[发明专利]双波长飞秒激光制备二维周期金属颗粒阵列结构的方法

权利要求书

1.双波长飞秒激光制备二维周期金属颗粒阵列结构的方法，其特征在于该方法的具体步骤如下：

第一步，金属靶样品的制作和固定

将金属固体靶材料表面进行机械打磨和抛光后，用去离子水超声清洗干净得到金属靶样品，然后在空气环境中将金属靶样品固定在三维精密移动平台上，并通过计算机控制来实现对样品在空间三维（x-y-z）方向上的精密移动；

第二步，双波长飞秒激光的获取和传输

通过将激光器输出的飞秒激光脉冲垂直照射到BBO非线性晶体上，获得基频和倍频信号混合输出的双波长飞秒激光脉冲，然后将两者经过共线固定光路或者分路时间可变延迟光路的传输后，由同一聚焦元件以共线方式垂直照射在金属靶样品表面；

第三步，金属靶样品表面的调整

控制三维精密移动平台，使上述金属靶样品能够沿垂直和平行于激光光束的方向进行精密移动，同时调整金属靶样品表面倾斜度使金属靶样品加工表面在整个加工移动过程中始终与激光传播方向保持相互垂直；

第四步，聚焦元件焦点位置的确定

选择入射飞秒激光功率为10毫瓦，然后沿平行于光束传播的方向逐步移动样品，在金属靶样品表面形成系列烧蚀凹坑，并依据烧蚀凹坑尺寸的变化情况确定聚焦飞秒激光束的焦点位置；

第五步，金属靶样品表面的定位

调节三维精密移动平台使得金属靶样品表面从聚焦元件的焦点位置沿逆光束传播方向移动至焦点前方的300～600微米范围内；

第六步，二维周期阵列结构的制备

在保证双色飞秒激光脉冲均能经过聚焦元件照射到样品表面情况下，控制三维精密移动平台使得金属靶样品在垂直于光束方向的平面内进行二维移动扫描，并通过调节基频和倍频激光功率、偏振态、样品表面与焦点之间的距离，从而在金属靶样品表面制备出不同的二维周期颗粒阵列分布。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于从激光器输出并垂直入射到倍频晶体上激光信号为线偏振的飞秒激光脉冲。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于第二步所述获得双波长飞秒激光的具体方法是：基于BBO晶体的非线性倍频技术将激光器输出的飞秒激光脉冲转化为基频和倍频信号同时输出的双波长飞秒激光，并通过旋转BBO晶体的方位角来实现对双波激光偏振态的调控。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于第二步所述采用共线固定光路实现双波长飞秒激光传输和聚焦的具体方法是：从倍频晶体输出的双波长飞秒激光经二向色镜反射后获得不同程度的能量衰减，然后两者经同一光学元件聚焦后垂直照射在金属靶样品表面。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于第二步所述采用分路时间可变延迟光路获得双波长飞秒激光的方法是：

（1）基于迈克尔逊干涉仪原理，将激光器输出的飞秒激光脉冲分束后进入两个不同方向的时间延迟光路，其中一臂光路中通过采用BBO倍频晶体和光谱滤波技术使得仅有倍频飞秒激光输出，而另一臂光路保持原有入射飞秒激光的传输；另外，通过在每臂光路中放置衰减器来实现对双波长飞秒激光的能量调节；

（2）双波长飞秒激光经过两臂各自的时间可变延迟光路后，通过二向色镜合束后转化为时间上前后分离但在空间上共线的传输方式，并经过共同的光学元件聚焦照射在金属靶样品表面；

（3）调节两臂光路的可变光程延迟线系统，使得照射到金属靶样品表面的基频激光相对于倍频激光脉冲时间延迟范围约为-50皮秒<Δτ<260皮秒。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于第五步所述的金属靶样品移动扫描速度为0.005毫米/秒至0.4毫米/秒。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于在制备二维周期结构过程中，当双波长飞秒激光均为线偏振态时，所需的倍频与基频激光功率比值范围为1<γ<7；当倍频飞秒激光为线偏振而基频飞秒激光为椭圆偏振时，所需倍频与基频激光的功率比值范围约为0.8<γ<3；且可实现对颗粒阵列结构排列方向在±35°范围内的倾斜调控。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于在金属靶样品表面制备出的二维周期阵列结构实际上是由二个相互垂直方向的周期条纹在空间交叉组成形成，其中长周期变化范围为230～300纳米,短周期变化范围为580～640纳米，交叉形成的金属颗粒尺寸变化范围为200～500纳米。