[发明专利]一种利用飞秒激光进行纳米精度制备的方法

说明书

本发明公开了一种利用飞秒激光进行纳米精度制备的方法，属于激光加工技术领域，本发明利用飞秒激光多光子激发形成的初始损伤纳米孔作为种子结构并实时调控后续激光脉冲的能量和偏振态，使得种子结构附近产生均一、定向的光学近场增强最终实现加工材料的高精度去除。得益于近场光斑能量在空间中的高度局域化，我们利用800nm波长的飞秒激光脉冲实现了最细18nm线宽的加工精度，分辨率达波长的1/40。本发明利用飞秒激光进行纳米精度制备的方法不需要真空环境，具有良好的大气/溶液加工兼容性。且可通过并行沉积种子结构和光栅扫描相结合进行大面积周期微纳结构的快速印刷，能有效降低器件的制造成本，更适合工业化生产。

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，具体涉及利用飞秒激光多光子激发在材料表面产生的初始损伤纳米孔作为种子结构，以此来引导后续激光脉冲在种子结构附近产生的定向的局域化近场增强来对材料进行去除，以实现大气环境下的高精度激光纳米加工。

技术背景

现代纳米技术和量子技术的发展必须依靠高精度的微纳加工技术进行器件制备。当前仍在发展的新一代微纳制造手段，如电子束光刻(EBL)、聚焦离子束(FIB)虽能够提供较高的加工分辨率，但它们在工作时都需要极高的真空度来保证高能粒子的有效传播和会聚。这些技术对真空条件的严重依赖限制了其工艺流程、产率和成本，因此难以满足工业量产化的需求。飞秒激光作为一种新兴的光学加工技术具有在大气环境中对几乎所有材料表面进行低成本、快速微加工的能力，然而受限于聚焦光斑的衍射极限，其加工精度大多介于微米到数百纳米之间，从而难以满足大多数纳米技术所要求的精度。时至今日，如何提高飞秒激光表面材料去除的分辨率仍然是一个开放性的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是：提供一种利用飞秒激光进行纳米精度制备的方法。利用飞秒激光多光子激发形成的初始损伤纳米孔作为种子结构并实时调控后续激光脉冲的能量和偏振态，使得种子结构附近产生均一、定向的光学近场增强最终实现加工材料的高精度去除。得益于近场光斑能量在空间中的高度局域化，我们利用800nm波长的飞秒激光脉冲实现了最细18nm线宽的加工精度，分辨率达波长的1/40。

一种利用飞秒激光进行纳米精度制备的方法，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；