阅读说明：本技术 利用激光偏振态实现纳米光栅刻印的解决方案 (Solution for realizing nano grating imprinting by utilizing laser polarization state ) 是由 兰胜 李树磊 于 2020-05-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种利用激光偏振态实现纳米光栅刻印的解决方案,其中设计一种简单的结构,可以利用激光诱导纳米光栅制作超分辨图案,通过调节激光波长、功率、偏振方向改变纳米颗粒重塑强度和纳米光栅的取向,提出两种调节照明白光的偏振态实现颜色的调控的方法,实现对偏振的敏感感应,并得到的空间分辨率0.5微米的高分辨率、高饱和度颜色。形成的纳米光栅对反射光有偏振调控作用,利用纳米光栅对线偏振白光的保偏和旋转特性,可以在空间分辨率0.5微米的像素中识别角分辨率为10°的激光偏振态,实现超高密度光存储。相比于现有的SOI(Silicon-On-Insulator,绝缘衬底上的硅)刻蚀工艺,本发明的方案制作方法简单,没有复杂的工艺。(The invention discloses a solution for realizing nano grating imprinting by utilizing a laser polarization state, wherein a simple structure is designed, a super-resolution pattern can be manufactured by utilizing laser to induce a nano grating, the remolding intensity of nano particles and the orientation of the nano grating are changed by adjusting the laser wavelength, the power and the polarization direction, two methods for adjusting the polarization state of illumination white light to realize color regulation and control are provided, the polarization sensitive induction is realized, and the obtained high-resolution and high-saturation color with the spatial resolution of 0.5 micrometer is obtained. The formed nano grating has a polarization regulation effect on reflected light, and by utilizing the polarization maintaining and rotating characteristics of the nano grating on linearly polarized white light, the laser polarization state with the angular resolution of 10 degrees can be identified in pixels with the spatial resolution of 0.5 micron, so that ultrahigh-density optical storage is realized. Compared with the existing SOI (Silicon-On-Insulator) etching process, the scheme of the invention has the advantages of simple manufacturing method and no complex process.)

利用激光偏振态实现纳米光栅刻印的解决方案

技术领域

本发明涉及激光感应的周期性结构和颜色显示技术领域，具体涉及一种利用激光偏振态实现纳米光栅刻印的解决方案。

背景技术

彩色作为重要的感官媒介，在各行各业中扮演重要的角色。微钠技术和材料的不断发展对光的调控技术已经从被动利用自然界材料有限的光学性能到主动构造具有特定光学特性的超材料，其中等离子色具有巨大的潜能。利用等离子体亚波长结构，设计不同几何尺寸可以实现在任意共振波长的选择性增强或阻碍实现光场的近场和远场调控。这些周期性的纳米颗粒或纳米棒或纳米孔大都通过电子束刻蚀、离子束刻蚀的方法制备，价格昂贵，无法大面积制造，且缺乏动态可调性。激光诱导的周期性结构(LIPSs)技术可以在不同本体材料表面直接制备纳米光栅结构，避免复杂的光刻工艺，虽然可以实现偏振取向的亚波长空间分辨率的刻印，但都是以制备二维有序线性微结构为主，很难有丰富的颜色显示。因此在彩色颜色显示和光存储领域，这种激光直写技术对偏振态的识别以及超分辨率偏振印迹的实际应用还有待于进一步的探索。

发明内容

有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出一种利用激光偏振态实现纳米光栅刻印的解决方案，并用于超分辨彩色敏感显示和超高密度光存储。

本发明通过以下技术手段解决上述问题：

一方面，本发明提供一种利用激光偏振态实现纳米光栅刻印的样品，所述样品从底层往顶层依次包括基底、金属薄膜层、介质隔离层和金属纳米岛层；所述基底起支撑作用，可以是玻璃材质、硅片等硬质平整材料；金属薄膜层厚度在100nm以上，材质可以是金、银、铂金、铝等金属，通过蒸镀或离子溅射的方法镀在所述基底上；介质隔离层为柔性材料或硬质材料，柔性材料可以是有机物薄膜，比如PMMA、PVP、PVA等材料，通过在所述金属薄膜层上使用甩膜机制备，控制甩膜转速和甩膜时间实现不同膜的厚度；硬质材料可以是玻璃或陶瓷，比如氧化硅、氧化铝、氮化钙、碳化钙等材料，可以通过蒸镀或化学气相沉积等方法制备；金属纳米岛层通过粒子溅射的方法制备，材质可以是金、银、铂金、铝等金属，在所述介质隔离层上通过调整溅射的时间和电流控制金属纳米颗粒的大小。

另一方面，本发明还提供一种利用激光偏振态实现纳米光栅刻印的激光直写装置，包括飞秒激光系统、激光偏振调整装置、快门、激光聚焦装置、微钠位移台以及安装激光直写控制程序的PC机；所述样品放置在所述微钠位移台上，所述样品的金属纳米岛层朝向激光聚焦装置的物镜口，所述飞秒激光系统发出激光光束依次经过激光偏振调整装置、快门、激光聚焦装置，经过所述激光聚焦装置将激光束聚焦在样品的金属纳米岛层上，使用激光直写控制程序控制微钠位移台和快门，通过移动微钠位移台，实现图案写入。

改变飞秒激光的波长，以使得不同波长激光对所述的金属纳米岛的重塑和刻印的强弱不同，最终形成的形貌也不同，以此控制图案呈现不同的颜色。

改变飞秒激光的功率，以使得不同功率激光对所述的金属纳米岛的重塑和刻印的强弱不同，最终形成的形貌也不同，以此控制图案呈现不同的颜色。

改变飞秒激光的偏振态，以使得不同偏振方向的激光对所述的金属纳米岛的重塑成金属纳米颗粒的取向和刻蚀后的排列方向不同，以此控制图案呈现不同的颜色。

将二值图片导入激光直写控制程序，引导微钠位移台在2维平面上按照图案要求移动，通过控制快门开关，调节激光写入或关闭，以便飞秒激光直写非连续图案。

可以设置微钠位移台移动的步长调节像素的大小，实现分辨率的调节。

再一方面，本发明还提供一种利用激光偏振态实现纳米光栅刻印的检测机构，实现颜色对偏振的敏感响应。所述检测机构包括两种：第一种包括第一自然光光源、第一可调检偏器和第一观察装置；将第一自然光光源照射的入射自然光垂直照射在激光刻印的图像上，在反射光路上放置第一可调检偏器，调节第一可调检偏器偏振方向获得不同偏振方向的线偏振反射光，不同偏振方向的线偏振反射光可以显示不同的颜色，通过第一观察装置观察刻印的图像在不同检偏角度下图案的颜色变化；第二种包括第二自然光光源、第一可调起偏器和第二观察装置；将第二自然光光源照射的入射自然光垂直照射在第一可调起偏器上，然后再照射在激光刻印的图像上，调节第一可调起偏器透光轴的角度，改变白光偏振方向，实现不同偏振方向的白光照射在刻印图像上，通过第二观察装置观察在不同偏振方向的白光照射下图案的颜色变化。这两种图案都可以观察到彩色图案，且效果相同。

再一方面，本发明还提供一种利用激光偏振态实现纳米光栅刻印的检测机构正交偏振分析仪，识别激光偏振态的角分辨率。所述检测机构正交偏振分析仪包括第三自然光光源、第二可调起偏器、第二可调检偏器和第三观察装置；将第三自然光光源照射的入射自然光经过第二可调起偏器后调整为线偏振光，照射在激光刻印的图案上，反射光再经第二可调检偏器通过第三观察装置观察激光刻印图案，其中第二可调检偏器的透光轴方向始终与第二可调起偏器的透光轴方向垂直，在这种装置下观察到的激光刻印的图案呈现不同的明暗现象。只有激光刻印的纳米光栅的矢量方向与第二可调起偏器的透光轴方向一致或垂直时，反射光的偏振方向与入射光偏振方向保持一致，透过第二可调检偏器观察不到反射光，呈现黑色；当激光刻印的纳米光栅的矢量方向与第二可调起偏器的透光轴方向在0°-90°之间时，反射光的偏振方向发生旋转，与入射光偏振方向有夹角，因此反射光仍能透过第二可调检偏器，进而观察到图案形状。其中纳米光栅矢量方向与可调起偏器的透光轴方向呈45°夹角时，旋转能力最大为45°，反射光透过率最大，图案的亮度最大；在0.5微米×0.5微米的像素上可以实现9种偏振态、10°的角分辨率，实现超高密度光存储。

与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：

本发明可以利用激光诱导纳米光栅制作超分辨图案，通过调节激光波长、功率、偏振方向改变纳米颗粒重塑强度和纳米光栅的取向，提出两种调节照明白光的偏振态实现颜色的调控的方法，实现颜色对偏振的敏感感应，并得到的空间分辨率0.5微米的高分辨率、高饱和度颜色。形成的纳米光栅对偏振光具有保偏和旋转特性，可以识别空间分辨率0.5微米，角分辨率为10°的激光偏振态，实现超高密度的光存储。相比于现有的SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅)刻蚀工艺，本申请的方案制作方法简单，不需要复杂的刻蚀工艺，即可得到接近衍射极限的微钠尺度的图案和超高密度光存储。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明利用激光偏振态实现纳米光栅刻印的样品的结构示意图；

图2是本发明样品顶层的金纳米岛的透射电子显微镜(TEM)图；

图3是本发明利用激光偏振态实现纳米光栅刻印的激光直写装置的结构示意图；

图4是本发明不同偏振态的激光光束聚焦在金纳米岛上的作用效果图；

图5是本发明利用激光偏振态实现纳米光栅刻印的第一种检测机构的结构示意图；

图6是本发明利用激光偏振态实现纳米光栅刻印的第二种检测机构的结构示意图；

图7是本发明在相同偏振方向的白光下，不同激光波长以相同的激光功率写入的图案的颜色图；

图8是本发明制作的图案在不同偏振白光下观察的颜色图；

图9是本发明利用激光偏振态实现纳米光栅刻印的检测机构正交偏振分析仪的结构示意图；

图10是本发明制作的超高密度光存储效果图。

附图标记说明：

1、样品；11、基底；12、金属薄膜层；13、介质隔离层；14、金属纳米岛层；21、飞秒激光系统；22、激光偏振调整装置；221、1/2玻片；222、1/4玻片；23、快门；24、激光聚焦装置；241、全反镜；242、物镜；25、微钠位移台；26、PC机；31、第一可调检偏器；32、第一观察装置；41、第一可调起偏器；42、第二观察装置；51、第二可调检偏器；52、第三观察装置；53、第二可调起偏器。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

请参阅图1，本发明提供一种利用激光偏振态实现纳米光栅刻印的样品1，所述样品1从底层往顶层依次包括基底11、金属薄膜层12、介质隔离层13和金属纳米岛层14。所述基底11采用玻璃基底；金属薄膜层12材质采用金；介质隔离层13为有机物薄膜，采用PMMA；金属纳米岛层14材质采用金。

制备方法：在所述基底11材料上通过蒸镀法镀上一层金薄膜层，将镀有金薄膜的基底11放置在甩膜机上，把有机物PMMA制备成溶液，通过旋涂法制备所述介质隔离层13，根据厚度要求设置不同的甩膜时间和转速。再在镀完PMMA介质隔离层13的样品1上使用溅射仪制备一层30nm厚度的金纳米岛。请参考图2，顶层金纳米岛的透射电子显微镜(TEM)图，图中标尺为100nm。

实施例2

请参考图3，本发明提供一种利用激光偏振态实现纳米光栅刻印的激光直写装置，包括飞秒激光系统21、激光偏振调整装置22、快门23、激光聚焦装置24、微钠位移台25、安装激光直写控制程序的PC机26，所述激光聚焦装置24为荧光显微镜。

激光脉冲传输路径依次经过设置的飞秒激光系统21、激光偏振调整装置22、快门23、荧光显微镜、微钠位移台25。所述飞秒激光系统21输出飞秒脉冲锁模激光，所述激光偏振调整装置22用于产生飞秒脉冲锁模激光的不同偏振态；输出不同偏振态的偏振光进过快门23耦合进入荧光显微镜的物镜242，聚焦在所述金属纳米岛层14表面；其中所述样品1放置在微钠位移台25上，激光作用在所述样品1的金属纳米岛层14上，利用飞秒脉冲锁模激光的高能量重塑金属纳米岛变成金属纳米颗粒，并呈现出规则的排列，形成纳米光栅结构，实现纳米级刻印。PC机26控制微钠位移台25的移动，使得激光作用在设定的区域，其中快门23控制激光的通断，实现单个像素和非连续区域的直写。

所述激光偏振调整装置22包括1/2玻片221和1/4玻片222，其中飞秒脉冲锁模激光依次经过1/2玻片221和1/4玻片222，旋转两个玻片得到不同组合，调控出不同偏振态的偏振光。

所述微钠位移台25和所述快门23由所述PC机26控制，所述PC机26安装所述激光直写控制程序，所述激光直写控制程序控制快门23的开和关、微钠位移台25水平面的移动。其中，快门23的一次开和关完成一个像素的刻印，微钠位移台25移动样品1完成不同区域的刻印。

激光重塑金属纳米岛呈现大规模不规则的椭球形状的金颗粒，由于激光诱导大规模金颗粒阵列形成纳米光栅的作用，重塑后的纳米岛规则排列成纳米光栅结构。照射在纳米光栅上的入射光分解成平行于纳米光栅矢量方向和垂直于纳米光栅矢量方向的两个分量。反射光的偏振状态是由两个具有相位差的反射分量的叠加决定的，垂直于纳米光栅矢量方向的分量的共振峰在600nm左右，平行于纳米光栅矢量方向的分量的共振峰在780nm左右。通过调节入射光的偏振角度，可以调控这两个分量的大小，进而调节这两个共振峰，实现不同颜色的显示。

从400nm至900nm不断改变入射激光的波长，利用飞秒脉冲锁模激光的高能量将金属纳米岛重塑成不同形貌的金属纳米颗粒。由于短波长能量高，相同功率下短波长作用的效果更明显。重塑后的金属纳米颗粒呈现出规则的排列形成纳米光栅，实现纳米级刻印。

从0.1mW不断改变入射激光的功率，利用飞秒脉冲锁模激光的高能量将金属纳米岛重塑成不同形貌的金属纳米颗粒，并呈现出规则的排列形成纳米光栅，实现纳米级刻印。

调节偏振调整装置改变入射激光的偏振方向(0°～180°)，改变金属纳米岛重塑成金属颗粒后的排列取向，实现不同方向的纳米级刻印。

其中，需要刻印的二值图像可以按颜色进行拆分，将拆分的图像导入所述的激光直写控制程序，每张拆分的图像根据颜色不同设定一组激光波长、激光功率、激光偏振方向的参数，再由所述的激光直写控制程序联动快门23的打开和关闭、微钠位移台25移动样品1，完成图案在样品1上的刻印。

调节激光位移台单次步进的距离实现像素的调整，可以实现最小像素面积0.5微米×0.5微米的分辨。

请参阅图4，图4为不同偏振态的激光光束聚焦在金纳米岛上的作用效果，a图是0°偏振激光写入，b图是45°偏振激光写入，c图是90°激光写入，d图是135°激光写入。从图中明显看出金纳米岛在激光的作用下重塑成具有方向性的颗粒，并且颗粒呈现出规则排列，形成纳米尺度的光栅，光栅的矢量方向与激光偏振方向平行。

实施例3

本发明还提供一种利用激光偏振态实现纳米光栅刻印的检测机构，对颜色进行调控，方案有两种，第一种方案：请参阅图5，所述检测机构包括第一自然光光源、第一可调检偏器31和第一观察装置32；其中第一自然光光源为第一卤素灯，第一观察装置32为第一显微镜。将第一卤素灯照射的自然光垂直照射在激光刻印的图像上，在反射光路上放置第一可调检偏器31，调节第一可调检偏器31的透光轴的角度，使得不同偏振方向的反射光透过，通过第一显微镜观察刻印的图像在不同检偏角度下图案的颜色变化。第二种方案：请参阅图6，所述检测机构包括第二自然光光源、第一可调起偏器41和第二观察装置42；其中第二自然光光源为第二卤素灯，第二观察装置42为第二显微镜。将第二卤素灯照射的自然光垂直照射在第一可调起偏器41上，然后再照射在激光刻印的图像上，调节第一可调起偏器41透光轴的角度，改变白光偏振方向，实现不同偏振方向的白光照射在刻印图像上，通过第二显微镜观察在不同偏振方向的白光照射下图案的颜色变化。由于不同激光参数刻印在样品1上造成金属纳米颗粒的重塑形貌、排列取向都不一样，在以上两种检测机构都可以通过调节偏振器的透光轴的角度改变图像的颜色，实现颜色的偏振敏感的响应，以及调控。

在本实施例的效果请参考图7，上面的图的横坐标表示750nm、0°偏振激光功率，纵坐标表示入射偏振白光的偏振方向，由于白光偏振方向与光栅结构的夹角以矢量方向呈对称分布，只需展示0°-90°偏振白光照射图。图案在自然光下没有丰富的颜色，但在自然光和不同方向的偏振白光照射下显示不同的颜色，表明写入的图案具有明显的偏振敏感性。下面的图的横坐标表示激光的功率，纵坐标表示不同的激光波长，图片都是在0°偏振白光下观察。从图中明显看到在相同偏振方向的白光下，不同激光波长以相同的激光功率写入的图案的颜色不相同。

在本实施例的效果请参考图8，将图案按照所需刻印的颜色不同拆分成不同的图片，每个图片设置相应的激光器参数，每个像素的间隔700nm，激光直写面积280微米×280微米。再按照设置的激光器参数通过所述的激光器直写装置写入图案。在0°偏振白光下观察图案呈现出丰富的颜色，在90°偏振白光下呈现的颜色与0°情况完全不同，具有明显的偏振敏感性。树叶中的脉络清晰可见，叶脉中最小间隔为700nm，接近光学衍射极限，实现超分辨显示。

实施例4

本发明还提供一种利用激光偏振态实现纳米光栅刻印的检测机构正交偏振分析仪，进行偏振态分辨率分析，请参阅图9，所述检测机构正交偏振分析仪包括第三自然光光源、第二可调起偏器53、第二可调检偏器51和第三观察装置52；将第三自然光光源照射的入射自然光经过第二可调起偏器53后调整为线偏振光，照射在激光刻印的图案上，反射光再经第二可调检偏器51通过第三观察装置52观察激光刻印图案，其中第二可调检偏器51的透光轴方向始终与第二可调起偏器53的透光轴方向垂直，组成一个正交偏振分析仪。纳米光栅对偏振光有调控作用，入射偏振白光与纳米光栅矢量方向平行和垂直时，反射光的偏振方向与入射光保持一致，具有保偏特性，因此反射光通过第二可调检偏器51后被滤掉；入射偏振白光与纳米光栅矢量方向呈45°方向夹角时，对偏振白光的调控作用最大，反射光的偏振方向向纳米光栅矢量方向旋转45°，而夹角小于45°时，对偏振光的旋转能力较弱，反射光偏振方向与入射光的偏振方向夹角小于45°，因此反射光通过检偏器后仍有光透过，可以观察到图案。利用纳米光栅对偏振白光的保偏和旋转特性，可以实现对特定偏振方向的激光写入图案的读出，可以得出偏振态的分辨率。

在本实施例的效果请参阅图10，字符“#Advanced materials#”中每个字母用一种激光偏振态写入，从左到右以此为0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°、90°、100°、110°、120°、130°、140°、150°、160°、170°、180°。以10°间隔改变起偏器的偏振方向，在正交偏振分析仪下观察图案以90°一个周期进行明暗变化。激光偏振态与起偏器的偏振方向平行和垂直时被完全滤掉，激光偏振态与起偏器的偏振方向呈10°夹角时可以明显观察到图案，实现了9种偏振态、10°的角分辨率，其中图案用0.5微米×0.5微米的像素写入，达到了0.5微米的空间分辨率，此外结合参考图7中3种激光波长写入3种颜色，因此在可以记录3×9种态，实现超高密度光存储。

本发明可以利用激光诱导纳米光栅制作超分辨图案，通过调节激光波长、功率、偏振方向改变纳米颗粒重塑强度和纳米光栅的取向，提出两种调节照明白光的偏振态实现颜色的调控的方法，实现对偏振的敏感感应，并得到的空间分辨率0.5微米的高分辨率、高饱和度颜色。形成的纳米光栅对反射光有偏振调控作用，利用纳米光栅对线偏振白光的保偏和旋转特性，可以在空间分辨率0.5微米的像素中识别角分辨率为10°的激光偏振态，实现超高密度光存储。相比于现有的SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅)刻蚀工艺，本申请的方案制作方法简单，不需要复杂的工艺。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。