[发明专利]基于局部离子注入实现电子状态调控的飞秒激光加工方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种飞秒激光加工方法，特别涉及一种基于局部离子注入实现电子状态调控的飞秒激光加工方法，属于飞秒激光应用技术领域。

背景技术

微型化是国防、生物、医疗、环境、信息等领域的普遍发展方向。许多微结构都是跨越纳米、微米尺度的跨尺度。飞秒激光因灵活、无污染、无接触、非线性吸收等特点成为理想的微/纳米制造工具之一，但存在跨尺度加工时质量和效率难以兼顾的瓶颈问题。目前人们通过调节飞秒激光的空间及时间能量分布，调控激光光子与材料电子的瞬时局部作用，有效地提高了飞秒激光加工质量与效率，但这些手段都仅考虑了作为加工工具的激光光场的调节。

除了作为加工工具的激光光场，通过改变加工对象的物性也能极大影响光子的吸收及材料的相变，从而影响加工质量与效率。通过改变玻璃、晶体、陶瓷、聚合物等宽禁带的材料的物理性质，其对光子可以产生吸收增强的效果，并提高烧蚀效率。但是目前主要的材料改性方法一方面难以精确地调节被加工区域的物理性质和其与激光相互作用时的电子状态，另一方面不能够控制材料改性区域的空间位置，所以在应用上存在限制。

而离子注入作为材料改性方法的一种，近年来在光学领域逐步得到了应用。在文献Y.Takeda,J.P.Zhao,C.G.Lee,V.T.Gritsyna,and N.Kishimoto:Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B:Beam Interactions with Materials and Atoms.166,877-881(2000)中，作者对熔融石英和α-石英进行了Cu^-离子注入，并观测到了注入后样片对某些波长段光吸收的增强，但是目前并没有研究将这种光吸收增强的性质应用于飞秒激光加工效率的提高当中。

发明内容

本发明的目的是为解决克服飞秒激光加工宽禁带材料时加工效率有限，传统的材料改性方法不能精确调节激光加工中的电子状态，并且会改变材料整体物理性质的问题，提出了一种基于局部离子注入实现电子状态调控的飞秒激光加工方法。该方法使用高能聚焦离子注入技术和精确设计的掩模板或光刻胶掩模，完成对目标区域的局部离子注入，并通过精确调节离子的种类、浓度和分布，控制目标区域形成的纳米团簇的形态，从而调控其在与激光相互作用时的电子状态，实现对材料高效率、选择性加工的目的。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于局部离子注入实现电子状态调控的飞秒激光加工方法，该方法包括以下步骤：

(1)覆盖待加工材料，只暴露出待加工区域；

所述覆盖待加工材料可以使用掩模板或光刻胶掩模覆盖；

(2)对待加工区域进行离子注入；

所述离子注入的离子种类根据飞秒激光波长及注入后纳米颗粒的表面等离子体共振吸收峰选定；

所述离子注入的其他参数根据需要的纳米形态进行精确控制；

所述离子注入的其他参数包括注入能量，注入电流和注入剂量；

所述离子注入需要在真空环境中进行；

所述离子注入在注入离子前需要先将待加工材料用夹具固定在底座上；

较优的夹具和底座要用金属导热材料制成；

(3)去除掩模；

(4)将待加工材料固定于平台上；

所述平台应满足固定于其上的物品可以沿横向、纵向和垂直方向自由移动；

(5)调整光路，移动平台，使激光精确对焦到需加工位置；

(6)将飞秒激光器发出的飞秒脉冲波长精确调节到与注入后形成的纳米颗粒的表面等离子体共振吸收峰相同；

所述飞秒脉冲波长如果不能精确调节到所需要的波长，可以使用光学参量放大器调节；

(7)通过光开关控制激光曝光时间和脉冲个数，并通过移动平台完成目标区域加工；

所述光开关可以使用光学快门；

所述加工，在加工过程中可以借助电荷耦合元件图像传感器(CCD)设备实时观测加工表面的状况；

有益效果：

该发明方法将会在飞秒激光微纳制造领域中得到很好的应用，若技术成熟且应用于生产，将会大幅度提高飞秒激光对材料的加工效率，产生巨大的经济效益。

附图说明