一種微米納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)的制備方法

一種微米納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種微米納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)的制備方法，將激光干涉技術(shù)與飛秒激光誘導(dǎo)準(zhǔn)周期納米結(jié)構(gòu)相結(jié)合，在傳統(tǒng)激光干涉技術(shù)制備周期結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上引入了飛秒激光誘導(dǎo)的準(zhǔn)周期納米結(jié)構(gòu)。由于飛秒激光誘導(dǎo)的納米結(jié)構(gòu)與激光偏振密切相關(guān)，通過(guò)改變四光束間的偏振狀態(tài)和能量，可以制備不同的微米納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)，技術(shù)實(shí)施方便快捷，制備時(shí)間短，彌補(bǔ)了現(xiàn)有激光干涉技術(shù)花樣單調(diào)，缺乏靈活性的不足。同時(shí)，由于干涉的特性，制得的微米納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)具有良好的周期性和均勻性，改進(jìn)了飛秒激光誘導(dǎo)準(zhǔn)周期納米結(jié)構(gòu)的缺陷。
【專利說(shuō)明】一種微米納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及超短脈沖微加工和多光束干涉【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種基于飛秒激光干涉技術(shù)的微米納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]激光干涉技術(shù)是制備周期性結(jié)構(gòu)的有效手段之一，并且由于其工藝簡(jiǎn)單并且成本低廉而得到了廣泛的應(yīng)用。激光干涉技術(shù)是將多束激光以一定的夾角入射到樣品上同一區(qū)域進(jìn)行相干，形成的強(qiáng)度分布圖樣刻印在光敏材料上，從而制備周期性結(jié)構(gòu)。通過(guò)改變光束數(shù)量以及光束間的排列方式能夠制備不同周期的規(guī)則二維、三維結(jié)構(gòu)。
[0003]現(xiàn)有激光干涉技術(shù)制備的周期結(jié)構(gòu)往往大于激光波長(zhǎng)，處于微米量級(jí)，不易得到納米量級(jí)的周期性結(jié)構(gòu)。同時(shí)，周期性結(jié)構(gòu)的排列位置僅由激光干涉的強(qiáng)度分布所決定。若要得到不同排列形狀的周期結(jié)構(gòu)，需要重新建立激光干涉系統(tǒng)以改變光束數(shù)量和空間位置。因此，激光干涉技術(shù)得到的周期結(jié)構(gòu)花樣單調(diào)，缺乏靈活性。
[0004]自2002年開始，飛秒激光照射某些半導(dǎo)體后，能夠在材料表面和內(nèi)部誘導(dǎo)尺度遠(yuǎn)小于激光波長(zhǎng)的準(zhǔn)周期納米結(jié)構(gòu)。激光偏振狀態(tài)決定了納米結(jié)構(gòu)的形狀，一般來(lái)說(shuō)，線偏振光誘導(dǎo)納米條紋結(jié)構(gòu)，且條紋方向與激光偏振方向垂直；圓偏振光誘導(dǎo)納米顆粒結(jié)構(gòu)。這一方法在材料改性上具有很大的應(yīng)用前景，通過(guò)這一方法已制備了吸收率極大增強(qiáng)的“黑硅”，在金屬表面制備條紋結(jié)構(gòu)得到各種有色金屬以及電導(dǎo)率增強(qiáng)的SiC半導(dǎo)體等。
[0005]然而，飛秒激光誘導(dǎo)的準(zhǔn)周期納米結(jié)構(gòu)與激光偏振相關(guān)，若想得到不同類型的納米花樣，需要不斷改變激光的偏振狀態(tài)，制備時(shí)間長(zhǎng)，所得結(jié)構(gòu)的周期性、均勻性較差。
[0006]因此，需要一種利用飛秒激光干涉技術(shù)制備嵌套型微米納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)的方法，以避免上述缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種微米納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)的制備方法，以解決傳統(tǒng)激光干涉技術(shù)中花樣單調(diào)、缺乏靈活性的問(wèn)題。
[0008]為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提出一種微米納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)的制備方法，包括以下步驟:
[0009]建立飛秒激光四光束干涉系統(tǒng)，使得所述飛秒激光四光束干涉系統(tǒng)產(chǎn)生的四束光的空間位置呈正方形排布，且最終出射后共焦和相互干涉；
[0010]提供用以制備不同的微米納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)的多個(gè)半導(dǎo)體樣品；
[0011]針對(duì)每個(gè)半導(dǎo)體樣品來(lái)改變所述四束光的偏振狀態(tài)和能量后，將相應(yīng)的半導(dǎo)體樣品放置在四束光的共焦處燒蝕，制備出相應(yīng)的微米納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)，每個(gè)微米納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)均包括干涉強(qiáng)度花樣決定的微米長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)和飛秒激光誘導(dǎo)的準(zhǔn)周期納米結(jié)構(gòu)。
[0012]進(jìn)一步的，所述飛秒激光四光束干涉系統(tǒng)包括:
[0013]光源(1)，用于產(chǎn)生飛秒激光脈沖；[0014]電子快門(2)，其開合時(shí)間決定照射的飛秒激光脈沖數(shù)；
[0015]第一半波片(3)和第一格蘭棱鏡(4)，用于調(diào)節(jié)穿過(guò)電子快門(2)的飛秒激光脈沖的能量和偏振方向；
[0016]第一分束片(5);用于對(duì)調(diào)節(jié)后的飛秒激光脈沖進(jìn)行第一分光，分成能量相同的反射光束E、透射光束F兩束光；
[0017]第二分束片(6)，用于對(duì)入射至的反射光束E進(jìn)行第二次分光，分為能量相同的反射光束A、透射光束C兩束光；
[0018]第一全反光鏡(7)、第一匯聚透鏡(8)和第二半波片(9)，用于將入射至的反射光束A反射、匯聚后照射在替代樣品(25)表面點(diǎn)O處；
[0019]第一延時(shí)光路系統(tǒng)(10)、第二全反光鏡(11)、第三全反光鏡(12)、第二匯聚透鏡
(13)和第三半波片(14)，用于將入射至的透射光束C延時(shí)、全反射、匯聚后照射在替代樣品(25)表面點(diǎn)O處共焦；
[0020]第三分束片(15)，用于對(duì)入射至的透射光束F進(jìn)行第二次分光，分為能量相同的反射光束B、透射光束D兩束光；
[0021]第二延時(shí)光路系統(tǒng)(16)、第四全反光鏡(17)、第五全反光鏡(18)、第三匯聚透鏡
(19)和第四半波片(20)，用于將入射至的反射光束B延時(shí)、全反射、匯聚后照射在替代樣品(25)表面點(diǎn)O處共焦；
[0022]第三延時(shí)光路系統(tǒng)(21)、第六全反光鏡(22)、第四匯聚透鏡(23)和第五波片
(24)，用于將入射至的透射光束D延時(shí)、反射、匯聚后照射在替代樣品(25)表面點(diǎn)O處共焦。
[0023]進(jìn)一步的，建立所述飛秒激光四光束干涉系統(tǒng)的步驟包括:
[0024]設(shè)置光源(I)、電子快門(2)、第一半波片(3)、第一格蘭棱鏡(4)、第一分束片(5)、第二分束片(6)、第一全反光鏡(7)、第一匯聚透鏡(8)、第二半波片(9)、第一延時(shí)光路系統(tǒng)(10)、第二全反光鏡(11)、第三全反光鏡(12)、第二匯聚透鏡(13)、第三半波片(14)、第三分束片(15)、第二延時(shí)光路系統(tǒng)(16)、第四全反光鏡(17)、第五全反光鏡(18)、第三匯聚透鏡(19)、第四半波片(20)、第三延時(shí)光路系統(tǒng)(21)、第六全反光鏡(22)、第四匯聚透鏡
(23)、第五波片(24)；
[0025]開啟光源(I)并控制電子快門(2)的開合時(shí)間調(diào)節(jié)飛秒激光的照射時(shí)間，即照射脈沖數(shù)；
[0026]調(diào)節(jié)第一格蘭棱鏡(4)確定主光路的光束偏振方向，旋轉(zhuǎn)第一半波片(3)調(diào)節(jié)主光路的脈沖能量；
[0027]調(diào)節(jié)第一全反光鏡(7)、第五全反光鏡(18)、第三全反光鏡(12)和第六全反光鏡
(22)，使反射光束A、反射光束B、透射光束C、反射光束D四束光呈正四邊形，且照在替代樣品(25)表面時(shí)重合于O處。
[0028]進(jìn)一步的，改變所述四束光間的偏振狀態(tài)以及能量的步驟包括:
[0029]調(diào)節(jié)第一半波片(3)使飛秒激光脈沖能量減小至替代樣品(25)的破壞閾值以下，觀察替代樣品(25)后和頻信號(hào)以判斷四光束脈沖在時(shí)域上的重合情況；
[0030]調(diào)節(jié)第一延時(shí)光路系統(tǒng)(10)、第二延時(shí)光路系統(tǒng)(16)和第三延時(shí)光路系統(tǒng)(21)使反射光束A、反射光束B、透射光束C、反射光束D四束光的飛秒脈沖同時(shí)到達(dá)替代樣品
(25)，即觀察到替代樣品(25)后和頻信號(hào)為最強(qiáng)。[0031]調(diào)節(jié)第二半波片(9)、第三半波片(14)、第四半波片(20)和第五波片(24)，調(diào)節(jié)四束光的偏振狀態(tài)；
[0032]在一定的偏振狀態(tài)情況下，調(diào)節(jié)電子快門(2)的開合時(shí)間以確定照射脈沖數(shù)，調(diào)節(jié)第一半波片(3)和第一格蘭棱鏡(4)的組合以確定四束光的能量大小。
[0033]進(jìn)一步的，所述替代樣品(25)為BBO晶體。
[0034]進(jìn)一步的，所述改變所述四束光的偏振狀態(tài)后，所述四束光的偏振方向相同且均為沿正四邊形的一組對(duì)邊的線偏振光時(shí)，制得的微米納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)包括正四邊形周期排布的燒蝕斑，每個(gè)燒蝕斑上嵌入有短周期的納米條紋。
[0035]進(jìn)一步的，所述改變所述四束光的偏振狀態(tài)后，所述四束光偏振方向兩兩相同且分別為平行于正四邊形的對(duì)角線方向的線偏振光時(shí)，制得的微米納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)包括帶有水平納米條紋的正四邊形二維微米-納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)和帶有豎直納米條紋的正四邊形二維微米-納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)，兩者相互嵌套，組成了嵌套型微米-納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)。
[0036]進(jìn)一步的，所述改變所述四束光的偏振狀態(tài)后，所述四束光中的三束光分別為平行于正四邊形的對(duì)角線方向的線偏振光，一束光為沿正四邊形的一條邊的線偏振光時(shí)，制得的微米納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)包括帶有水平納米條紋的正四邊形二維微米-納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)和帶有豎直納米條紋的正四邊形二維微米-納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)，兩者相互嵌套，組成了嵌套型微米-納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)，且?guī)в兴郊{米條紋的正四邊形二維微米-納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)相對(duì)帶有豎直納米條紋的正四邊形二維微米-納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度變?nèi)酢?br> [0037]進(jìn)一步的，所述改變所述四束光的偏振狀態(tài)后，所述四束光中的三束光分別為平行于正四邊形的對(duì)角線方向的線偏振光，一束光為圓偏振光時(shí)，制得的微米納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)包括帶有水平納米條紋的正四邊形二維微米-納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)和帶有豎直納米條紋的正四邊形二維微米-納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)，兩者相互嵌套，組成了嵌套型微米-納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)，且?guī)в兴郊{米條紋的正四邊形二維微米-納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)與帶有豎直納米條紋的正四邊形二維微米-納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)的位置相對(duì)靠近。
[0038]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的微米納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)的制備方法，將激光干涉技術(shù)與飛秒激光誘導(dǎo)準(zhǔn)周期納米結(jié)構(gòu)相結(jié)合，在傳統(tǒng)激光干涉技術(shù)制備周期結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上引入了飛秒激光誘導(dǎo)的準(zhǔn)周期納米結(jié)構(gòu)。由于飛秒激光誘導(dǎo)的納米結(jié)構(gòu)與激光偏振密切相關(guān)，通過(guò)改變四光束間的偏振狀態(tài)和能量，可以制備不同的微米納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)，技術(shù)實(shí)施方便快捷，制備時(shí)間短，彌補(bǔ)了現(xiàn)有激光干涉技術(shù)花樣單調(diào)，缺乏靈活性的不足。同時(shí)，由于干涉的特性，制得的微米納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)具有良好的周期性和均勻性，改進(jìn)了飛秒激光誘導(dǎo)準(zhǔn)周期納米結(jié)構(gòu)的缺陷。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0039]圖1是本發(fā)明具體實(shí)施例的微米納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)的制備方法流程圖；
[0040]圖2是本發(fā)明具體實(shí)施例的飛秒激光四光束干涉系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0041]圖3A至3D是本發(fā)明具體實(shí)施例的四種偏振狀態(tài)下制得的微米納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡效果圖。
[0042]其中，1、飛秒激光光源；2電子快門；3、第一半波片；9、第二半波片；14、第三半波片；20、第四半波片；4、第一格蘭棱鏡；5、第一分束片；6、第二分束片；15、第三分束片；7、第一全反光鏡；11、第二全反光鏡；12、第三全反光鏡；17、第四全反光鏡；18、第五全反光鏡；22、第六全反光鏡；8、第一匯聚透鏡；13、第二匯聚透鏡；19、第三匯聚透鏡；23、第四匯聚透鏡；10、第一延時(shí)光路系統(tǒng)；16、第二延時(shí)光路系統(tǒng)；21、第三延時(shí)光路系統(tǒng);24、第五波片；25、替代樣品；26、四光束的空間分布；反射光束A、B、E ;透射光束C、D、F。
【具體實(shí)施方式】
[0043]本發(fā)明的核心思想是公開一種微米納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)的制備方法，主要是建立飛秒激光四光束干涉系統(tǒng)，四束光的空間位置呈正方形排布。利用此系統(tǒng)燒蝕半導(dǎo)體樣品表面，制備微米納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)由兩部分組成:干涉強(qiáng)度花樣決定的微米長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)和飛秒激光誘導(dǎo)的準(zhǔn)周期納米結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步的，通過(guò)改變四光束的偏振狀態(tài)，可以對(duì)微米長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)和準(zhǔn)周期納米結(jié)構(gòu)相對(duì)強(qiáng)度和相對(duì)位置進(jìn)行操控，從而獲得不同花樣的微米納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)。
[0044]為使本發(fā)明的目的、特征更明顯易懂，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步的說(shuō)明，然而，本發(fā)明可以用不同的形式實(shí)現(xiàn)，不應(yīng)認(rèn)為只是局限在所述的實(shí)施例。
[0045]請(qǐng)參考圖1，本發(fā)明提出一種微米納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)的制備方法，包括以下步驟:
[0046]SI，建立飛秒激光四光束干涉系統(tǒng)，使得所述飛秒激光四光束干涉系統(tǒng)產(chǎn)生的四束光的空間位置呈正方形排布，且最終出射后共焦和相互干涉；
[0047]S2，提供用以制備不同的微米納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)的多個(gè)半導(dǎo)體樣品；
[0048]S3，針對(duì)每個(gè)半導(dǎo)體樣品來(lái)改變所述四束光的偏振狀態(tài)和能量后，將相應(yīng)的半導(dǎo)體樣品放置在四束光的共焦處燒蝕，制備出相應(yīng)的微米納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)，每個(gè)微米納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)均包括干涉強(qiáng)度花樣決定的微米長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)和飛秒激光誘導(dǎo)的準(zhǔn)周期納米結(jié)構(gòu)。
[0049]請(qǐng)參考圖2，在步驟SI中，建立的飛秒激光四光束干涉系統(tǒng)包括:
[0050]光源(I )，用于產(chǎn)生飛秒激光脈沖；
[0051]電子快門(2)，其開合時(shí)間決定照射的飛秒激光脈沖數(shù)；
[0052]第一半波片(3 )和第一格蘭棱鏡(4 )，用于調(diào)節(jié)穿過(guò)電子快門(2 )的飛秒激光脈沖的能量和偏振方向；
[0053]第一分束片(5);用于對(duì)調(diào)節(jié)后的飛秒激光脈沖進(jìn)行第一分光，分成能量相同的反射光束E、透射光束F兩束光；
[0054]第二分束片(6)，用于對(duì)入射至的反射光束E進(jìn)行第二次分光，分為能量相同的反射光束A、透射光束C兩束光；
[0055]第一全反光鏡(7)、第一匯聚透鏡(8)和第二半波片(9)，用于將入射至的反射光束A反射、匯聚后照射在替代樣品(25)表面點(diǎn)O處，所述替代樣品(25)即用于確定四束光的共焦，可以為BBO晶體；
[0056]第一延時(shí)光路系統(tǒng)(10)、第二全反光鏡(11)、第三全反光鏡(12)、第二匯聚透鏡
(13)和第三半波片(14)，用于將入射至的透射光束C延時(shí)、全反射、匯聚后照射在替代樣品
(25)表面點(diǎn)O處共焦；
[0057]第三分束片(15)，用于對(duì)入射至的透射光束F進(jìn)行第二次分光，分為能量相同的反射光束B、透射光束D兩束光；[0058]第二延時(shí)光路系統(tǒng)(16)、第四全反光鏡(17)、第五全反光鏡(18)、第三匯聚透鏡
(19)和第四半波片(20)，用于將入射至的反射光束B延時(shí)、全反射、匯聚后照射在替代樣品
(25)表面點(diǎn)O處共焦；
[0059]第三延時(shí)光路系統(tǒng)(21)、第六全反光鏡(22)、第四匯聚透鏡(23)和第五波片
(24)，用于將入射至的透射光束D延時(shí)、反射、匯聚后照射在替代樣品(25)表面點(diǎn)O處共焦。
[0060]因此，步驟S1:建立所述飛秒激光四光束干涉系統(tǒng)的過(guò)程包括:
[0061]設(shè)置光源(I)、電子快門(2)、第一半波片(3)、第一格蘭棱鏡(4)、第一分束片(5)、第二分束片(6)、第一全反光鏡(7)、第一匯聚透鏡(8)、第二半波片(9)、第一延時(shí)光路系統(tǒng)(10)、第二全反光鏡(11)、第三全反光鏡(12)、第二匯聚透鏡(13)、第三半波片(14)、第三分束片(15)、第二延時(shí)光路系統(tǒng)(16)、第四全反光鏡(17)、第五全反光鏡(18)、第三匯聚透鏡(19)、第四半波片(20)、第三延時(shí)光路系統(tǒng)(21)、第六全反光鏡(22)、第四匯聚透鏡
(23)、第五波片(24)；
[0062]開啟光源(I)并控制電子快門(2)的開合時(shí)間調(diào)節(jié)飛秒激光的照射時(shí)間，即照射脈沖數(shù)；
[0063]調(diào)節(jié)第一格蘭棱鏡(4)確定主光路的光束偏振方向，旋轉(zhuǎn)第一半波片(3)調(diào)節(jié)主光路的脈沖能量；
[0064]調(diào)節(jié)第一全反光鏡(7)、第五全反光鏡(18)、第三全反光鏡(12)和第六全反光鏡
(22)，使反射光束A、反射光束B、透射光束C、反射光束D四束光呈正四邊形，且照在替代樣品(25)表面時(shí)重合于O處，圖2中(26)顯不四光束A、B、C、D的空間分布以及四束光在樣品(25)上重合點(diǎn)O的空間位置，四光束呈正四邊形。
[0065]本實(shí)施例中，步驟S3實(shí)質(zhì)上是具體使用上述系統(tǒng)制備微米納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的過(guò)程，主要是調(diào)節(jié)第一全反光鏡(7)、第五全反光鏡(18)、第三全反光鏡(12)和第六全反光鏡
(22)，使四束光A、B、C、D在樣品表面重合。調(diào)節(jié)第二半波片(9)、第三半波片(14)、第四半波片(20)和第五波片(24)，改變四束光A、B、C、D的偏振狀態(tài)。在本步驟中，首先，調(diào)節(jié)第一半波片(3)使飛秒激光脈沖能量減小至替代樣品(25)的破壞閾值以下，觀察替代樣品(25)后和頻信號(hào)以判斷四光束脈沖在時(shí)域上的重合情況；然后，調(diào)節(jié)第一延時(shí)光路系統(tǒng)(10)、第二延時(shí)光路系統(tǒng)(16)和第三延時(shí)光路系統(tǒng)(21)使反射光束A、反射光束B、透射光束C、透射光束D四束光的飛秒脈沖同時(shí)到達(dá)替代樣品(25)，即觀察到替代樣品(25)后和頻信號(hào)為最強(qiáng)；接著，調(diào)節(jié)第二半波片(9)、第三半波片(14)、第四半波片(20)和第五波片(24)，設(shè)定四束光A、B、C、D的一種偏振狀態(tài)；然后，用一個(gè)半導(dǎo)體樣品替換所述替代樣品(25)，在設(shè)定好的偏振狀態(tài)情況下，調(diào)節(jié)電子快門(2)的開合時(shí)間以確定照射脈沖數(shù)，調(diào)節(jié)第一半波片
(3)和第一格蘭棱鏡(4)的組合以確定四束光A、B、C、D的能量大小，四束光A、B、C、D照射替換后的半導(dǎo)體樣品，即可以制得一種微米-納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)，該微米-納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)的微米長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)和準(zhǔn)周期納米結(jié)構(gòu)相對(duì)強(qiáng)度和相對(duì)位置取決于之前設(shè)定好的四束光
A、B、C、D的偏振狀態(tài)和能量。因此，可以設(shè)置四束光A、B、C、D的另一種偏振狀態(tài)和能量，即改變四束光A、B、C、D的偏振狀態(tài)和能量，以此制得另一種微米-納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)。
[0066]本實(shí)施例中以800nm、40fs，IkHz的鈦:藍(lán)寶石激光照射ZnO晶體為例，共設(shè)定了四種四束光的偏振狀態(tài)，獲得了四種微米-納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)。請(qǐng)參考圖3A至3D，圖3A至3D所示四束光A、B、C、D組合的四種偏振狀態(tài)下，飛秒激光四光束干涉照射ZnO晶體后制備的微米-納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡照片。任意一束光的能量密度及照射脈沖數(shù)如下:圖3A所示的情況中，0.036J/cm2，30個(gè)脈沖;圖3B所示的情況中，0.037J/cm2，40個(gè)脈沖；圖3C所示的情況中，0.035J/cm2，1000個(gè)脈沖；圖3D所示的情況中，0.04J/cm2，600個(gè)脈沖。各圖中左下角插圖為四束光A、B、C、D各自的偏振狀態(tài)。圖中黑色、白色虛線框分別表示帶有水平納米條紋、豎直納米條紋的兩套正四邊形二維微米-納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)。圖中標(biāo)尺為2 μ m。
[0067]圖3A中，所述四束光A、B、C、D的偏振方向相同且均為沿正四邊形的一組對(duì)邊的線偏振光，制得的微米-納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)為半導(dǎo)體樣品表面的正四邊形周期排布的燒蝕斑點(diǎn)(如圖中黑框所示)，這是由四光束干涉的強(qiáng)度分布引起的。每個(gè)燒蝕斑上嵌入有短周期的納米條紋，條紋周期約為200nm，條紋沿水平方向排列，與四束光A、B、C、D偏振方
向垂直。
[0068]圖3B中，所述四束光A、B、C、D的偏振方向(圖中雙箭頭所示)兩兩相同且分別為平行于正四邊形的對(duì)角線方向的線偏振光，即光束A、C偏振方向相同并同時(shí)平行于正四邊形的一條對(duì)角線，光束B、D偏振方向相同并同時(shí)平行于正四邊形的另一條對(duì)角線,制得的微米納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)包括帶有水平納米條紋的正四邊形二維微米-納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)(如圖中黑色虛線框所示)和帶有豎直納米條紋的正四邊形二維微米-納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)(如圖中白色虛線框所示)，兩者相互嵌套，組成了嵌套型微米-納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)，該嵌套型微米-納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)相對(duì)于圖3A中所示的微米-納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)有明顯區(qū)別，其納米條紋方向的改變是由四束光A、B、C、D的偏振狀態(tài)的變化所引起。
[0069]圖3C中，所述四束光A、B、C、D中的三束光分別為平行于正四邊形的對(duì)角線方向的線偏振光，一束光為沿正四邊形的一條邊的線偏振光，即光束A、B、C與圖3B中的三束光A、
B、C的偏振方向相同，光束D的偏振方向變化為沿正四邊形的一條邊，制得的微米-納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)包括帶有水平納米條紋的正四邊形二維微米-納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)(如圖中黑色虛線框所示)和帶有豎直納米條紋的正四邊形二維微米-納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)(如圖中白色虛線框所示)，兩者相互嵌套，組成了嵌套型微米-納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)，而且?guī)в兴郊{米條紋的正四邊形二維微米-納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)(如圖中黑色虛線框所示)強(qiáng)度相對(duì)圖3B中變?nèi)?，也可以說(shuō)是相對(duì)帶有豎直納米條紋的正四邊形二維微米-納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)(如圖中白色虛線框所示)的強(qiáng)度變?nèi)酢?br> [0070]圖3D中，所述四束光A、B、C、D中的三束光為分別為平行于正四邊形的對(duì)角線方向的線偏振光，一束光為圓偏振光，即光束A、B、C與圖3B中的三束光A、B、C的偏振方向，光束D的偏振方向變化為圓偏振，制得的微米-納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)包括帶有水平納米條紋的正四邊形二維微米-納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)(如圖中黑色虛線框所示)和帶有豎直納米條紋的正四邊形二維微米-納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)(如圖中白色虛線框所示)，兩者相互嵌套，組成了嵌套型微米-納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)，且相比圖3B和圖3C，帶有水平納米條紋的正四邊形二維微米-納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)與帶有豎直納米條紋的正四邊形二維微米-納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)的位置相對(duì)靠近。
[0071]由上可知，在步驟S3中改變四光束A、B、C、D各自的偏振狀態(tài)和能量，呈現(xiàn)出新的偏振組合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)兩套嵌套微米-納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)的相對(duì)強(qiáng)度和相對(duì)位置的調(diào)節(jié)，從而制得不同的微米-納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)，其中最簡(jiǎn)單的調(diào)整方式是:其中三束光的偏振狀態(tài)和能量不變，改變另一束光的偏振狀態(tài)和能量，呈現(xiàn)出新的偏振組合，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)兩套嵌套微米-納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)的相對(duì)強(qiáng)度和相對(duì)位置的調(diào)節(jié)，從而制得不同的微米-納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)。
[0072]綜上所述，本發(fā)明的微米納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)的制備方法，將激光干涉技術(shù)與飛秒激光誘導(dǎo)準(zhǔn)周期納米結(jié)構(gòu)相結(jié)合，在傳統(tǒng)激光干涉技術(shù)制備周期結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上引入了飛秒激光誘導(dǎo)的準(zhǔn)周期納米結(jié)構(gòu)。由于飛秒激光誘導(dǎo)的納米結(jié)構(gòu)與激光偏振密切相關(guān)，利用同一干涉裝置，通過(guò)簡(jiǎn)單地旋轉(zhuǎn)四光束光路中的波片，能夠制備嵌套型微米-納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)節(jié)四光束中一束光的偏振狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)嵌套型微米-納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)中兩套微米-納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)的相對(duì)強(qiáng)度以及相對(duì)位置的調(diào)節(jié)。因而，本技術(shù)實(shí)施時(shí)只需旋轉(zhuǎn)四光束光路中的波片調(diào)節(jié)光束偏振狀態(tài)，即可制備不同類型的復(fù)合周期結(jié)構(gòu)，技術(shù)實(shí)施方便快捷，彌補(bǔ)了現(xiàn)有激光干涉技術(shù)花樣單調(diào)，缺乏靈活性的不足，為激光納米加工、材料改性等研究提供了新的技術(shù)手段。
[0073]通過(guò)飛秒激光四光束干涉技術(shù)制備的嵌套型微米-納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)中，兩套復(fù)合周期結(jié)構(gòu)具備不同方向的納米條紋。同時(shí)，由于干涉的特性，兩套復(fù)合周期結(jié)構(gòu)具有良好的周期性和均勻性，改進(jìn)了飛秒激光誘導(dǎo)準(zhǔn)周期納米結(jié)構(gòu)的技術(shù)手段。并且通過(guò)簡(jiǎn)單地旋轉(zhuǎn)波片調(diào)節(jié)激光偏振狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)兩套復(fù)合周期結(jié)構(gòu)的操控，能夠根據(jù)需求設(shè)計(jì)、制備嵌套型微米-納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)。這是對(duì)微米-納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)的補(bǔ)充，拓展了這一結(jié)構(gòu)的應(yīng)用前景。
[0074]顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種微米納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 建立飛秒激光四光束干涉系統(tǒng)，使得所述飛秒激光四光束干涉系統(tǒng)產(chǎn)生的四束光的空間位置呈正方形排布，且最終出射后共焦和相互干涉； 提供用以制備不同的微米納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)的多個(gè)半導(dǎo)體樣品； 針對(duì)每個(gè)半導(dǎo)體樣品來(lái)改變所述四束光的偏振狀態(tài)和能量后，將相應(yīng)的半導(dǎo)體樣品放置在四束光的共焦處燒蝕，制備出相應(yīng)的微米納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)，每個(gè)微米納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)均包括干涉強(qiáng)度花樣決定的微米長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)和飛秒激光誘導(dǎo)的準(zhǔn)周期納米結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的微米納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述飛秒激光四光束干涉系統(tǒng)包括: 光源(1)，用于產(chǎn)生飛秒激光脈沖； 電子快門(2)，其開合時(shí)間決定照射的飛秒激光脈沖數(shù)； 第一半波片(3)和第一格蘭棱鏡(4)，用于調(diào)節(jié)穿過(guò)電子快門(2)的飛秒激光脈沖的能量和偏振方向； 第一分束片(5);用于對(duì)調(diào)節(jié)后的飛秒激光脈沖進(jìn)行第一分光，分成能量相同的反射光束E、透射光束F兩束光； 第二分束片(6)，用于對(duì)入射至的反射光束E進(jìn)行第二次分光，分為能量相同的反射光束A、透射光束C兩束光； 第一全反光鏡(7)、 第一匯聚透鏡(8)和第二半波片(9)，用于將入射至的反射光束A反射、匯聚后照射在替代樣品(25)表面點(diǎn)O處； 第一延時(shí)光路系統(tǒng)(10)、第二全反光鏡(11)、第三全反光鏡(12)、第二匯聚透鏡(13)和第三半波片(14)，用于將入射至的透射光束C延時(shí)、全反射、匯聚后照射在替代樣品(25)表面點(diǎn)O處共焦； 第三分束片(15)，用于對(duì)入射至的透射光束F進(jìn)行第二次分光，分為能量相同的反射光束B、透射光束D兩束光； 第二延時(shí)光路系統(tǒng)(16)、第四全反光鏡(17)、第五全反光鏡(18)、第三匯聚透鏡(19)和第四半波片(20)，用于將入射至的反射光束B延時(shí)、全反射、匯聚后照射在替代樣品(25)表面點(diǎn)O處共焦； 第三延時(shí)光路系統(tǒng)(21)、第六全反光鏡(22)、第四匯聚透鏡(23)和第五波片(24)，用于將入射至的透射光束D延時(shí)、反射、匯聚后照射在替代樣品(25)表面點(diǎn)O處共焦。
3.如權(quán)利要求2所述的微米納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，建立所述飛秒激光四光束干涉系統(tǒng)的步驟包括: 設(shè)置光源(I)、電子快門(2)、第一半波片(3)、第一格蘭棱鏡(4)、第一分束片(5)、第二分束片(6)、第一全反光鏡(7)、第一匯聚透鏡(8)、第二半波片(9)、第一延時(shí)光路系統(tǒng)(10)、第二全反光鏡(11)、第三全反光鏡(12)、第二匯聚透鏡(13)、第三半波片(14)、第三分束片(15)、第二延時(shí)光路系統(tǒng)(16)、第四全反光鏡(17)、第五全反光鏡(18)、第三匯聚透鏡(19)、第四半波片(20)、第三延時(shí)光路系統(tǒng)(21)、第六全反光鏡(22)、第四匯聚透鏡(23)、第五波片(24)； 開啟光源(I)并控制電子快門(2)的開合時(shí)間調(diào)節(jié)飛秒激光的照射時(shí)間，即照射脈沖數(shù)；調(diào)節(jié)第一格蘭棱鏡(4)確定主光路的光束偏振方向，旋轉(zhuǎn)第一半波片(3)調(diào)節(jié)主光路的脈沖能量； 調(diào)節(jié)第一全反光鏡(7)、第五全反光鏡(18)、第三全反光鏡(12)和第六全反光鏡(22),使反射光束A、反射光束B、透射光束C、反射光束D四束光呈正四邊形，且照在替代樣品(25)表面時(shí)重合于O處。
4.如權(quán)利要求3所述的微米納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，改變所述四束光間的偏振狀態(tài)以及能量的步驟包括: 調(diào)節(jié)第一半波片(3)使飛秒激光脈沖能量減小至替代樣品(25)的破壞閾值以下，觀察替代樣品(25)后和頻信號(hào)以判斷四光束脈沖在時(shí)域上的重合情況； 調(diào)節(jié)第一延時(shí)光路系統(tǒng)(10)、第二延時(shí)光路系統(tǒng)(16)和第三延時(shí)光路系統(tǒng)(21)使反射光束A、反射光束B、透射光束C、反射光束D四束光的飛秒脈沖同時(shí)到達(dá)替代樣品(25)，即觀察到替代樣品(25)后和頻信號(hào)為最強(qiáng)。 調(diào)節(jié)第二半波片(9)、第三半波片(14)、第四半波片(20)和第五波片(24)，調(diào)節(jié)四束光的偏振狀態(tài)； 在一定的偏振狀態(tài)情況下，調(diào)節(jié)電子快門(2)的開合時(shí)間以確定照射脈沖數(shù)，調(diào)節(jié)第一半波片(3)和第一格蘭棱鏡(4)的組合以確定四束光的能量大小。
5.如權(quán)利要求3或4所述的微米納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述替代樣品(25)為BBO晶體。
6.如權(quán)利要求1所述的微米納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述改變所述四束光的偏振狀態(tài)后，所述四束光的偏振方向相同且均為沿正四邊形的一組對(duì)邊的線偏振光時(shí)，制得的微米納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)包括正四邊形周期排布的燒蝕斑，每個(gè)燒蝕斑上嵌入有短周期的納米條紋。
7.如權(quán)利要求1所述的微米納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述改變所述四束光的偏振狀態(tài)后，所述四束光偏振方向兩兩相同且分別為平行于正四邊形的對(duì)角線方向的線偏振光時(shí)，制得的微米納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)包括帶有水平納米條紋的正四邊形二維微米-納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)和帶有豎直納米條紋的正四邊形二維微米-納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)，兩者相互嵌套，組成了嵌套型微米-納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)。
8.如權(quán)利要求7所述的微米納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述改變所述四束光的偏振狀態(tài)后，所述四束光中的三束光分別為平行于正四邊形的對(duì)角線方向的線偏振光，一束光為沿正四邊形的一條邊的線偏振光時(shí)，制得的微米納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)包括帶有水平納米條紋的正四邊形二維微米-納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)和帶有豎直納米條紋的正四邊形二維微米-納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)，兩者相互嵌套，組成了嵌套型微米-納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)，且?guī)в兴郊{米條紋的正四邊形二維微米-納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)相對(duì)帶有豎直納米條紋的正四邊形二維微米-納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度變?nèi)酢?br> 9.如權(quán)利要求8所述的微米納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述改變所述四束光的偏振狀態(tài)后，所述四束光中的三束光分別為平行于正四邊形的對(duì)角線方向的線偏振光，一束光為圓偏振光時(shí)，制得的微米納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)包括帶有水平納米條紋的正四邊形二維微米-納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)和帶有豎直納米條紋的正四邊形二維微米-納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)，兩者相互嵌套，組成了嵌套型微米-納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)，且?guī)в兴郊{米條紋的正四邊形二維微米-納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)與帶有豎直納米條紋的正四邊形二維微米-納米復(fù)合周期結(jié)構(gòu)的 位置相對(duì)靠近。
【文檔編號(hào)】B23K26/36GK103447693SQ201310303765
【公開日】2013年12月18日 申請(qǐng)日期:2013年7月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月18日
【發(fā)明者】賈鑫 申請(qǐng)人:上海電機(jī)學(xué)院