下：

步骤一：样品调平；

首先，将带加工样品固定到带有二轴调节装置的位移平台表面，然后将激光器功率调节到低于材料的损伤阈值(当聚焦时候可以在ccd下看到聚焦的光斑即可。)，打开激光器光闸，通过调节位移平台的高度，将激光聚焦在样品表面；然后沿竖直方向反复移动位移平台5cm，并通过二轴调节装置确保焦点始终在样品表面；最后沿水平方向反复移动位移平台5cm，通过二轴调节装置确保焦点始终在样品表面；这时候待加工样品调平已经完成；

步骤二、飞秒激光在材料内部刻写改性结构；

具体步骤为：激光器出射的激光通过空间光调制器(slm)后进行相位调制，(这里slm是用来加载基于折射率失匹的球面像差校正的全息相位图，从而保证加工过程中不同深度结构的长度均匀性。)然后依次经过第一个凸透镜l1和第二个凸透镜l2组成的4f系统，将空间光调制器上的相位分布投射到物镜入瞳的位置，然后通过物镜聚焦在透明材料内部进行加工；在内部刻写结构的过程中，使用的是逐点扫描方式，且始终保持激光的偏振与加工痕迹互相垂直，从而实现内部单根线结构的加工；此外，为了后续抛光步骤方便观察，在样品截面处不同深度刻写多根纳米线阵列作为标记；

步骤三、样品表层的去除(用于表面结构)；

具体步骤为：首先，将加工后的样品使用目数较小的砂纸进行粗抛光，进行快速减薄，当在显微镜下观察其加工痕迹已经接近样品表面的时候，使用较大目数的砂纸进行精细抛光；使用显微镜进行二次观察抛光后样品的标记截面的深度位置；最后使用抛光粉对样品进行最后的超精细抛光，通过多次重复抛光和显微镜观察，将样品抛光到恰好表面刚露出加工痕迹；

步骤四、各项异性刻蚀；

配比湿法刻蚀溶液，将抛光后的样品放入到湿法刻蚀溶液中进行超声湿法刻蚀，随后将样品取出，分别使用乙醇和去离子水进行冲洗，并使用洗耳球吹干，获得所需表面超精细结构。

进一步地，步骤一所述待加工样品为常见的透明硬脆材料：如熔融石英，蓝宝石和yag晶体等，其厚度可以为100μm-1mm；所述调节装置为带两个旋钮的调平装置，分别可以调整样品台的俯仰和翻滚角度；所述固定方式为将样品使用双面胶固定到载玻片上，将载玻片使用加持装置固定到样品台上，再将盖玻片朝下安装在带有夹具的镜架上；所述移动平台为纳米压电平台和步进电机平台组合而成，其中压电平台的行程为200×200×200μm；步进电机的行程为20×20mm。

进一步地，步骤二所述的球面像差校正深度范围为10μm-2mm，激光加工深度为20μm-1mm；加工时所使用的飞秒激光波长为515nm、800nm或1030nm，其单脉冲能量根据所选用的物镜不同为50nj-1000nj；加工中使用的物镜的数值孔径为0.5-0.9；加工线结构的点间隔为10nm-2000n；线之间的间隔为400nm-5000nm；扫描结构的方向和偏振方向为0°-180°。

进一步地，步骤三中所述样品材料的表面抛光所使用的粗抛光砂纸为400#，1000#和3000#，精细抛光所使用的砂纸为5000#和7000#；用来超精细抛光使用的为氧化铈和金刚石抛光粉末，为12000#，使用的是金相机械抛光机，其转速为30-150r/min。

进一步地，步骤四所述的湿法刻蚀工艺，对于不同的材料根据其化学性质，使用不用的刻蚀溶液来进行各项异性的湿法刻蚀，例如对于石英和蓝宝石选用体积比为20％的hf，对于yag晶体选择体积分数比为40％的h3po4。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

(1)、与传统光刻工艺相比，该方式无需真空环境，且可以实现任意图案化超高精度加工，且使用该方式可以实现三维加工的能力；

(2)、与飞秒激光直写相比，该方式克服了以往表面和内部加工仅能加工周期固定的条纹结构和表面烧蚀粗糙结构的限制，实现了百纳米的加工精度；

(3)、从可拓展性来说，本发明可应用到多种硬脆材料的精细加工领域，在微纳光学、微流控和微机械等领域有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明的一种在透明材料表面和内部制备镂空结构的方法的光路示意图，其中l1、l2和l3是平凸透镜，slm是液晶空间光调制器，m1和m2是全反镜，ccd-照相机；

图2为本发明的一种在透明材料表面和内部制备镂空结构的在透明硬脆材料表面和内部制备超高精度结构方法的流程图；

图3为本发明的一种在透明材料表面和内部制备镂空结构的在透明硬脆材料表面和内部制备超高精度结构方法在熔融石英表面得到的不同方向的纳米线镂空阵列；其中线间隔为400nm，角度分别为0度(a)，45度(b)，90度(c)，135度(d)。

图4为本发明的一种在透明材料表面和内部制备镂空结构在透明硬脆材料表面和内部制备超高精度结构方法在熔融石英表面得到的占空比为50％的纳米线阵列；

图5为本发明的一种在透明材料表面和内部制备镂空结构的方法在yag晶体表面得到的宽度为100nm，方向为45的纳米线阵列。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步地说明。

实施例1

石英表面加工高精度纳米线条阵列结构

利用飞秒激光在石英内部刻写均匀线条结构，随后使用机械抛光将样品抛光至加工区域附近，随后使用湿法刻蚀工艺进行各项异性刻蚀，从而实现石英表面均匀纳米线阵列结构。

一种在透明硬脆材料表面制备超高精度结构方法，具体步骤如下：

(1)、样品的制备和调平；

首先，将厚度为500μm的大块熔融石英样品通过玻璃刀切割成20x20mm²，分别放置到丙酮和酒精的试管里进行超声处理20min，最后放入盛有去离子水的烧杯中超声10min，并使用氮气吹干。然后使用双面胶将该石英样品贴到载玻片中，并将载玻片放入到激光加工系统的位移调平台上。安装上数值孔径为0.9，放大倍率为100×的奥林巴斯物镜，调节激光单脉冲能量为5nj,打开光阑，通过调节位移平台的高度，使激光正好聚焦在空气与石英的界面处。分别沿竖直方向和水平方向反复移动5cm，并在移动后调节调平台的两个旋钮，确保移动前后焦点始终聚焦在空气与石英的界面处；最后，通过多次循环的调节，当位移平台移动的时候，其焦点始终聚焦在空气与石英的界面处，此时位移平台已调平。

(2)、石英内部均匀结构的刻写加工；

首先，通过控制软件将激光的脉冲能能量调节到200nj，在slm上加载球面像差校正相位，并使用压电平台将焦点位置移动到空气与石英之间的界面处。然后向下移动压电平台50μm，此时，激光的焦点聚焦在样品内部。导入压电平台加工程序，这里使用的是角度为0度、45度、90度和135度的线阵列加工程序，点间隔为50nm，线间隔为400nm。在内部加工的过程中，通过加工程序实时控制激光的偏振方向与扫描方向互相垂直，直至加工结束。

随后，将固定在样品台的载玻片取下，将加工后的石英样品从载玻片中取下，分别放入到丙酮和酒精溶液中超声处理10min，最后使用氮气吹干。

(3)、样品的表面的机械减薄处理；

将加工后的样品使用冷镶嵌的方式水平的镶嵌到聚合物树脂里，分别使用目数为500#、1000#和3000#的砂纸进行粗抛光，使用显微镜观察样品内部刻写结构的位置是否已经接近表面。如果内部结构已经接近表面，将砂纸换成5000#和7000#进行精细抛光，用来出去表面粗糙的划痕，反复使用显微镜观察结构的位置，当结构已经在表面的时候，使用氧化铈抛光粉末对样品进行机械抛光，此时抛光速度为70r/min，抛光时间为20min。随后将抛光后的样品放入丙酮中除去聚合物树脂。

(3)、样品的表面湿法刻蚀工艺；

配制体积分数比为2％的hf溶液10ml,将表面减薄抛光后的样品放入溶液中超声处理400s，随后将其取出并使用乙醇和去离子水冲洗2min，最后使用氮气进行吹干。

实施例2

yag晶体表面45度方向的纳米线阵列结构

利用飞秒激光在yag晶体内部刻写均匀纳米精度的改性结构，使用离子束减薄仪对yag晶体表面进行定量厚度减薄，最后使用湿法刻蚀工艺对yag进行各项异性刻蚀。

(1)样品台的调平：

同实例1.

(2)yag内部均匀纳米结构的刻写

同实例1，区别仅仅是在空间光调制器上加载不同的球面像差校正全息图和所使用的单脉冲能量。这里使用的单脉冲能量为247nj，内部深度30um。

(3)聚焦离子束减薄

将制备完成后的yag样品，使用速干胶平整地粘贴在离子束减薄仪的铝柱上，将铝柱放入离子束减薄仪中，调节电压为6kv，时间为3小时，此时离子束减薄仪可将样品减薄30um。将减薄后的铝柱取出，使用乙醇溶液将速干胶洗去，即得到减薄后的yag晶体材料。

(4)样品表面的湿法刻蚀工艺：

配制体积分数比为40％的h3po4溶液10ml,将表面减薄抛光后的样品放入盛有刻蚀溶液的密封容器中，将容器放入到温度为90℃的烘箱中3小时进行各项异性刻蚀，随后将其取出并使用乙醇和去离子水冲洗2min，最后使用氮气进行吹干。

由图2可知利用飞秒激光可以在内部刻写任意深度和三维排布的结构，其长度和间隔受限于位移平台。

由图3可知，利用本发明方式，可以制备任意方向和周期的镂空纳米线阵列。

由图4可知，利用本发明方式，可以实现不同占空比的镂空纳米线阵列结构。

由图5可知，利用本发明方式，可以在不同材料表面和内部实现高精度镂空纳米线结构。