本發(fā)明屬于飛秒激光微納加工領(lǐng)域，涉及一種基于飛秒激光的菲涅爾波帶片陣列制作方法及其在微納加工中的應(yīng)用。

背景技術(shù)：

根據(jù)北京大學(xué)出版社1984年出版的《光學(xué)》上冊(cè)(作者：趙凱華、鐘錫華)一書第202-206頁(yè)介紹，菲涅爾波帶片具有與透鏡相似的聚焦特性，它可以使光聚焦起來(lái)，而與透鏡不同的是菲涅爾波帶片除主焦點(diǎn)外還有很多次焦點(diǎn)。據(jù)美國(guó)“Optical Society of America”1991年出版的《OPTICS LETTERS》(Vol.16,No.12,June 1991,p931-933)報(bào)道,A.Marrakchi等人在空間光調(diào)制器中加載可編程的菲涅爾波帶片陣列圖案，光經(jīng)過該空間光調(diào)制器并傳播一段距離后產(chǎn)生了相干的點(diǎn)陣列。利用菲涅爾波帶片陣列把飛秒激光聚焦成點(diǎn)陣列這個(gè)性質(zhì)，我們可以通過菲涅爾波帶片陣列并行加工微納結(jié)構(gòu)，這樣使得加工效率高、操作方便以及加工結(jié)構(gòu)具有非常好的靈活性。

經(jīng)相關(guān)資料查詢，有幾篇文獻(xiàn)報(bào)道了利用飛秒激光直接燒蝕單個(gè)菲涅爾波帶片，例如，據(jù)美國(guó)“Optical Society ofAmerica”2002年出版的《OPTICS EXPRESS》(Vol.10,No.19,September 2002,p978-983)報(bào)道，WataruWatanabe等人利用飛秒激光脈沖在石英玻璃上加工了單個(gè)菲涅爾波帶片；2011年激光與光電子學(xué)國(guó)際會(huì)議(CLEO:2011-Laser Science to Photonic Applications，文章題為“Fabrication of binary Fresnel lenses in PMMAby femtosecond laser micromachining”)報(bào)道，R.

Martínez Vázquez等人利用飛秒激光在PMMA材料上燒蝕單個(gè)菲涅爾波帶片。

但利用飛秒激光在透明材料表面直接燒蝕菲涅爾波帶片陣列，目前尚未發(fā)現(xiàn)相關(guān)報(bào)道。

對(duì)于利用菲涅爾波帶片陣列加工微納結(jié)構(gòu)，有文獻(xiàn)報(bào)道了利用空間光調(diào)制器生成的菲涅爾波帶片陣列加工微納結(jié)構(gòu)，例如，據(jù)美國(guó)“Optical Society ofAmerica”2006年出版的《OPTICS LETTERS》(Vol.31,No.11,June 2006,p1705-1707)報(bào)道,Satoshi Hasegawa等人在空間光調(diào)制器中加載由多個(gè)相位菲涅爾透鏡組成的圖案，而后飛秒激光經(jīng)過該空間光調(diào)制器后在載玻片上燒蝕了多個(gè)孔陣列結(jié)構(gòu)。但是空間光調(diào)制器不能承受很高的功率，而玻璃等透明材料介質(zhì)能承受很高的功率，所以對(duì)于利用在玻璃等透明材料上燒蝕的菲涅爾波帶片并行加工微納結(jié)構(gòu)，其對(duì)飛秒激光的能量利用效率更高，并且能同時(shí)加工更多的微納結(jié)構(gòu)。目前尚未發(fā)現(xiàn)相關(guān)文獻(xiàn)利用飛秒激光直接燒蝕的菲涅爾波帶片陣列來(lái)并行加工微結(jié)構(gòu)的報(bào)導(dǎo)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的是解決微納加工的效率低下以及微納結(jié)構(gòu)加工過程復(fù)雜等問題，提供一種基于飛秒激光的菲涅爾波帶片陣列制作方法及其在微納加工中的應(yīng)用。

技術(shù)方案：

一種基于飛秒激光的菲涅爾波帶片陣列的制作方法，該方法的制作步驟如下：飛秒激光(1)經(jīng)緊聚焦后在透明介質(zhì)材料表面上直接燒蝕孔結(jié)構(gòu)，同時(shí)利用三維移動(dòng)平臺(tái)(4)移動(dòng)透明介質(zhì)材料，使得燒蝕的位置沿菲涅爾波帶片的奇數(shù)或偶數(shù)環(huán)帶結(jié)構(gòu)內(nèi)的同心圓軌跡移動(dòng)，從而在透明介質(zhì)材料表面燒蝕單個(gè)菲涅爾波帶片結(jié)構(gòu)；然后通過二維電控平移臺(tái)(5)對(duì)透明介質(zhì)材料進(jìn)行移動(dòng)，根據(jù)給定的空間排列方式加工出菲涅爾波帶片陣列。

所述的透明介質(zhì)材料為兩面拋光的透明介質(zhì)薄片。所述的透明介質(zhì)薄片包括熔融石英玻璃、BK7玻璃或鈮酸鋰晶體，但不僅限于這幾種材料。

本發(fā)明同時(shí)提供了所述的菲涅爾波帶片陣列在直接加工微納結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，該應(yīng)用方法包括：飛秒激光(1)經(jīng)所述的菲涅爾波帶片陣列(2)后聚焦成多焦斑陣列，該多焦斑陣列在待加工樣品表面上直接燒蝕多孔結(jié)構(gòu)，通過三維移動(dòng)平臺(tái)控制待加工樣品(3)按預(yù)定軌跡移動(dòng)得到所需圖形的微納結(jié)構(gòu)陣列。

所述的待加工樣品包括金屬膜、半導(dǎo)體、透明介質(zhì)或金屬材料。

所加工的微納結(jié)構(gòu)陳列為各種圖形的陣列結(jié)構(gòu)，包括長(zhǎng)方形陣列結(jié)構(gòu)、圓形陣列結(jié)構(gòu)或橢圓形陣列結(jié)構(gòu)。

原理說(shuō)明：

為了高效率地加工微結(jié)構(gòu)，我們加工了由多個(gè)相同的菲涅爾波帶片按一定規(guī)律排列的菲涅爾波帶片陣列(2)，并利用該陣列把飛秒激光(1)聚焦成由多個(gè)光斑組成的焦斑陣列；為了簡(jiǎn)單快速地加工微結(jié)構(gòu)，我們直接利用該光斑陣列在材料表面(3)燒蝕微結(jié)構(gòu)。而對(duì)于菲涅爾波帶片陣列中的單個(gè)菲涅爾波帶片，它是由多個(gè)環(huán)帶結(jié)構(gòu)組成的，其中相鄰兩環(huán)帶(奇數(shù)環(huán)帶和偶數(shù)環(huán)帶)的相位或振幅不一樣，而每個(gè)環(huán)的半徑ρ_n(表示依次序從內(nèi)到外第n個(gè)環(huán)的半徑，本發(fā)明中n＝56)可表示為：

${\mathrm{\ρ}}_n=\sqrt{n}{\mathrm{\ρ}}_1---\left(1\right)$

則其主焦距為f＝ρ₁²/λ(其中λ為入射光波長(zhǎng)，ρ₁為第一個(gè)環(huán)帶的內(nèi)環(huán)半徑)，數(shù)值孔徑NA＝ρ_N/f(ρ_N為波帶片最外環(huán)半徑)。因此在波帶片最外環(huán)尺寸(有效通光孔徑)一定情況下，當(dāng)?shù)谝画h(huán)帶半徑越小時(shí)，波帶片的環(huán)帶數(shù)越多，焦距越小，數(shù)值孔徑越大，則其主焦斑尺寸就越小。

我們加工波帶片的方法主要是通過顯微物鏡把飛秒激光脈沖聚焦到透明介質(zhì)材料表面后，控制飛秒激光脈沖的能量和開關(guān)對(duì)透明介質(zhì)材料表面進(jìn)行燒蝕(把材料去除)，同時(shí)通過三維移動(dòng)平臺(tái)(4)控制樣品按圓形軌道移動(dòng)，其圓形軌道半徑處于偶數(shù)或奇數(shù)環(huán)帶半徑內(nèi)，且在每個(gè)環(huán)帶內(nèi)每相鄰兩個(gè)圓形軌道半徑之間距離為300nm左右。

通過二維電控平移臺(tái)(5)控制透明介質(zhì)材料的移動(dòng)，使飛秒激光在透明介質(zhì)材料表面的不同位置加工多個(gè)按一定規(guī)律排列的菲涅爾波帶片，這些波帶片構(gòu)成菲涅爾波帶片陣列，例如圖2所示的四方對(duì)稱排列方式的菲涅爾波帶片陣列。飛秒激光經(jīng)過準(zhǔn)直、縮束后入射到菲涅爾波帶片陣列被聚焦成由多個(gè)焦斑組成的光斑陣列，該光斑陣列排列方式與所使用的菲涅爾波帶片陣列排列方式相同，若這些光斑陣列位于樣品表面上，在入射飛秒激光脈沖能量足夠強(qiáng)的情況下會(huì)對(duì)樣品表面進(jìn)行燒蝕，則在樣品表面得到孔陣列。如果在飛秒激光脈沖經(jīng)菲涅爾波帶片陣列對(duì)樣品表面進(jìn)行燒蝕，同時(shí)通過三維移動(dòng)平臺(tái)(4)控制樣品按一定軌跡移動(dòng)，則可在樣品表面得到多個(gè)按一定規(guī)律(該規(guī)律與菲涅爾波帶片陣列排列規(guī)律相同)排列的圖形陣列，例如圖3所示的四方對(duì)稱排列方式的矩形陣列圖案。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果

(1)由于該方法為并行加工即同時(shí)加工多個(gè)結(jié)構(gòu)，因此加工效率高；

(2)該加工方法所需器件少，操作過程簡(jiǎn)單；

(3)與光刻相比，該方法的加工過程無(wú)需其他輔助材料和工藝過程，并且對(duì)環(huán)境無(wú)污染，無(wú)有害物質(zhì)排放。

(4)由于可靈活設(shè)計(jì)不同的菲涅爾波帶片參數(shù)(例如環(huán)帶數(shù)、第一個(gè)環(huán)的半徑、波帶片的尺寸)和各種波帶片排列方式的菲涅爾波帶片陣列，以及通過移動(dòng)平臺(tái)來(lái)控制樣品的移動(dòng)來(lái)加工各種微結(jié)構(gòu)，因此該方法具有非常好的靈活性。

附圖說(shuō)明

圖1是基于菲涅爾透鏡陣列的飛秒激光并行直接加工方法示意圖，1為入射飛秒激光脈沖，2為菲涅爾波帶片陣列，3為待加工的樣品，4為三維移動(dòng)平臺(tái)(精度高但移動(dòng)范圍小)，5為二維電控平移臺(tái)(精度較低但移動(dòng)范圍大)。

圖2是由25個(gè)菲涅爾波帶片以四方對(duì)稱排列方式組合而成的菲涅爾波帶片陣列示意圖。

圖3是長(zhǎng)方形陣列圖案示意圖。

圖4是利用飛秒激光脈沖在玻璃上直接燒蝕的菲涅爾波帶片陣列光學(xué)顯微圖，其中每個(gè)菲涅爾波帶片的直徑為200nm；其中，(a)為原圖，(b)為(a)中白色虛線框內(nèi)放大后的單個(gè)菲涅爾波帶片光學(xué)顯微圖。

圖5是利用菲涅爾波帶片在銅膜上直接燒蝕的矩形陣列圖，整個(gè)圖尺寸為1mm×1mm。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，應(yīng)當(dāng)指出，但本發(fā)明并不局限于這些實(shí)施例。

實(shí)施例1、菲涅爾波帶片陳列制作

為了加工如圖2所示的菲涅爾波帶片陣列。首先，我們利用數(shù)值孔徑為0.75的顯微物鏡把飛秒激光脈沖(來(lái)自于相干公司的飛秒激光，其中心波長(zhǎng)800nm，脈沖重復(fù)頻率為1kHz,單個(gè)脈沖寬度為35fs)聚焦到BK7玻璃片表面(垂直于入射光的兩表面被拋光)。其次，通過三維移動(dòng)平臺(tái)(PI公司生產(chǎn)的，型號(hào)為P-562.3CD)控制玻璃片按照我們所需的軌跡移動(dòng)即在菲涅爾波帶片的偶數(shù)環(huán)帶內(nèi)沿同心圓形軌跡移動(dòng)，且在每個(gè)環(huán)帶內(nèi)相鄰兩個(gè)圓形軌道半徑之間距離為300nm左右，使得聚焦后的飛秒激光焦斑在菲涅爾偶數(shù)環(huán)帶結(jié)構(gòu)內(nèi)對(duì)玻璃表面進(jìn)行燒蝕，得到了如圖4(b)所示的單個(gè)菲涅爾波帶片。圖4(b)所示的飛秒激光燒蝕的菲涅爾波帶片直徑為200nm，被加工的環(huán)帶數(shù)為28個(gè)，且第一個(gè)環(huán)帶的內(nèi)環(huán)半徑ρ₁為13.36μm。最后，通過二維電控平臺(tái)(來(lái)自于北京卓立漢光儀器有限公司的兩個(gè)型號(hào)為PSA-100-11-x的一維電控平移臺(tái)組合而成的)控制玻璃片的移動(dòng)，加工了如圖4(a)所示的按四方對(duì)稱緊密排列的5×5菲涅爾波帶片陣列。

實(shí)施例2、加工微結(jié)構(gòu)

如圖1所示，我們把飛秒激光脈沖1經(jīng)準(zhǔn)直、縮束(光斑直徑由8mm變?yōu)?.6mm)后，并垂直入射到菲涅爾波帶片陣列2上(如圖4(a)所示)。垂直入射到菲涅爾波帶片陣列的飛秒激光聚焦成多個(gè)焦斑，該焦斑入射到待加工的樣品(銅膜)3上。通過改變?nèi)肷涞娘w秒激光的脈沖能量，使其達(dá)到銅膜的燒蝕閾值，從而把銅膜去除，同時(shí)通過移動(dòng)三維樣品臺(tái)4使待加工樣品按長(zhǎng)方形軌跡移動(dòng)，得到如圖5所示的矩形陣列圖案。