[发明专利]一种宽束飞秒激光双脉冲制备亚波长金属光栅的方法

说明书

本发明公开了一种宽束飞秒激光双脉冲制备亚波长金属光栅的方法，飞秒激光光源输出加工光源，经过扩束、能量调节后进入双脉冲产生装置，双脉冲产生装置输出空间上共线传输、时间上延迟、偏振方向相互垂直的飞秒激光双脉冲，经过空间聚焦后照射到待加工金属表面制备亚波长金属光栅。该方法不但可以实现大面积亚波长金属光栅的高效可控制备，而且无需精密机械件、无掩膜、无化学腐蚀剂、加工环境宽松；整个制备过程简单易操作，并且因为是非接触式加工，可以有效避免应力对金属样品表面的二次破坏；采用该方法制备形成的表面结构在空间排列上更加规整和均匀，激光光斑照射范围大、制备效率高。

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种宽束飞秒激光双脉冲制备亚波长金属光栅的方法。

背景技术

光栅作为分析光谱信息、调控光线传输性能、探测光学电磁场性质的重要的工具，在国防、生活的各个方面都有举足轻重的影响。相较于传统光栅，亚波长金属光栅在光学传输性能方面具有很多独特之处，其响应光谱宽、透射率与消光比高、偏振相关性好，已成为未来最具潜力的光学元件。通常，亚波长量级的金属光栅是光谱仪、单色仪、激光器等设备中的核心元件。此外因全金属型光栅元件具有良好的耐压、抗高温、不易损伤等特点，可以在多种极端环境下正常使用，极大地提高了仪器和设备的稳定性，在光电探测、偏振成像、光学传感等领域具有广泛的应用前景。

考虑到亚波长金属光栅作为构成先进仪器设备的重要元器件，人们已对其制备方法进行了广泛而深入的研究。目前较为成熟的制备方法包括：机械刻划、电子束刻蚀、极紫外光刻和纳米压印等，然而这些制备方法都存在各自的局限性，严重限制了亚波长金属光栅的进一步发展。另外，机械刻划机、电子束刻蚀系统等价格高昂，维护费用高，且对加工材料、环境要求苛刻，存在加工成本过高和耗时等问题；而采用光刻、压印方法制备亚波长金属光栅的操作过程复杂，需要进行掩膜处理和使用多种化学刻蚀剂、抗蚀剂等，制备过程中容易产生大量环境污染物，并且存在制备效率低等问题。相较于上述传统的亚波长金属光栅制备方法，飞秒激光因具有峰值功率高、热影响区小等特点而成为制备亚波长结构的新型工具。其中，基于飞秒激光诱导产生(准)周期性表面结构的方法和机理已被众多学者广泛研究。总结来说，通过控制入射飞秒激光的空间强度分布、时间特性、能量密度、脉冲数目和偏振方向等参数，可以改变材料表面亚波长结构的周期、形状和深度。然而，目前利用飞秒激光在金属表面制备形成亚波长量级的(准)周期结构大都集中在单个入射光束经物镜或其它球面光学元件获得空间紧聚焦的情况下发生，其中明显存在聚焦光斑辐照区域小、大面积制备效率低、表面结构分布不均匀和规整性差等问题，特别是在金属钨这种高熔点、高硬度材料表面开展大面积亚波长光栅快速制备的实例还没有成功实现。综上所述，飞秒激光应用于大面积高质量亚波长金属光栅高效制备领域依然存在诸多困难。

发明内容

本发明旨在克服现有飞秒激光在金属表面制备形成亚波长光栅存在聚焦光斑辐照区域小、大面积制备效率低、表面结构分布不均匀和规整性差等问题，特别是在金属钨这种高熔点、高硬度材料表面开展大面积亚波长光栅快速制备的实例还没有成功实现。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种宽束飞秒激光双脉冲制备亚波长金属光栅的方法，包括以下步骤：

S1、飞秒激光光源输出加工光源，入射进入光学扩束装置；

S2、所述光学扩束装置对所述加工光源进行扩束，扩束后的光源入射进入能量调节装置；

S3、所述能量调节装置对扩束后的光源进行能量调节，能量调节后的光源入射进入双脉冲产生装置；

S4、所述双脉冲产生装置输出空间上共线传输、时间上延迟、偏振方向相互垂直的飞秒激光双脉冲，所述飞秒激光双脉冲入射进入光束线聚焦装置；