[发明专利]一种飞秒激光双光束干涉制备周期纳米结构的装置和方法

说明书

本发明公开了一种飞秒激光双光束干涉制备周期纳米结构的装置和方法，其中，装置包括光源、电子快门、半波片、格兰棱镜、分束片、反射镜、延时光路系统、四分之一波片、会聚透镜和样品；分束片将光源产生的飞秒激光脉冲分成透射光束和反射光束，样品设置在透射光束和反射光束的末端，透射光束和反射光束在样品上共焦。本发明通过调节延时光路系统,使得透射光束和反射光束同时到达样品，并在样品上制备周期纳米结构。

技术领域

本发明涉及飞秒激光微纳加工领域，是一种方便快捷地制备周期性纳米结构的装置和方法，主要适用于激光纳米加工、材料改性等方面。

背景技术

材料表面周期纳米结构的制备在材料改性、光子晶体、光存储等方面都具有重要的作用。激光干涉技术由于工艺简单并且成本低廉而得到了广泛的应用。激光双光束干涉产生明暗相间的条纹，通过曝光、显影等一系列工艺，将干涉产生的光强花样刻印在光敏材料上，从而制备规则的周期结构。利用双光束干涉可以制备一维光栅结构，或通过多次曝光制备二维、三维周期结构。

飞秒激光脉冲具有超短、超强的特点，在与物质相互作用的过程中产生许多奇异的现象。飞秒激光照射金属、半导体和电介质等材料后，能够诱导周期纳米结构，纳米结构尺寸远小于激光波长。这突破了激光加工的衍射极限，在激光纳米加工、可见光波段光子晶体制备及超高密度光存储等方面具有应用潜力。同时，激光偏振状态决定了纳米结构形状，线偏振光诱导垂直于偏振方向的纳米条纹，圆偏振光诱导纳米颗粒。

现有激光双光束干涉技术制备的周期结构花样仅决定于激光干涉的光强分布，同偏振双光束干涉场的光强呈明暗相间的光栅状周期性分布，常用于制备一维光栅结构，理论周期最小为λ/2，较难应用于纳米结构的制备。由干涉理论可知，正交偏振的双光束不相干，在干涉场中光强均匀分布，从而不能应用于周期性结构的制备。

发明内容

本发明为了弥补传统激光双光束干涉技术中花样单调，缺乏灵活性的不足，提供一种飞秒激光双光束干涉制备周期纳米结构的方法。使干涉场中的光强分布和偏振分布共同决定周期纳米结构的形成，方便快捷地制备出不同类型的周期纳米结构。这一方法提高了原有双光束干涉技术的多样性，为激光纳米加工、材料改性等提供了新的手段。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种飞秒激光双光束干涉制备周期纳米结构的装置，包括

光源，其用于产生飞秒激光脉冲；

电子快门、第一半波片和格兰棱镜，其依次设置在光源的光路上，第一半波片用于调节飞秒激光脉冲的能量，格兰棱镜用于调节飞秒激光脉冲的偏振方向；

分束片，其设置在格兰棱镜的末端，用于将飞秒激光脉冲分成透射光束和反射光束；

在透射光束的光路上设有第一反射镜，第一反射镜用于将透射光束反射至延时光路系统，在延时光路系统的末端设有第二反射镜，在第二反射镜的反射光路上依次设置有第二半波片、第一四分之一波片和第一汇聚透镜；

在反射光束的光路上设有第三反射镜，在第三反射镜的反射光路上设有第四反射镜，在第四反射镜的反射光路上设有第五反射镜，在第五反射镜的反射光路上依次设有第三半波片、第二四分之一波片和第一汇聚透镜；

样品设置在透射光束和反射光束的末端，透射光束和反射光束在样品上共焦。

进一步的，所述透射光束和反射光束的能量之比为1:1。

进一步的，所述延时光路系统包括若干反射镜，透射光束由经由所有反射镜后达到第二反射镜。

一种飞秒激光双光束干涉制备周期纳米结构的工艺，包括如下步骤：

调节格兰棱镜，确定飞秒激光脉冲的偏振方向；旋转第一半波片，使得飞秒激光脉冲的能量衰减至样品的破坏阈值以下；