一种利用飞秒激光加工金属氧化物纳米光栅的方法及系统
阅读说明：本技术 一种利用飞秒激光加工金属氧化物纳米光栅的方法及系统 (Method and system for processing metal oxide nano grating by femtosecond laser ) 是由 姜澜 闫剑锋 乔明 于 2021-08-17 设计创作，主要内容包括：本发明属于飞秒激光加工技术领域,具体而言,涉及一种利用飞秒激光加工金属氧化物纳米光栅的方法及系统。本发明利用高重频飞秒激光作用下金属的局部氧化实现金属氧化物纳米光栅的单线直写,依赖于已生成金属氧化物纳米线对后续光场的局域化效应实现相邻纳米线间隙小于光的衍射极限,进一步实现周期小于衍射极限的金属氧化物纳米光栅加工。本方法确定了加工金属氧化物纳米光栅所用飞秒激光的波长、重复频率、脉冲宽度、激光脉冲能量通量以及扫描速度和扫描间隙的范围。本发明方法与现有的加工方法相比可实现超衍射极限、光栅周期在纳米级范围内的灵活可调的纳米光栅加工。(The invention belongs to the technical field of femtosecond laser processing, and particularly relates to a method and a system for processing a metal oxide nano grating by using femtosecond laser. The invention realizes the single-line direct writing of the metal oxide nano-grating by utilizing the local oxidation of metal under the action of high repetition frequency femtosecond laser, realizes the gap between adjacent nanowires to be smaller than the diffraction limit of light by depending on the localization effect of the generated metal oxide nano-grating on a subsequent light field, and further realizes the processing of the metal oxide nano-grating with the period smaller than the diffraction limit. The method determines the wavelength, repetition frequency, pulse width, laser pulse energy flux, scanning speed and scanning gap range of femtosecond laser used for processing the metal oxide nanometer grating. Compared with the existing processing method, the method can realize the flexible and adjustable processing of the nano-grating with super diffraction limit and grating period in the nano-scale range.)
技术领域
本发明属于飞秒激光加工技术领域，具体而言，涉及一种利用飞秒激光加工金属氧化物纳米光栅的方法及系统。
背景技术
光栅是很多精密光学仪器的核心器件，由大量平行等宽、等距狭缝(刻线)组成。通常被用来实现色散分光功能。近年来，光栅的作用不再局限于光谱学领域，天文学、量子光学、光通讯等诸多领域都需要光栅的参与。这些新的应用也对光栅的精度、灵活性提出了更高的要求，特别是纳米光栅的加工变得越来越重要。传统的纳米光栅加工方法包括机械刻划、全息光刻等，但以上方法存在过程复杂、难以控制等缺点。
发明内容
本发明旨在至少一定程度上解决上述技术问题，基于发明人对一些事实和问题的发现和认识，飞秒激光是一种具有广泛应用前景的微纳加工方法，几乎可以对所有材料表面直接进行高精度的加工。利用飞秒激光直接烧蚀加工技术可以得到光栅结构，但由于光的衍射极限而使得两条相邻线容易发生重叠，因而无法用于纳米光栅的加工。
本发明的目的是提出一种利用飞秒激光加工金属氧化物纳米光栅的方法及系统，利用飞秒激光作用下金属在空气中的局部氧化实现金属氧化物纳米光栅的单线直写。接着在已生成金属氧化物纳米结构旁边加工与之平行的金属氧化物纳米结构，依赖于已生成金属氧化物纳米结构对后续光场的局域化效应，所得平行的金属氧化物纳米结构，它们之间的间隙可以小于光的衍射极限，进一步实现周期小于光的衍射极限的金属氧化物纳米光栅的加工。
本发明的第一方面，提出一种金属氧化物纳米光栅，所述纳米光栅为凸起结构。
本发明的第二方面，提出金属氧化物纳米光栅的加工系统，包括：
照明系统，用于对加工位置进行照明；
成像系统，用于使加工过程成像到计算机的显示器上；
加工光路，用于将飞秒激光脉冲聚焦到待加工金属片表面；
所述加工光路、所述照明系统在经过超快激光反射镜后重合，所述成像系统与所述照明系统在待加工金属片与半透半反镜之间重合；所述的二维扫描振镜和电控快门通过数据线与外接控制卡连接；
控制系统，用于加工过程中控制所述加工光路中的二维扫描振镜运动，实现纳米光栅的加工；所述的二维扫描振镜和电控快门通过数据线与外接控制卡连接，所述的外接控制卡、精密电控平移台通过数据线与计算机连接，构成控制系统。
飞秒激光是一种具有广泛应用前景的微纳加工方法，几乎可以对所有材料表面直接进行高精度的加工。本发明中提出的一种利用飞秒激光加工金属氧化物纳米光栅的系统利用中性密度衰减片可实现激光能量通量的精密调节、利用二维扫描振镜和高倍物镜的组合可以实现激光高度聚焦的同时实现聚焦光斑快速、精确地运动。此外，该系统兼具照明与成像功能，可以实现加工过程的实时监测。
在一个实施例中，所述照明系统中，照明光源发出的照明光依次通过半透半反镜、超快激光反射镜、二维扫描振镜、高倍物镜后照射到待加工金属片表面，构成照明系统。
在一个实施例中，所述成像系统中，所述的待加工金属片表面反射的照明光依次通过高倍物镜、二维扫描振镜、超快激光反射镜、半透半反镜和成像透镜后照射到相机上，最终通过数据线成像到计算机的显示器上，构成成像系统。
在一个实施例中，所述加工光路中，所述的高重频飞秒激光器出射的飞秒激光脉冲依次经过中性密度衰减片、电控快门、超快激光反射镜、二维扫描振镜和高倍物镜后聚焦到待加工金属片表面，构成加工光路。
本发明的第三方面，提出金属氧化物纳米光栅的加工方法，包括：
(1)搭建一个根据权利要求1所述的金属氧化物纳米光栅的加工系统，该系统中，照明光源发出的照明光依次通过半透半反镜、超快激光反射镜、二维扫描振镜、高倍物镜后照射到待加工金属片表面，构成照明系统；待加工金属片表面反射的照明光依次通过高倍物镜、二维扫描振镜、超快激光反射镜、半透半反镜和成像透镜后照射到相机上，最终通过数据线成像到计算机的显示器上，构成成像系统；高重频飞秒激光器出射的飞秒激光脉冲依次经过中性密度衰减片、电控快门、超快激光反射镜、二维扫描振镜和高倍物镜后聚焦到待加工金属片表面，构成加工光路；所述的加工光路、照明系统在经过超快激光反射镜后重合，成像系统与照明系统在待加工金属片与半透半反镜之间重合；二维扫描振镜和电控快门通过数据线与外接控制卡连接，所述的外接控制卡、精密电控平移台通过数据线与计算机连接，构成控制系统；
(2)将待加工金属片安装到所述控制系统的精密电控平移台上；
(3)打开所述照明系统的照明光源，使得照明光源发出的照明光依次通过由半透半反镜、超快激光反射镜、二维扫描振镜和高倍物镜组成的所述照明系统照射到待加工金属片表面；
(4)调节所述控制系统的精密电控平移台的高度，利用所述成像系统，使得待加工金属片表面反射的照明光依次通过高倍物镜、二维扫描振镜、超快激光反射镜、半透半反镜和成像透镜后照射到相机上，最终通过数据线成像到计算机的显示器上且图像清晰，实现对焦；
(5)打开高重频飞秒激光器，高重频飞秒激光器出射的飞秒激光脉冲依次经过中性密度衰减片、电控快门、超快激光反射镜、二维扫描振镜和高倍物镜后聚焦到待加工金属片表面，通过所述控制系统控制所述二维扫描振镜运动，实现聚焦光斑的逐行扫描，从而实现纳米光栅的加工。
利用飞秒激光直接烧蚀加工技术可以得到光栅结构，但由于光的衍射极限而使得所加工光栅的两条相邻线容易发生重叠。本发明提出利用飞秒激光加工金属氧化物纳米光栅的方法依赖于已生成金属氧化物纳米结构对后续光场的局域化效应实现了光栅周期小于激光衍射极限的纳米光栅加工，与传统的干涉法和激光诱导周期表面结构方法相比还可以实现光栅周期在纳米级范围内的灵活可调。
在一些实施例中，所述飞秒激光为线偏振光。
在一些实施例中，所述飞秒激光的波长为800nm～1064nm、重复频率为25kHz～80MHz、脉冲宽度为50fs～350fs。
在一些实施例中，所述飞秒激光的激光脉冲能量通量为0.25～0.5J/cm2。
在一些实施例中，所述聚焦光斑的逐行扫描为：聚焦光斑的运动方向与飞秒激光的偏振方向保持一致，聚焦光斑的扫描速度为0.1mm/s～10mm/s，扫描间隙l为300nm～1μm。
根据本发明的实施例中利用飞秒激光加工得到的金属氧化物纳米光栅，具有以下优点：
1、飞秒激光是一种具有广泛应用前景的微纳加工方法，几乎可以对所有材料表面直接进行高精度的加工，但由于光的衍射极限而使得两条相邻线容易发生重叠，因而无法用于纳米光栅的加工。本发明提出的方法依赖于已生成金属氧化物纳米结构对后续光场的局域化效应实现了光栅周期小于激光衍射极限的纳米光栅加工。
2、本发明方法与传统的干涉法和激光诱导周期表面结构方法相比可以实现光栅周期在纳米级范围内的灵活可调。
3、本发明提出了一种可用于在金属上加工金属氧化物纳米光栅的专用系统，可以实现金属氧化物纳米光栅的灵活、快速制备。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显然，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说，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是本发明一个实施例中提出的一种利用飞秒激光加工金属氧化物纳米光栅的系统示意图。
图1中，1是高重频飞秒激光器，2是中性密度衰减片，3是电控快门，4是超快激光反射镜，5是二维扫描振镜，6是高倍物镜，7是待加工金属片，8是精密电控平移台，9是外接控制卡，10是计算机，11是半透半反镜，12是照明光源，13是成像透镜，14是相机。
图2是本发明实施例1中所加工的金属氧化物纳米光栅及其加工过程示意图。
图2中，15是飞秒激光脉冲，16是激光光斑扫描路径，17-21是不同间隙的金属氧化物纳米光栅，l代表激光扫描间隙，Λ代表光栅周期。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明的一个实施例提出的金属氧化物纳米光栅，所述纳米光栅为凸起结构。
本发明的一个实施例提出的金属氧化物纳米光栅的加工系统，其系统示意图如图1所示，包括：
照明系统，用于对加工位置进行照明；照明光源12发出的照明光依次通过半透半反镜11、超快激光反射镜4、二维扫描振镜5、高倍物镜6后照射到待加工金属片7表面，构成照明系统；
成像系统，用于使加工过程成像到计算机的显示器上；所述的待加工金属片7表面反射的照明光依次通过高倍物镜6、二维扫描振镜5、超快激光反射镜4、半透半反镜11和成像透镜13后照射到相机14上，最终通过数据线成像到计算机的显示器上，构成成像系统；
加工光路，用于将飞秒激光脉冲聚焦到待加工金属片表面；所述的高重频飞秒激光器1出射的飞秒激光脉冲依次经过中性密度衰减片2、电控快门3、超快激光反射镜4、二维扫描振镜5和高倍物镜6后聚焦到待加工金属片7表面，构成加工光路；
所述加工光路、所述照明系统在经过超快激光反射镜后重合，所述成像系统与所述照明系统在待加工金属片与半透半反镜之间重合；所述的二维扫描振镜和电控快门通过数据线与外接控制卡连接；
控制系统，用于加工过程中控制所述加工光路中的二维扫描振镜运动，实现纳米光栅的加工；所述的二维扫描振镜和电控快门通过数据线与外接控制卡连接，所述的外接控制卡、精密电控平移台通过数据线与计算机连接，构成控制系统。
飞秒激光是一种具有广泛应用前景的微纳加工方法，几乎可以对所有材料表面直接进行高精度的加工。本发明中提出的一种利用飞秒激光加工金属氧化物纳米光栅的系统利用中性密度衰减片可实现激光能量通量的精密调节、利用二维扫描振镜和高倍物镜的组合可以实现激光高度聚焦的同时实现聚焦光斑快速、精确地运动。此外，该系统兼具照明与成像功能，可以实现加工过程的实时监测。
本发明的一个实施例提出的金属氧化物纳米光栅的加工方法，包括：
首先，构建一个如图1所示的加工系统，包括高重频飞秒激光器1、中性密度衰减片2、电控快门3、超快激光反射镜4、二维扫描振镜5、高倍物镜6、待加工金属片7、精密电控平移台8、外接控制卡9、计算机10、半透半反镜11、照明光源12、成像透镜13以及相机14。待加工金属片7置于所述的精密电控平移台8上；所述的照明光源12发出的照明光依次通过半透半反镜11、超快激光反射镜4、二维扫描振镜5、高倍物镜6后照射到待加工金属片7表面，构成照明系统；所述的待加工金属片7表面反射的照明光依次通过高倍物镜6、二维扫描振镜5、超快激光反射镜4、半透半反镜11和成像透镜13后照射到相机14上，最终通过数据线成像到计算机10的显示器上，构成成像系统；所述的高重频飞秒激光器1出射的飞秒激光脉冲依次经过中性密度衰减片2、电控快门3、超快激光反射镜4、二维扫描振镜5和高倍物镜6后聚焦到待加工金属片7表面，构成加工光路；所述的加工光路、照明系统在经过超快激光反射镜4后重合，成像系统与照明系统在待加工金属片7与半透半反镜11之间重合；所述的二维扫描振镜5和电控快门3通过数据线与外接控制卡9连接，所述的外接控制卡9、精密电控平移台8通过数据线与计算机10连接，构成控制系统。
在图1所示的系统上进行如下操作：
(1)样品的安装：
(1-1)将待加工金属片7安装到精密电控平移台8上；
(1-2)打开照明光源12，使得照明光源12发出的照明光通过由半透半反镜11、超快激光反射镜4、二维扫描振镜5和高倍物镜6组成的照明系统照射到待加工金属片7表面，通过调节精密电控平移台8的高度使得待加工金属片7表面反射的照明光依次通过高倍物镜6、二维扫描振镜5、超快激光反射镜4、半透半反镜11和成像透镜13后照射到相机14上，最终通过数据线成像到计算机10的显示器上且图像清晰，实现对焦；
(2)金属氧化物纳米光栅的加工：
(2-1)打开高重频飞秒激光器1，高重频飞秒激光器1出射的飞秒激光脉冲依次经过中性密度衰减片2、电控快门3、超快激光反射镜4、二维扫描振镜5和高倍物镜6后聚焦到待加工金属片7表面；所述的高重频飞秒激光的波长为800nm～1064nm、重复频率为25kHz～80MHz、脉冲宽度为50fs～350fs，且激光为线偏振光；通过调节中性密度衰减片2，使得激光脉冲能量通量为0.25～0.5J/cm2；
(2-2)通过控制系统控制二维扫描振镜5进行逐行扫描加工，扫描时聚焦光斑的运动方向与激光的偏振方向保持一致，扫描速度为0.1mm/s～10mm/s，扫描间隙l的范围是300nm～1μm，从而实现金属氧化物纳米光栅的加工，所述金属氧化物纳米光栅为凸起结构。
本发明利用高重频飞秒激光作用下金属的局部氧化实现金属氧化物纳米光栅的单线直写，依赖于已生成金属氧化物纳米线对后续光场的局域化效应实现相邻纳米线间隙小于光的衍射极限，进一步实现周期小于衍射极限的金属氧化物纳米光栅加工。本方法确定了加工金属氧化物纳米光栅所用飞秒激光的波长、重复频率、脉冲宽度、激光脉冲能量通量以及扫描速度和扫描间隙的范围。本发明方法与现有的加工方法相比可实现超衍射极限、光栅周期在纳米级范围内的灵活可调的纳米光栅加工。
利用飞秒激光直接烧蚀加工技术可以得到光栅结构，但由于光的衍射极限而使得所加工光栅的两条相邻线容易发生重叠。本发明提出利用飞秒激光加工金属氧化物纳米光栅的方法依赖于已生成金属氧化物纳米结构对后续光场的局域化效应实现了光栅周期小于激光衍射极限的纳米光栅加工，与传统的干涉法和激光诱导周期表面结构方法相比还可以实现光栅周期在纳米级范围内的灵活可调。
下面结合附图以及实施例对本发明做进一步介绍。
实施例1
本实施例中金属片7具体选定为金属钛片，所得金属氧化物纳米光栅具体是二氧化钛纳米光栅。
首先搭建如图1所示的利用飞秒激光加工金属氧化物纳米光栅的系统；
在图1所示的系统上进行如下操作：
(1)样品的安装：
(1-1)将待加工金属钛片7安装到精密电控平移台8上；
(1-2)打开照明光源12，使得照明光源12发出的照明光通过由半透半反镜11、超快激光反射镜4、二维扫描振镜5和高倍物镜6组成的照明系统照射到待加工金属钛片7表面，通过调节精密电控平移台8的高度使得待加工金属钛片7表面反射的照明光依次通过高倍物镜6、二维扫描振镜5、超快激光反射镜4、半透半反镜11和成像透镜13后照射到相机14上，最终通过数据线成像到计算机10的显示器上且图像清晰，实现对焦；
(2)二氧化钛纳米光栅的加工：
(2-1)打开高重频飞秒激光器1，高重频飞秒激光器1出射的飞秒激光脉冲15依次经过中性密度衰减片2、电控快门3、超快激光反射镜4、二维扫描振镜5和高倍物镜6后聚焦到待加工金属钛片7表面；本实施例中所采用的高重频飞秒激光的波长为800nm、重复频率为80MHz、脉冲宽度为50fs，且激光为线偏振光；通过调节中性密度衰减片2，使得激光脉冲能量通量为0.3J/cm2；
(2-2)通过控制系统控制二维扫描振镜5进行逐行扫描加工，扫描时聚焦光斑的运动方向与激光的偏振方向保持一致，扫描速度为5mm/s。在区域17-区域21的扫描间隙l分别设定为300nm、500nm、900nm、800nm和700nm，从而实现不同光栅周期Λ的二氧化钛纳米光栅加工，光栅周期Λ与所设定的扫描间隙l一致，所述二氧化钛纳米光栅为凸起结构。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
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