[发明专利]超短脉冲激光诱导自组装特性进行大面积光栅制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及光栅制作，特别是一种超短脉冲激光诱导自组装特性进行大面积光栅制作的方法。

背景技术

1965年，M.Birnbaum首次报道了在脉冲红宝石激光作用下半导体材料表面发生光栅样(具有明显的条纹特征)损伤图案的现象，后来这种现象被称为激光诱导周期性表面结构(Laser Induce Periodic Surface Structure，英文缩写为LIPSS)。从那时起，陆续在半导体、金属、电介质和聚合物等多种材料上进行了大量实验，结果表明激光诱导光栅类的图案是一个具有普遍性的一类物理现象。然而，经过近50年的发展，在光栅结构质量的控制问题上一直没有进展。因此，除了在材料改性、着色等方面的应用外，LIPSS仍然无法作为光栅器件的制作方法得到使用。

同时，大尺寸、特别是米级光学光栅的制作技术一直是一个技术挑战。增加光栅尺寸方面有两种途径：

1)利用拼接的方法将几块小光栅拼成一块大光栅，即机械拼接法；

2)用光学方法制造更大尺寸的单块大光栅

大尺寸全息光栅的制造方法目前主要有以LLNL(Lawrence Livermore National Laboratory，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室)为代表的单次曝光法，PGL(Plymouth Grating Laboratory)公司的扫描曝光(Scanning Beam Interference Lithography，扫描光束干涉光刻)以及曝光拼接方法。

目前关于大口径光栅的制造方法来看，单次曝光需要制作大口径、高质量的非球面准直镜，主要存在的问题是困难的加工技术和未知的时间代价；而用扫描曝光和曝光拼接方法制作大光栅，虽然避免了上述问题，但对基板和曝光光束相对位置的控制却提出了非常高的要求。曝光与测量系统的任何不稳定因素，都会引入拼接误差，影响大光栅的衍射波面。曝光拼接方法虽然在小尺度下得到了实验验证，但要拓展到大尺寸光栅的制作，还面临曝光波面的偏摆、基板面形、曝光像差和接缝等问题需要克服。因此，开展大面积光栅新制作技术的研究，对促进我国大面积光栅，特别是包括激光聚变脉压光栅的制作技术的发展具有积极意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超短脉冲激光诱导自组装特性进行大面积光栅制作方法，该方法通过对功能薄膜材料与激光处理方式的精心设计，使得在激光光斑辐照的直径范围内，会自发形成周期精度很高的光栅结构，且其光栅结构可以无缝、整齐地随着激光光斑的移动扫描进行大面积自发生长；

设计了一种进行多束脉冲激光并行处理方法以提高光栅的制作速度；利用化学方法和离子刻蚀方法使该光栅结构向石英玻璃衬底的转移，形成高质量光学光栅。这种方法可用于制作光学质量高、面积大的衍射光栅，甚至米级光栅。上述几个方面是紧密关联的；各步骤之间及其与光栅制作速度、质量之间也有着密切的关系：

1)不同的材料成分和膜层结构，有不同的LIPSS形成机制；反过来，不同的LIPSS的机制可以指导材料的设计、制备方法和脉冲激光对材料处理方式；

2)材料成分、膜层结构和成膜工艺的不同，以及脉冲激光对材料处理方式的不同，将影响表面光栅质量和光栅制造速度；

3)不同的材料成分、膜层结构和成膜工艺，光栅结构向石英玻璃衬底的转移方式也不完全一样；

4)当光栅结构向石英玻璃衬底转移后，光栅的光学质量、衍射效率和激光损伤阈值将会有显著提高；

5)在超短脉冲激光对薄膜材料的处理方式的研究基础上，采用斜行多光束并行材料处理方法，进一步提高光栅制造速度。

本发明的技术解决方案如下：

一种超短脉冲激光诱导自组装特性进行大面积光栅制作方法，其特征在于该方

法包括如下步骤：

①基板制备：选择钛、钨、锗、锑、碲或其混合物为制备用的功能材料，在石英玻璃衬底上采用真空镀膜方法依次制备反射膜、隔热膜和功能膜；所述的隔热膜采用ZnS、AlN或SiO₂膜，所述的反射膜采用目前使用的脉冲压缩光栅的多层介质膜；

②脉冲激光对薄膜进行处理，形成表面光栅结构；

③用多光束并行对光栅制作材料进行处理；

④表面光栅结构向石英玻璃衬底进行转移。

所述步骤②：

1)激光必须是线偏振光，在扫描时维持偏振面不变；光栅周期的波矢方向平行于偏振光的电场方向；

2)入射的脉冲激光峰值强度接近但低于功能薄膜的消融阈值；

3)光栅周期根据功能膜的成分与膜厚、入射激光的角度与波长来控制；