[发明专利]大面积二维金属光子晶体结构的飞秒激光直写制备方法

权利要求书

1.大面积二维金属光子晶体结构的飞秒激光直写制备方法，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，用去离子水中超声清洗干净得到预加工样品，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，同色交叉偏振时间延迟双脉冲飞秒激光的获取

通过将激光器输出的飞秒激光脉冲垂直照射到光学双折射晶体YVO₄上，产生具有皮秒时间延迟和线偏振方向相互垂直的同色双脉冲飞秒激光，且两者在空间上属于共线传输；

第三步，双脉冲飞秒激光的线聚焦

将第二步获得的在空间上共线传输且具有交叉线偏振和皮秒时间延迟的双脉冲飞秒激光经由同一平凸柱透镜聚焦元件聚焦，垂直照射在金属靶样品表面，焦点处的光斑沿柱透镜母线方向呈线状分布；

第四步，金属靶样品表面的调整

控制三维精密移动平台，使金属靶样品能够沿垂直和平行于激光光束的方向精密移动，同时调整金属靶样品表面，使金属靶面在整个加工移动过程中始终与入射激光方向保持相互垂直；

第五步，光学聚焦元件焦点位置的确定

将入射飞秒激光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线，并依据烧蚀凹线尺寸的变化情况确定聚焦飞秒激光束的焦点位置；

第六步，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0～300微米范围内；

第七步，二维周期光子晶体结构的制备

在保证双脉冲飞秒激光均能经过聚焦元件共线照射到样品表面的情况下，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，最小移动精度为1微米,并通过调节两束激光脉冲的功率、偏振态、样品表面与焦点之间的距离以及平移台的移动速度，在金属靶样品表面制备出两种类型的二维亚微米量级的周期性阵列结构。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于第二步所述同色交叉偏振时间延迟双脉冲飞秒激光获取的具体方法是：基于YVO₄晶体的光学双折射效应，将激光器输出的每一个飞秒激光脉冲转化为两个具有皮秒时间延迟的同色双脉冲飞秒激光，两者的不同功率配比通过旋转YVO₄晶体的方位角来实现；当晶体光轴与入射飞秒激光偏振方向平行或垂直时，即方位角为0°或90°时，出射光仍然保持为单个线偏振飞秒激光脉冲；而当方位角为0°或90°以外的其他角度时，则出射光为在空间上共线传输但偏振方向相互垂直的双脉冲飞秒激光；所有提供的图片所对应双折射晶体YVO₄能够造成飞秒激光双脉冲具有皮秒量级的时间延迟；当采用双折射晶体的几何通光厚度不同时，由于双脉冲飞秒激光在晶体中经历的有效光程发生变化，因此使得它们之间的时间延迟也发生相应改变。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于垂直入射到YVO₄晶体上的飞秒激光的脉冲宽度为50飞秒、中心波长为800纳米、脉冲重复频率1000赫兹、光束为线偏振；而从YVO₄晶体产生的同色交叉偏振飞秒激光双脉冲在空间上共线传输，其特征参数为中心波长800纳米、两者的线偏振方向随晶体方位角旋转而发生变化，但始终保持相互垂直。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于第三步所述双脉冲飞秒激光线聚焦的实现方法是：采用熔石英平凸柱透镜将具有皮秒时间延迟和交叉线偏振双脉冲飞秒激光进行聚焦，并使得聚焦光斑呈现线状分布，从而能够在样品表面实现一步式大面积加工制备微结构。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于所述金属靶样品为钨或钼材料。

6.根据权利要求1至4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4中任一项所述的方法，其特征在于制备二维圆点状周期结构和三角形阵列结构所需的窗口条件为双折射晶体方位角位于44°～56°和124°～136°范围内。

8.根据权利要求7中所述的方法，其特征在于在金属靶样品表面制备出二维金属光子晶体结构，其中圆点状周期结构的空间相邻圆点结构排列的周期为560纳米，单元结构的直径和高度分别为320纳米和160纳米；而三角形陈列结构的边长为370纳米，相邻两个三角形组成类菱形的周期结构单元，该单元结构沿边长所在直线与相邻单元之间的周期为760纳米。