[发明专利]利用锥透镜实现硬脆材料纳米级小孔的加工系统及方法

说明书

本发明提供一种利用锥透镜实现硬脆材料纳米级小孔的加工系统及方法，解决现有利用锥透镜在硬脆性材料表面制备小孔时难以加工亚30nm以下小孔以及小孔结构均匀性较差的问题。本发明加工系统包括飞秒激光器、偏振控制模块、能量控制模块、锥透镜、准直镜、显微加工模块、控制系统、球透镜和光谱探测模块；偏振控制模块、能量控制模块、锥透镜、准直镜、显微加工模块沿飞秒激光器的出射光路依次设置，控制系统分别控制光谱探测模块、飞秒激光器和显微加工模块；光谱探测模块通过球透镜对纳米小孔的光散射信息进行采集，并将该信息反馈至控制系统，控制系统根据该信息对贝塞尔光针在硬脆材料中的位置进行精确补偿控制和修正。

技术领域

本发明属于激光加工领域，具体涉及一种利用锥透镜实现硬脆材料纳米级小孔的加工系统及方法，该系统和方法采用飞秒激光在硬脆性材料(石英玻璃、蓝宝石、金刚石等)上制备亚30nm小孔。

背景技术

飞秒激光三维微纳米加工技术是一种新型极端光场微纳米制造技术，该技术在航空、生物医学、新能源、国防、环境监测等领域纳米级高精密元器件的制备方面有着广泛的应用前景。飞秒激光与物质作用的非线性多光子电离机制，使得其加工的特征线宽可以小于光学衍射极限，即w1.22λ/D，其中λ为激光波长，D为出光口直径。

基于飞秒激光与有机材料作用的双光子聚合原理，飞秒脉冲可以在有机材料中实现空间超高分辨纳米加工，但是双光子聚合的材料局限于有机聚合物，使得材料的应用范围受到限制。然而，对于更具应用前景的工程硬脆性材料，如蓝宝石、碳化硅、金刚石等，则需飞秒激光刻蚀(Ablation)进行加工。由于硬质材料的硬度大、烧蚀阈值高，因此往往需要采用较大能量、高重复频率的飞秒激光脉冲实施加工，随着飞秒激光脉冲数增加，材料中的热累积和热扩散效应会愈来愈明显，严重影响飞秒激光刻蚀加工的分辨率、精度和表面形貌质量，使得当前飞秒激光在硬脆性材料上难以加工出特征尺寸小于100nm的复杂纳米结构。传统光刻技术是通过减小波长实现空间超高分辨的纳米加工(特征尺寸100nm)，由于紫外和深紫外光通常要在真空环境中传输，寻找适合该波段传输的光学材料非常困难，而且价格昂贵，导致光刻技术难度增加和成本大幅度提升。面对巨大的技术难度和成本压力，人们开始寻找一些“简单”新型的纳米加工方法。

近年来，人们提出了利用锥透镜空间整形原理产生非衍射贝塞尔飞秒激光束，从而在硬脆性材料表面制备了特征尺寸远远小于入射光波长的小孔阵列结构。由于锥透镜产生的贝塞尔光束本身具有非衍射特性，即贝塞尔光束可以在传播纵深方向形成非常细的光针，从而在材料内部进行大深宽比结构的加工制备。但是，利用锥透镜在硬脆性材料表面制备小孔时，存在以下问题：1)由于热效应存在，实现亚30nm小孔飞秒激光直写加工非常困难，难以实现亚30nm以下小孔的加工；2)在硬脆性材料表面制备小孔时，能量注入不稳定，导致加工小孔的结构均匀性较差。

发明内容

本发明的目的是解决现有利用锥透镜在硬脆性材料表面制备小孔时难以加工亚30nm以下小孔以及小孔结构均匀性较差的问题，提供一种利用锥透镜实现硬脆材料纳米级小孔的加工系统及方法，该系统和方法通过锥透镜将飞秒激光在空间上进行压缩整形，获得具有贝塞尔结构的空间光束，通过该光束与硬脆性材料作用的非线性效应可以获得大深宽比(20:1)的纳米通道结构。

为实现以上发明目的，本发明的技术解决方案为：