[发明专利]一种利用飞秒激光进行纳米精度制备的方法

权利要求书

1.一种利用飞秒激光进行纳米精度制备的方法，其特征在于，具体步骤如下：

(1)、样品的调平；

具体步骤为：首先将待加工样品固定到带有调节装置的移动台上；然后，打开加工光路中的光闸，激光被高倍物镜聚焦，通过调节移动台高度，使飞秒激光聚焦于加工样品的表面；然后，控制移动台沿样品片长轴方向水平运动2cm，通过调节移动台的调节装置，使移动台移动时激光焦点始终聚焦于样品表面和空气的交界面而不发生相对移动且光点在加工实时监控装置中呈现的形貌保持不变；然后，控制移动台沿样品片面短轴方向水平运动2cm，通过调节样品台的调节装置，使移动台移动时激光焦点始终聚焦于该交界面而不发生相对移动且光点在加工实时监控装置中呈现的形貌不变；此时，待加工样品台已调平；

(2)、初始种子结构的生成；

具体步骤为：首先，使激光器出射的飞秒激光经由凹透镜L₁和第一凸透镜L₂组成的扩束系统进行光斑扩束，后通过第一半波片H₁和第一格兰棱镜P₁组成的能量调控系统，而后依次经第一全反镜M₁和由第二格兰棱镜P₂、第二半波片H₂组成的偏振控制系统后，令光束垂直射入振镜；然后，经过振镜反射的光束会经过由第二凸透镜L₃及第三凸透镜L₄组成的4f系统，将射入振镜的光斑1：1投射到加工物镜前，并最终聚焦到待加工样品表面；选取激光单脉冲能量在材料损伤阈值E_th的100％～110％之间，并精确控制曝光时间使恰好有两个脉冲沉积到样品表面，即可完成种子结构的制备；

(3)、种子结构的弛豫和稳定；

具体步骤为：按步骤(2)完成初始种子结构的生成后，旋转能量控制系统中第一半波片H₁相对第一格兰棱镜P₁的角度，使得从第三个脉冲起的后续脉冲能量降低为材料损伤阈值E_th的60％～100％，以均匀化结构附近的近场能量分布；然后，将脉冲能量保持在该水平并通过控制曝光时间在种子结构上继续沉积4～16个脉冲，使得种子结构的形状在和激光相互作用的过程中不断弛豫并最终达到稳定状态，即种子形貌不再发生任何变化；

(4)、高精度二维图案激光直写；

具体步骤为：按步骤(3)完成种子结构的弛豫和稳定后，旋转偏振控制系统中的第二半波片H₂来调节射入物镜的激光偏振，从而改变种子结构处产生的近场增强的方向；通过计算机联合控制聚焦光斑的移动和激光偏振的旋转使脉冲偏振总是与预先设计的几何结构在局部垂直便可以实现动态的近场增强来实现任意给定二维图案的远场高分辨的激光直写，此时激光光斑的运动轨迹是同图案的轨迹相重合的；同时，通过调控激光脉冲能量在损伤阈值E_th的60％～110％之间，以及调控激光光斑的扫描速度在2μm/s～50μm/s间变化来调整聚焦光斑同烧蚀前沿的相对位置，进而调控近场光斑的宽度来实现从18nm～200nm的不同的直写线宽；

高精度周期性纳米沟槽的激光印刷：

具体步骤为：将激光脉冲的能量降低为材料损伤阈值的60％～100％之间，并令光斑沿着种子阵列的周期方向进行光栅扫描，同时利用偏振控制系统按照预设的纳米沟槽的形状来不断改变激光脉冲的偏振，使每一次扫描时的激光偏振都恰好与预设的纳米沟槽切线相互垂直，便可快速制备大面积的周期性纳米沟槽结构。

2.如权利要求1所述的一种利用飞秒激光进行纳米精度制备的方法，其特征在于，步骤(1)所述的加工实时监控装置为由CCD照相机、第四凸透镜L₅、照明光源以及第五凸透镜L₆所共同构成的显微成像系统。

3.如权利要求1所述的一种利用飞秒激光进行纳米精度制备的方法，其特征在于，步骤(2)所述飞秒激光器发射的激光得中心波长为800nm，脉宽为150fs，重复频率为1kHz；激光经过凹透镜L₁和第一凸透镜L₂扩束后光斑直径扩大2-4倍；激光加工所采用的物镜为数值孔径为0.8的平场消色差物镜，放大倍数为80倍。

4.如权利要求1所述的一种利用飞秒激光进行纳米精度制备的方法，其特征在于，步骤(2)所述的材料损伤阈值E_th可依据如下方式测量：调节入射激光的单脉冲能量为E₁,E₂,…,E_k,…,E_n来对材料表面进行单脉冲烧蚀，并在电子显微镜下测量相应烧蚀坑的直径D₁，D₂,…,D_k,…,D_n；通过公式D_k²＝2w₀²[ln(E_k)-ln(E_th)]来拟合烧蚀坑直径和单脉冲能量的关系，便可确定待定系数聚焦高斯光斑束腰w₀和材料损伤阈值E_th。