一种抗反射微纳结构的加工系统及加工方法

1.本发明涉及微孔激光加工工艺，具体涉及一种抗反射微纳结构的加工系统及加工方法。


背景技术：

2.材料表面的抗反射性能在光子、光电子、隐身、传感等领域具有广泛的应用潜力。光线入射到两种介质的分界面上时，会发生折射与反射，在很多应用场景反射光会产生杂散光、透射光，导致目标物能量降低，这极大影响了系统性能。例如，在机载光学系统由于太阳光极为强烈，会使屏幕图像对比度下降严重影响机载光学系统的探测响应度，严重时甚至会形成“鬼影”，影响光电系统的探测精度；
3.装备在极端服役环境下光能的透过率是影响目标识别精度、探测增程能力的关键，目前传统手段是通过在光学元件表面镀抗反射增透介质薄膜来实现抗反增透特性，存在光谱窄、大角度入射不敏感等问题，更重要的是由于服役环境恶劣，膜层界面结合效应(膜层和衬底间的热胀系数差异、膜层和衬底的折射率匹配)引起膜层易脱落、服役寿命短，严重时会导致红外窗口增透失效，这成为限制我国重大军事装备的作战技能指标的关键因素之一。
4.抗反射增透微纳结构是在不改变材料原有的力学、热学、化学等性质的前提下，直接在材料表面加工微纳结构，具备宽光谱、广角、长寿命等特性，因此抗反射增透技术在航空航天用红外窗口具有非常突出的优势。这种抗反射阵列微孔结构形貌具体包括一维光栅、二维光栅(阵列微孔、方孔、多边形方孔等)结构，结构的尺寸根据应用的光谱带宽相关，即亚波长结构，若应用在远红外波段，微孔口径在2～3微米左右，若应用在太赫兹波段，微孔口径在数百微米左右。
5.目前化学蚀刻，离子束刻蚀、电子束刻蚀、纳米压印、光刻等抗反射微纳结构加工手段存在工序复杂、成本高、效率低、无法实现曲面加工等问题。飞秒激光具有超快、超强的特点，在加工过程中，与材料作用时间远小于晶格热传导的时间，从而可以有效的抑制加工导致的热效应，并且飞秒激光极高的峰值功率，使其几乎可以加工所有的固体材料。此外，通过调控飞秒激光的形状(时空分布)和性质(波长/强度/偏振)，可实现突破衍射极限的加工精度。因此飞秒激光在难加工材料和三维复杂结构的多尺度、选择性、非接触、高精度、高质量(热效应小)制造方面具有独特优势，使其成为制造微纳结构的理想手段之一。
6.然而受制于飞秒激光的有限焦深(高斯光斑高倍显微物镜聚焦后最大焦深不超过1μm)、锥状光束、以及非线性作用机制，会导致加工的微纳结构深度大约在200-300nm，通过将高斯光束整形为贝塞尔光束将其焦深沿光轴拉长可以一定程度的加大微孔的深径比，但是由于贝塞尔光束存在高级衍射旁瓣，会在微孔边缘加工出环状结构，这会导致微纳结构之间全部毛化，造成抗反射性能失效。通常的解决办法是将贝塞尔光束的能量尽量降低，使得其高级旁瓣的能量低于材料的损伤阈值，但会使得贝塞尔光能量过低，导致实际加工出的微孔深度远小于理论焦深。此外，飞秒激光与材料相互作用时，微纳结构内部会出现碎
屑、各类等离子，阻碍激光与材料的相互作用，同样会导致实际加工出的微孔深度小于理论焦深。


技术实现要素：

7.本发明的目的是解决飞秒激光的焦深沿光轴拉长后所产生的高级衍射旁瓣会导致微孔边缘出现环状结构，影响抗反射性能，以及贝塞尔光能量过低、飞秒激光与材料相互作用导致微孔深度小于理论焦深的不足之处，而提供一种抗反射微纳结构的加工系统及加工方法。
8.为了解决上述现有技术所存在的不足之处，本发明提供了如下技术解决方案：
9.一种抗反射微纳结构的加工系统，其特殊之处在于：包括激光器，以及沿激光器出射光路依次设置的偏振态调制装置、缩束单元、二维快速反射镜和超表面结构，待加工工作面位于超表面结构的出射光路上；
10.定义待加工工作面所形成的微孔的中心线为z轴，激光器出射光的方向为x轴，y轴方向符合右手空间直角坐标系；
11.所述激光器出射光为线偏振光；所述偏振态调制装置用于调制激光器出射光的偏振态；所述缩束单元用于缩小偏振态调制装置出射光的光束直径；所述二维快速反射镜绕x轴、y轴运动，用于使缩束单元出射光绕其光轴旋转且按照预设扫描轨迹、预设扫描速度进行扫描；所述超表面结构用于使二维快速反射镜出射光的不同偏振分量聚焦于光轴的不同位置，且对各偏振分量的焦深进行调节，超表面结构出射光在待加工工作面形成光丝，超表面结构包括衬底和周期性设置在衬底上的多个纳米柱。
12.进一步地，所述偏振态调制装置包括四分之一波片和电机，所述四分之一波片的快轴与线偏振光之间的夹角为θ，所述电机用于带动四分之一波片以在[0，π/2]范围内调节θ。
[0013]
同时，本发明还提供一种抗反射微纳结构的加工方法，其特殊之处在于，采用上述抗反射微纳结构的加工系统，包括如下步骤：
[0014]
步骤1、根据待加工微纳结构中微孔的尺寸、形貌以及激光高斯光斑的分布特性，确定光丝的直径、长度；
[0015]
步骤2、采用fdtd solution软件，根据步骤1所确定的光丝的直径、长度，确定超表面结构的结构参数，所述结构参数包括纳米柱的形貌、长度、宽度、高度，以及超表面结构直径；
[0016]
步骤2.1、通过调节纳米柱的长度、宽度、高度来控制经过超表面结构的x偏振入射光、y偏振入射光的之间的相位延迟差，得到纳米柱的长度、宽度与x偏振入射光、y偏振入射光的之间的相位延迟差的关系，并利用fdtd方法计算经过超表面结构的x偏振入射光、y偏振入射光的透过率系数；
[0017]
步骤2.2、根据步骤2.1所得到的纳米柱的长度、宽度与x偏振入射光、y偏振入射光的之间的相位延迟差的关系，以及x偏振入射光、y偏振入射光的透过率系数，结合偏振转换效率，以及x偏振入射光、y偏振入射光之间的相位延迟差为π，确定超表面结构的结构参数；
[0018]
步骤2.3、通过所确定的超表面结构的结构参数，仿真得到光丝的分布特征；
[0019]
步骤3、根据所确定的超表面结构的结构参数，确定缩束单元的倍率及参数；
[0020]
步骤4、通过偏振态调制装置对激光器出射光进行调制，同时根据微孔的形貌，调节二维快速反射镜绕x轴、y轴运动的角度、方向和速度，使光丝在待加工工作面绕其光轴旋转的同时，按照预设扫描轨迹、预设扫描速度进行扫描，实现抗反射微纳结构的加工。
[0021]
进一步地，步骤4中，所述通过偏振态调制装置对线偏振光进行调制具体为：采用电机带动四分之一波片对θ进行周期性调节，将θ由π/2调节至0，再由0调节为π/2为一个周期，使得光丝可以沿z轴从下至上，再从上至下反复运动。
[0022]
进一步地，步骤2.2中，所述偏振转换效率大于50％。
[0023]
进一步地，步骤3中，所述缩束单元(3)的参数包括入射光瞳和出射光瞳。
[0024]
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0025]
(1)本发明一种抗反射微纳结构的加工系统，包括激光器、偏振态调制装置、缩束单元、二维快速反射镜和超表面结构；本发明通过超表面结构使不同偏振分量聚焦于光轴不同位置，可以在待加工工作面形成类长焦深的“光丝”，并且该光丝无高级衍射现象，极大程度解决了贝塞尔光束旁瓣结构严重的问题，有利于充分利用激光能量，极大提高了微结构的理论加工深度的极限。
[0026]
(2)本发明一种抗反射微纳结构的加工系统中通过偏振态调制装置调制激光器出射光偏振态以改变光丝在z轴上的位置，使光丝沿z轴上下运动，有利于提高微结构的加工深度。
[0027]
(3)本发明一种抗反射微纳结构的加工系统通过二维快速反射镜使光丝绕其光轴高速旋转，有利于加工碎屑、烧蚀产物引发的空气电离等离子体、烧蚀中材料-蒸汽等离子体等物质的向外喷发，抑制了其形成的屏障作用，有利于提高微结构的加工深度；此外，二维快速反射镜还可以调节光丝的扫描轨迹、扫描速度，有利于提高加工效率。
[0028]
(4)本发明一种抗反射微纳结构的加工方法将激光能量沿光轴方向进行调制，降低了光轴横截面位置的激光能量，降低了激光非线性作用；此外，本发明所采用的高重频脉冲扫描式加工方式可以降低每一个单脉冲的能量，即采用近损伤阈值的方式进行微结构的制造，可抑制激光加工热效应累积，提高微结构制造质量。
附图说明
[0029]
图1为本发明一种抗反射微纳结构的加工系统的结构示意图；
[0030]
图2为图1中超表面结构的局部结构示意图；
[0031]
图3为图1中偏振态调制装置的调制原理示意图；
[0032]
图4为图3中偏振态调制装置出射光偏振态、光丝快轴与慢轴之间夹角、光丝在z轴上的位置之间的对应关系示意图；
[0033]
图5为本发明一种抗反射微纳结构的加工方法所形成的光丝的结构示意图。
[0034]
附图说明如下：01-待加工工作面；1-激光器；2-偏振态调制装置；3-缩束单元；4-二维快速反射镜；5-超表面结构，51-衬底，52-纳米柱。
具体实施方式
[0035]
下面结合附图和示例性实施例对本发明作进一步地说明。
[0036]
参照图1，一种抗反射微纳结构的加工系统，包括激光器1，以及沿激光器1出射光
路依次设置的偏振态调制装置2、缩束单元3、二维快速反射镜4和超表面结构5，待加工工作面01位于超表面的出射光路上。
[0037]
定义待加工工作面01所形成的微孔的中心线为z轴，激光器1出射光的方向为x轴，y轴方向符合右手空间直角坐标系。
[0038]
所述激光器1出射光为线偏振光；所述偏振态调制装置2用于调制激光器1出射光的偏振态；所述缩束单元3用于缩小偏振态调制装置2出射光的光束直径以降低加工成本；所述二维快速反射镜4绕x轴、y轴运动，用于使缩束单元3出射光绕其光轴旋转且按照预设扫描轨迹、预设扫描速度进行扫描；所述超表面结构5用于使二维快速反射镜4出射光的不同偏振分量聚焦于光轴的不同位置，且对各偏振分量的焦深进行调节，超表面结构5出射光在待加工工作面01形成光丝，超表面结构5包括衬底51和周期性设置在衬底51上的多个纳米柱52，如图2所示。
[0039]
参照图3，偏振态调制装置2包括四分之一波片和电机，所述四分之一波片的快轴与线偏振光之间的夹角为θ，所述电机用于带动四分之一波片以在[0，π/2]范围内调节θ；其中当θ＝0
°
时，偏振态调制装置2出射光为右旋偏振光，光丝快轴与慢轴之间夹角为0
°
；θ∈(0，π/4)时，偏振态调制装置2出射光为右旋椭圆偏振，光丝快轴与慢轴之间夹角∈(0，π/2)；θ＝π/4时，偏振态调制装置2出射光为线偏振，光丝快轴与慢轴之间夹角为π/2；θ∈(π/4，π/2)时，偏振态调制装置2出射光为左旋椭圆偏振，光丝快轴与慢轴之间夹角∈(π/2，π)；θ＝π/2时，偏振态调制装置2出射光为左旋偏振光，光丝快轴与慢轴之间夹角为π。通过改变偏振态调制装置2出射光偏振态的不同，可以改变光丝在z轴上的位置，如图4所示。
[0040]
光丝的分布特征由超表面结构5的结构参数决定，所述光丝的分布特征包括两个偏振分量的焦深和间隔；光丝的扫描轨迹、速度由二维快速反射镜4决定。
[0041]
一种抗反射微纳结构的加工方法，采用上述抗反射微纳结构的加工系统，包括如下步骤：
[0042]
步骤1、根据待加工微纳结构中微孔的微孔直径为2μm，深度大于1.5μm，根据激光高斯光斑分布的特性，确定光丝直径为3μm，长度为5μm；
[0043]
步骤2、采用fdtd solution软件，根据步骤1所确定的光丝的直径、长度，确定超表面结构5的参数，所述结构参数包括纳米柱52的形貌、长度、宽度、高度，以及超表面结构5直径；
[0044]
步骤2.1、根据前期研究基础和试验经验，将纳米柱52的长度、宽度从40nm变化到600nm，高度固定在800nm，来控制经过超表面结构5的x偏振入射光、y偏振入射光的之间的相位延迟差，得到纳米柱52的长度、宽度与x偏振入射光、y偏振入射光的之间的相位延迟差的关系；并利用fdtd(时域有限差分法)方法计算经过超表面结构5的x偏振入射光、y偏振入射光的透过率系数；
[0045]
步骤2.2、根据步骤2.1所得到的纳米柱52的长度、宽度与x偏振入射光、y偏振入射光的之间的相位延迟差的关系，以及x偏振入射光、y偏振入射光的透过率系数，结合偏振转换效率大于50％、以及x偏振入射光、y偏振入射光之间的相位延迟差为π，确定纳米柱52的形貌为四棱柱，纳米柱52的长度、宽度、高度分别为300nm、150nm、800nm，超表面结构5直径为4mm；
[0046]
步骤2.3、通过所确定的超表面结构5的结构参数，仿真得到光丝的分布特征为：左
旋光、右旋光聚焦于光轴的不同位置形成两个聚焦光斑，两个聚焦光斑之间距离为δ＝1.5μm，左旋偏振光焦深(dof
l
)为1.4μm，右旋偏振光焦深(dofr)为2μm，光丝长度为4.9μm，如图5所示；
[0047]
步骤3、根据所确定的超表面结构5的结构参数，确定缩束单元3的倍率为0.5x，入射光瞳≥6mm，出射光瞳≥3mm；
[0048]
步骤4、采用电机带动四分之一波片对θ进行周期性调节，将θ由π/2调节至0，再由0调节为π/2为一个周期，使偏振态调制装置2出射光进行左旋偏振光
→
左旋椭圆偏振
→
线偏振
→
右旋椭圆偏振
→
右旋偏振
→
右旋椭圆偏振
→
线偏振
→
左旋椭圆偏振
→
左旋偏振光的周期性改变，从而使光丝可以沿z轴从下至上，再从上至下反复运动；四分之一波片的旋转速度60rpm/min；
[0049]
同时，根据微孔的形貌为圆柱体，调节二维快速反射镜4绕x轴、y轴运动的角度、方向和速度，使光丝在待加工工作面01绕其光轴旋转的同时，按照预设扫描轨迹、预设扫描速度进行扫描，实现抗反射微纳结构的加工；所述预设扫描轨迹为圆形，半径为1μm，所述预设扫描速度≥5khz。
[0050]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述各实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。