[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

摘要

大面积二维金属光子晶体结构的飞秒激光直写制备方法。本发明提出基于双折射晶体的分光技术获得的共线传输、交叉偏振和具有皮秒时间延迟的同波长双脉冲飞秒激光，通过平凸柱透镜聚焦在金属表面一步式大面积制备形成特征尺寸为亚微米量级周期性分布的二维光子晶体结构的方法和实验装置。二维周期结构图案可通过改变入射激光能量和脉冲数目、以及双折射晶体的厚度和方位角等进行有效调控。本发明利用两束飞秒激光脉冲不同线偏振方向和可变延迟时间特性以及柱透镜聚焦的组合设计，方便快捷地实现在大面积范围内二维金属光子晶体结构的制备。本发明提出的交叉偏振可变时间延迟的双脉冲飞秒激光制备新方法在材料微纳米加工制备领域有着潜在的重要应用。

主权项

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，在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预加工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三维精密移动平台的移动速度，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。