本發(fā)明涉及超快激光微納加工技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種玻璃與晶體交替排列的自組織周期性微納結(jié)構(gòu)的制備方法。

背景技術(shù)：

超快激光微納加工技術(shù)是一種利用脈寬極小，峰值能量極高的激光脈沖進行精密微納加工的先進制造技術(shù)。該技術(shù)主要通過強場激光與物質(zhì)的相互作用，誘發(fā)一系列物理化學(xué)反應(yīng)，同時利用材料對超快脈沖的非線性吸收，突破光學(xué)衍射極限，最終實現(xiàn)特征尺寸達到納米級的超精密光學(xué)微加工。

周期性微納結(jié)構(gòu)在光通訊、光存儲、光調(diào)控以及表面增強等諸多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，并在未來的量子計算、量子通信領(lǐng)域有極大的開發(fā)潛力。然而目前大多數(shù)周期性微納結(jié)構(gòu)都只能在物質(zhì)表面生成，透明介質(zhì)內(nèi)部的周期性微納結(jié)構(gòu)類型單一，加工效率較低，適合制備內(nèi)部微納周期結(jié)構(gòu)的介質(zhì)材料非常有限(仍然以石英玻璃為主)，難以適應(yīng)微納光子器件的功能化、集成化和日益增加的復(fù)雜性需求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種玻璃與晶體交替排列的自組織周期性微納結(jié)構(gòu)的制備方法，實現(xiàn)了一種偏振依賴的周期性微納結(jié)構(gòu)的高效率制備，拓展了可用于周期性微納結(jié)構(gòu)成形的功能材料。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下方法過程：

s1：利用懸浮法制備樣品，所述的樣品三元玻璃35la2o3-xta2o5-(65-x)nb2o5(5＜x＜45)或者35la2o3-xtio2-(65-x)nb2o5(30＜x＜60)，其中x表示摩爾百分比(mol.％)；

s2：將樣品固定在位移平臺上，超快激光器發(fā)出超快激光束，超快激光束經(jīng)快門、格蘭泰勒棱鏡和半波片照射到樣品上，并聚焦到樣品內(nèi)部；

s3：讓激光束靜態(tài)照射樣品一段時間，當(dāng)發(fā)現(xiàn)聚焦處樣品受超快激光束激發(fā)出現(xiàn)可見光時，開始照射時聚焦處樣品受超快激光束激發(fā)出現(xiàn)紅外光再逐漸變成可見光，然后啟動位移平臺，使樣品按照設(shè)定的路徑和運動參數(shù)相對于激光束做運動，在激光束的聚焦處誘導(dǎo)生成偏振依賴的周期性微納結(jié)構(gòu)。

通過光路系統(tǒng)中的快門來控制激光的通過與阻斷，通過光路系統(tǒng)中的格蘭泰勒棱鏡和半波片來控制激光束的偏振方向，通過光路系統(tǒng)中的光衰減器將激光束的平均功率調(diào)整為150-300mw。

位移平臺帶動樣品做平面掃描運動，使得激光束在樣品內(nèi)部的聚焦處相對于激光束做平面掃描運動。

通過位移平臺帶動樣品做不同的運動生成不同圖案的周期性微納結(jié)構(gòu)。

采用超快激光微納加工制造系統(tǒng)，超快激光微納加工制造系統(tǒng)包括計算機、超快激光器、快門、格蘭泰勒棱鏡、半波片、光衰減器、第一全反射鏡、第二全反射鏡、二向色鏡、物鏡、樣品、位移平臺、顯微照明器、第一偏振片、第二偏振片、目鏡和ccd相機；超快激光器的輸出超快激光束依次經(jīng)過快門、格蘭泰勒棱鏡、半波片、光衰減器后入射到第一全反射鏡，再依次經(jīng)第一全反射鏡、第二全反射鏡和二向色鏡的依次反射后通過物鏡照射到樣品并聚焦于樣品內(nèi)部；樣品固定置于位移平臺上，顯微照明器位于樣品下方，顯微照明器向上發(fā)出可見光束，可見光束經(jīng)第一偏振片入射到樣品，透過樣品的可見光束和超快激光束照射到樣品激發(fā)出的可見光一起經(jīng)二向色鏡透射，然后再依次經(jīng)第二偏振片、目鏡后入射到ccd相機被探測接收；同時計算機分別與超快激光器、快門、位移平臺、ccd相機的控制端口連接。

所述的樣品通過夾具固定在位移平臺上。

所述的第一偏振片和第二偏振片的偏振方向相垂直，由第一偏振片和第二偏振片構(gòu)成了交叉偏振片。

所述自組織周期性微納結(jié)構(gòu)在制備紅外光衰減器中的應(yīng)用。

本發(fā)明具有如下有益效果：

在制備樣品11時，將ta2o5和tio2加入到la2o3-nb2o5玻璃體系中，制成la2o3-ta2o5-nb2o5玻璃和la2o3-tio2-nb2o5玻璃，由于ta和ti元素的引入，使得樣品11的能力大大增強，讓la2o3-nb2o5玻璃體系具備了生成周期性微納結(jié)構(gòu)的能力。ta和ti元素的加入，還可以改善la2o3-nb2o5玻璃體系的熱穩(wěn)定性，提升了折射率，同時降低了色散。

本發(fā)明利用超快激光與物質(zhì)相互作用引發(fā)的非線性過程實現(xiàn)自組織微納結(jié)構(gòu)的制備，因此該制備過程能夠突破衍射極限，實現(xiàn)納米級加工，極大的提高了微結(jié)構(gòu)的成形精度。

本發(fā)明利用超快激光誘導(dǎo)la2o3-ta2o5-nb2o5和la2o3-tio2-nb2o5玻璃內(nèi)部選擇性析晶，并利用干涉場形成玻璃與晶體交替排列的周期性微納結(jié)構(gòu)，這種微納結(jié)構(gòu)是自組織生成的，不需要設(shè)計復(fù)雜的運動路徑，只需要位移平臺12做簡單的直線運動即可，極大簡化了制作工藝。

本發(fā)明能夠通過調(diào)節(jié)光路系統(tǒng)中的格蘭泰勒棱鏡4和半波片5來改變?nèi)肷浼す獾钠穹较颍M而改變自組織周期性微納結(jié)構(gòu)的慢軸取向，實現(xiàn)了微納結(jié)構(gòu)的外部控制，這種特性在光存儲中有潛在應(yīng)用。

本發(fā)明首次在la2o3-ta2o5-nb2o5和la2o3-tio2-nb2o5玻璃內(nèi)部生成了玻璃與晶體交替排列構(gòu)成的偏振依賴微納結(jié)構(gòu)，為未來功能微器件的制備提供了新材料和新工藝。

本發(fā)明所得的微納結(jié)構(gòu)可以用于制作紅外波段的微型光衰減器。衰減器尺寸可以做到直徑2mm以下，與目前成熟的鍍膜衰減器相比，尺寸可縮小50倍以上。該衰減器在近紅外波段(800-1550nm)的最高衰減率可達60％，并且可以通過多層加工進一步提升衰減率。本發(fā)明所得的玻璃-晶體周期排列微結(jié)構(gòu)，其物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，能夠承受870℃高溫，可用于高強度激光的衰減(目前可以承受6w飛秒激光照射)。同時，由于該結(jié)構(gòu)生成在玻璃基質(zhì)內(nèi)部，對外界的腐蝕，污染均不敏感，可用于惡劣環(huán)境下的光信號處理。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的總體構(gòu)成示意圖。

圖2是圖1中光路系統(tǒng)示意圖。

圖3是圖1中顯微觀察系統(tǒng)示意圖。

圖4是玻璃與晶體交替排列的自組織周期性微納結(jié)構(gòu)制備過程示意圖。

圖5是衰減器內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作方式示意圖

圖中：計算機1、超快激光器2、快門3、格蘭泰勒棱鏡4、半波片5、光衰減器6、第一全反射鏡7、第二全反射鏡8、二向色鏡9、物鏡10、樣品11、位移平臺12、顯微照明器13、第一偏振片14、第二偏振片15、目鏡16、ccd相機17、自組織周期性微納結(jié)構(gòu)18、超快激光束19，激光器20、衰減器21、功率計22。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作詳細(xì)描述。

本發(fā)明的周期性微納結(jié)構(gòu)的制備使用一種超快激光微納加工制造系統(tǒng)實現(xiàn)。如圖1所示，超快激光微納加工制造系統(tǒng)包括計算機、超快激光器、光路系統(tǒng)、顯微觀察系統(tǒng)和位移平臺。超快激光器與計算機連接，受計算機控制，用于輸出特定的激光脈沖；光路系統(tǒng)與超快激光器耦合，將超快激光聚焦到樣品內(nèi)部；顯微觀察系統(tǒng)與計算機連接，用于觀察樣品狀態(tài)和加工過程；位移平臺與計算機連接，受計算機控制，用于實現(xiàn)樣品的三維運動。超快激光微納加工制造系統(tǒng)在計算機的控制下，由超快激光器輸出一定參數(shù)的激光脈沖照射樣品內(nèi)部，同時樣品在位移平臺的帶動下做特定參數(shù)的相對運動，即可在玻璃內(nèi)部誘導(dǎo)生成玻璃與晶體交替排列的自組織周期性微納結(jié)構(gòu)。

如圖1所示，本發(fā)明具體實施采用超快激光微納加工制造系統(tǒng)，超快激光微納加工制造系統(tǒng)包括計算機1、超快激光器2、快門3、格蘭泰勒棱鏡4、半波片5、光衰減器6、第一全反射鏡7、第二全反射鏡8、二向色鏡9、物鏡10、樣品11、位移平臺12、顯微照明器13、第一偏振片14、第二偏振片15、目鏡16和ccd相機17；超快激光器2的輸出超快激光束依次經(jīng)過快門3、格蘭泰勒棱鏡4、半波片5、光衰減器6后入射到第一全反射鏡7，再依次經(jīng)第一全反射鏡7、第二全反射鏡8和二向色鏡9的依次反射后通過物鏡10照射到樣品11并聚焦于樣品11內(nèi)部；樣品11固定置于位移平臺12上，樣品11通過夾具固定在位移平臺12上，顯微照明器13位于樣品11下方，顯微照明器13向上發(fā)出可見光束，可見光束經(jīng)第一偏振片14入射到樣品11，透過樣品11的可見光束和超快激光束照射到樣品11激發(fā)出的可見光一起經(jīng)二向色鏡9透射，然后再依次經(jīng)第二偏振片15、目鏡16后入射到ccd相機17被探測接收；同時計算機1分別與超快激光器2、快門3、位移平臺12、ccd相機17的控制端口連接，由計算機1實現(xiàn)對超快激光器2發(fā)出超快激光束的激光參數(shù)的控制、快門3開閉的控制、位移平臺12的運動控制以及ccd相機17的采集拍攝控制，進而通過位移平臺12實現(xiàn)樣品11的三維移動。

第一偏振片14和第二偏振片15的偏振方向相垂直，由第一偏振片14和第二偏振片15構(gòu)成了交叉偏振片。

如圖2所示，光路系統(tǒng)主要由快門3、格蘭泰勒棱鏡4、半波片5、光衰減器6、第一全反射鏡7、第二全反射鏡8、二向色鏡9和物鏡10構(gòu)成；快門3的開閉用于控制超快激光束19的通過與截止，格蘭泰勒棱鏡4和半波片5用于控制超快激光束19的偏振方向，光衰減器6用于控制超快激光束19的功率，全反射鏡7-8用于將超快激光束19導(dǎo)向二向色鏡9，二向色鏡9用于反射超快激光束19而導(dǎo)入物鏡10并同時透射樣品11的可見光，以便顯微觀察系統(tǒng)接收圖像信號，物鏡10用于將超快激光束聚焦到樣品11內(nèi)部，實現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)的誘導(dǎo)制備，同時收集樣品11的光信號，以便顯微觀察系統(tǒng)接收。

如圖3所示，顯微觀察系統(tǒng)主要由顯微照明器13、第一偏振片14、第二偏振片15、目鏡16和ccd相機17構(gòu)成；顯微照明器13位于樣品11下方，向上照射樣品11。顯微照明器13用于提供可見光照射樣品11以便進行顯微觀察，第一偏振片14作為控制顯微照明器13發(fā)出可見光的起偏器；第二偏振片15作為檢偏器，由于周期性微納結(jié)構(gòu)能對光波進行調(diào)制，因此具有一些特殊的光學(xué)特征，如周期性雙折射，顯微觀察系統(tǒng)還可以通過交叉偏振片14-15檢測加工區(qū)域的雙折射信號，判斷是否有微納結(jié)構(gòu)生成。物鏡10用于收集樣品11的可見光，二向色鏡9用于通過可見光，目鏡16和ccd相機17用于收集可見光信號，計算機1與ccd相機相連，用于顯微圖像的顯示和處理。

本發(fā)明實施例如下：

實施例1：

步驟一：利用懸浮法制備樣品11，樣品11三元玻璃35la2o3-xta2o5-(65-x)nb2o5(5＜x＜45)，其中x表示摩爾百分比(mol.％)。

通過設(shè)置調(diào)節(jié)ta2o5或者tio2的摩爾百分比x，調(diào)整樣品11的析晶能力，x越大則樣品11的析晶能力越強，誘導(dǎo)生成微納結(jié)構(gòu)越容易，使用的加工速度就越快，但樣品11的制備會變得更加困難。本發(fā)明具體實施設(shè)置的ta2o5或者tio2的摩爾百分比x能夠很好地實現(xiàn)玻璃-晶體交替排列的周期性微納結(jié)構(gòu)的制備。

步驟二：將樣品11固定在位移平臺12上，通過顯微觀察系統(tǒng)找到適合加工的位置，確定其xyz三軸坐標(biāo)，以備后續(xù)設(shè)定運動參數(shù)。

步驟三：將加工路徑導(dǎo)入到計算機1中，具體加工路徑的運動參數(shù)為：設(shè)置加工速度1000-4000μm/s，加工深度30-60μm，制作特殊圖案時還可以設(shè)定運動路徑參數(shù)，如螺旋運動、往復(fù)運動和逐點跳躍等；

步驟四：將加工激光參數(shù)導(dǎo)入到計算機1中，具體激光參數(shù)為：設(shè)置平均功率為一個較大的初始值3000mw，以保證激光輸出的穩(wěn)定性，脈沖寬度1-4ps，重復(fù)頻率100-200khz；

步驟五：啟動超快激光器2，使超快激光束19沿著對稱中心線進入光路系統(tǒng)，通過光路系統(tǒng)中的快門3來控制超快激光束19的通過與阻斷，通過光路系統(tǒng)中的格蘭泰勒棱鏡4和半波片5來控制超快激光束19的偏振方向，通過光路系統(tǒng)中的光衰減器6，將超快激光束19實際加工的平均功率調(diào)整為150-300mw。超快激光束19通過光路系統(tǒng)中的反射鏡7-8，以及二向色鏡9，進入物鏡10，并通過物鏡10聚焦到樣品11內(nèi)部。

步驟六：讓激光束靜態(tài)照射樣品11一段時間，當(dāng)發(fā)現(xiàn)聚焦區(qū)域散射光突然增強時，即樣品11受超快激光束19激發(fā)出現(xiàn)可見光時，啟動位移平臺12，使樣品11按照設(shè)定的路徑和運動參數(shù)相對于激光束做運動，在超快激光束的聚焦處誘導(dǎo)生成偏振依賴的周期性微納結(jié)構(gòu)18。

周期性微納結(jié)構(gòu)為位于聚焦平面的周期分布的條形微納結(jié)構(gòu)。具體實施中如圖4可見，為多個條形結(jié)構(gòu)陣列周期排布的形態(tài)，多個條形結(jié)構(gòu)在同一聚焦平面上。

步驟七：加工生成后關(guān)閉激光束，開啟顯微觀察系統(tǒng)中的顯微照明器13，通過顯微觀察系統(tǒng)的ccd相機17觀察加工區(qū)域形貌，加工完成后，轉(zhuǎn)動兩片偏振片14-15，使兩片偏振片的偏振方向相互垂直形成交叉偏振片。透過ccd相機采集的圖像發(fā)現(xiàn)，其中出現(xiàn)了偏振依賴的周期性微納結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)偏振依賴的周期性雙折射現(xiàn)象，這說明有自組織周期性微納結(jié)構(gòu)18生成，該結(jié)構(gòu)具體形貌如圖4所示。

實施例2：

步驟一：利用懸浮法制備樣品11，樣品11三元玻璃35la2o3-xtio2-(65-x)nb2o5(30＜x＜60)，其中x表示摩爾百分比(mol.％)。

通過設(shè)置調(diào)節(jié)ta2o5或者tio2的摩爾百分比x，調(diào)整樣品11的析晶能力，x越大則樣品11的析晶能力越強，誘導(dǎo)生成微納結(jié)構(gòu)越容易，使用的加工速度就越快，但樣品11的制備會變得更加困難。本發(fā)明具體實施設(shè)置的ta2o5或者tio2的摩爾百分比x能夠很好地實現(xiàn)玻璃-晶體交替排列的周期性微納結(jié)構(gòu)的制備。

步驟二：將樣品11固定在位移平臺12上，通過顯微觀察系統(tǒng)找到適合加工的位置，確定其xyz三軸坐標(biāo)，以備后續(xù)設(shè)定運動參數(shù)。

步驟三：將加工路徑導(dǎo)入到計算機1中，具體加工路徑的運動參數(shù)為：設(shè)置加工速度1000-4000μm/s，加工深度30-60μm，制作特殊圖案時還可以設(shè)定運動路徑參數(shù)，如螺旋運動、往復(fù)運動和逐點跳躍等；

步驟四：將加工激光參數(shù)導(dǎo)入到計算機1中，具體激光參數(shù)為：設(shè)置平均功率為一個較大的初始值3000mw，以保證激光輸出的穩(wěn)定性，脈沖寬度1-4ps，重復(fù)頻率100-200khz；

步驟五：啟動超快激光器2，使超快激光束19沿著對稱中心線進入光路系統(tǒng)，通過光路系統(tǒng)中的快門3來控制超快激光束19的通過與阻斷，通過光路系統(tǒng)中的格蘭泰勒棱鏡4和半波片5來控制超快激光束19的偏振方向，通過光路系統(tǒng)中的光衰減器6，將超快激光束19實際加工的平均功率調(diào)整為150-300mw。超快激光束19通過光路系統(tǒng)中的反射鏡7-8，以及二向色鏡9，進入物鏡10，并通過物鏡10聚焦到樣品11內(nèi)部。

步驟六：讓激光束靜態(tài)照射樣品11一段時間，當(dāng)樣品11受超快激光束19激發(fā)出現(xiàn)可見光時，啟動位移平臺12，使樣品11按照設(shè)定的路徑和運動參數(shù)相對于激光束做運動，在超快激光束的聚焦處誘導(dǎo)生成偏振依賴的周期性微納結(jié)構(gòu)18。

周期性微納結(jié)構(gòu)為位于聚焦平面的周期分布的條形微納結(jié)構(gòu)。具體實施中如圖4可見，為多個條形結(jié)構(gòu)陣列周期排布的形態(tài)，多個條形結(jié)構(gòu)在同一聚焦平面上。

步驟七：加工生成后關(guān)閉激光束，開啟顯微觀察系統(tǒng)中的顯微照明器13，通過顯微觀察系統(tǒng)的ccd相機17觀察加工區(qū)域形貌，加工完成后，轉(zhuǎn)動兩片偏振片14-15，使兩片偏振片的偏振方向相互垂直形成交叉偏振片。透過ccd相機采集的圖像發(fā)現(xiàn)，其中出現(xiàn)了偏振依賴的周期性微納結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)偏振依賴的周期性雙折射現(xiàn)象，這說明有自組織周期性微納結(jié)構(gòu)18生成，該結(jié)構(gòu)具體形貌如圖4所示。

原來由于交叉偏振片的設(shè)置使得顯微照明器13發(fā)出的可見光束經(jīng)過交叉偏振片并不能透過，在ccd相機處并沒有任何光束的圖像采集；但是本發(fā)明技術(shù)方案下，由于玻璃內(nèi)部表面生長的自組織周期性微納結(jié)構(gòu)18能夠?qū)梢姽馐饔茫蛊淦窠嵌劝l(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而透過第二塊偏振片，使得在ccd相機處可以采集到超快激光加工區(qū)域的透出的光信號，并以此判斷微納結(jié)構(gòu)是否產(chǎn)生。

本發(fā)明在玻璃內(nèi)部的不均勻質(zhì)點或缺陷與入射光場相互作用產(chǎn)生等離子體波，等離子體波與后續(xù)輸入的光波發(fā)生干涉導(dǎo)致聚焦區(qū)域內(nèi)光場強度的周期性分布，進而導(dǎo)致激發(fā)等離子體密度的周期性分布，最終引起溫度場的周期性分布。

對于被加工材料11而言，溫度場的周期性分布將引發(fā)玻璃內(nèi)部的選擇性析晶，析晶區(qū)域與光場干涉花樣相吻合，同樣具有周期性。

由于這種析晶只發(fā)生在聚焦光斑中心處的非線性電離區(qū)域，因此可以突破光學(xué)衍射極限，使這種選擇性析晶具有納米級尺度，其方向取決于入射激光的偏振方向，在確定工藝參數(shù)下就可形成玻璃與晶體交替排列構(gòu)成的偏振依賴微納結(jié)構(gòu)。

如圖5所示，本發(fā)明所得的周期性微納結(jié)構(gòu)可以用于制作紅外波段的微型光衰減器21。制作時在樣品表面以下40微米處按間隔15-20微米掃描多條自組織周期性微納結(jié)構(gòu)18，構(gòu)成一個光柵陣列，當(dāng)激光器20發(fā)出的激光通過掃描線陣列時會發(fā)生衍射，其中零級衍射斑的功率會隨著激光偏振方向的變化而產(chǎn)生強弱交替的變化，這是由于周期性微納結(jié)構(gòu)對特定偏振方向的光選擇性反射和吸收所致，因此衰減器21能夠以很小的尺寸起到光衰減的作用。

對比例：

當(dāng)la2o3-nb2o5玻璃體系中ta2o5和tio2的含量過低或沒有時，玻璃的析晶能力大大降低，在超快激光的作用下只能產(chǎn)生局部區(qū)域的折射率變化，無法誘導(dǎo)周期性析晶形成規(guī)則的晶體-玻璃交替的周期性微納結(jié)構(gòu)，因此無法對光信號產(chǎn)生衰減作用。當(dāng)la2o3-nb2o5玻璃體系中ta2o5和tio2的含量過高時，三元體系析晶能力太強，懸浮熔煉后變成陶瓷，無法被制成玻璃，失去透明性，因此無法在內(nèi)部加工微納結(jié)構(gòu)。

目前成熟的商業(yè)化衰減器采用鍍膜反射原理進行光衰減，這種衰減器需要較大的尺寸以保證鍍膜厚度的連續(xù)均勻變化，難以做到小型化和集成化。同時鍍膜衰減器無法承受較高的能量輸入，用于紅外高功率激光的衰減時容易損壞。

本發(fā)明能實現(xiàn)用于紅外高功率激光衰減的周期性微納結(jié)構(gòu)的制備，并且實現(xiàn)了一種偏振依賴的周期性微納結(jié)構(gòu)的高效率制備，拓展了可用于周期性微納結(jié)構(gòu)成形的功能材料。