賈 鑫

(上海電機(jī)學(xué)院 數(shù)理教學(xué)部, 上海 201306)

由于納米電子學(xué)、光子晶體及生物芯片等領(lǐng)域的快速發(fā)展，表面微-納米結(jié)構(gòu)制備已受到了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。材料表面結(jié)構(gòu)制備改善材料性質(zhì)也進(jìn)一步拓寬了其應(yīng)用方向，如改善材料的摩擦系數(shù)[1]、防水性[2]、粘性[3]等。目前，已發(fā)展了多種技術(shù)手段制備不同的表面微-納米結(jié)構(gòu)，諸如機(jī)械加工、化學(xué)腐蝕、離子束刻蝕及激光刻蝕等。由于激光刻蝕快速、靈活及簡(jiǎn)單價(jià)廉的特點(diǎn)，已成為材料表面結(jié)構(gòu)制備的常用手段之一。

利用多束激光干涉刻蝕材料，將干涉區(qū)域內(nèi)的光強(qiáng)分布圖樣刻印到材料表面，這已成為激光刻蝕技術(shù)快速制備大面積周期性微-納米結(jié)構(gòu)的有效方法[4-5]。一般來(lái)說(shuō)，光束的數(shù)量及空間分布決定了干涉結(jié)構(gòu)的周期和分布。為了得到不同的周期結(jié)構(gòu)，只能通過(guò)調(diào)整光路來(lái)改變光束數(shù)量及其空間分布，這給加工過(guò)程帶來(lái)了很大的不便。為此，發(fā)展了參量控制的多光束干涉技術(shù)制備不同的周期結(jié)構(gòu)。較常見(jiàn)的方法是通過(guò)控制光束的偏振相位來(lái)改變多光束干涉的周期結(jié)構(gòu)與對(duì)比度[6-12]。這可以在不改變干涉裝置的基礎(chǔ)上，通過(guò)簡(jiǎn)單地旋轉(zhuǎn)或調(diào)節(jié)光路中的波片達(dá)到制備不同 微- 納米周期結(jié)構(gòu)的目的。目前，已有多個(gè)小組通過(guò)控制光束的相位、偏振，利用多光束干涉制備了形狀各異的微米結(jié)構(gòu)，如復(fù)合光子晶體[10]、磁性左手材料[11]以及納米間隙陣列[12]等。參量(偏振、相位等)調(diào)節(jié)的多光束干涉技術(shù)能夠極大地提高激光干涉制備微納米周期結(jié)構(gòu)的多樣性。

激光三光束干涉能夠有效地制備二維微米-納米周期結(jié)構(gòu)，并且激光相位的變化不會(huì)影響結(jié)構(gòu)的周期及分布[9]。本文利用偏振調(diào)節(jié)的激光三光束干涉制備ZnO晶體表面二維微米周期結(jié)構(gòu)。通過(guò)簡(jiǎn)單地旋轉(zhuǎn)波片以調(diào)節(jié)激光偏振組合，在ZnO表面制備了微米空腔、微米凸起等形狀各異的二維微米周期結(jié)構(gòu)。理論模擬的干涉光強(qiáng)分布圖樣能夠很好地解釋表面周期結(jié)構(gòu)的形成。這在光子晶體、平板顯示、表面改性等多方面都具有很大的應(yīng)用潛力。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及理論計(jì)算

圖1所示為偏振調(diào)節(jié)的三光束干涉實(shí)驗(yàn)裝置圖。實(shí)驗(yàn)采用Coherent公司生產(chǎn)的鈦寶石再生放大激光器(Legend Elite)，輸出中心波長(zhǎng)為800nm、脈寬 為50fs的激光脈沖，最大單脈沖能量為3.5mJ，重復(fù)頻率1kHz。如圖所示，飛秒激光通過(guò)半波片與格蘭棱鏡來(lái)控制脈沖能量和激光偏振。之后，經(jīng)兩片分束片將其分為能量與偏振相同的A、B、C 3束光，光束B(niǎo)、C通過(guò)延遲線與光束A同時(shí)重疊于樣品表面同一點(diǎn)O處。三光束時(shí)間零點(diǎn)由BBO產(chǎn)生的和頻信號(hào)確定。A、B、C三光束的偏振態(tài)通過(guò)3個(gè)波片進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖1中右上角插圖為圖中P平面的側(cè)視圖，顯示了3束光的空間排列。A、B、C三光束呈正三角形排列，θ為任意兩束光間的夾角。實(shí)驗(yàn)中，θ=13.6°。

實(shí)驗(yàn)所用樣品為ZnO晶體，樣品放置于計(jì)算機(jī)控制的三維移動(dòng)平臺(tái)上。照射后的樣品置于去離子水和酒精中超聲清洗10min，以去除樣品表面的殘留碎屑。樣品表面周期結(jié)構(gòu)由掃描電子顯微鏡進(jìn)行表征。

圖1 偏振調(diào)節(jié)的三光束干涉實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Experimental setup of polarization- controlled three-beam interference

根據(jù)干涉理論，多光束干涉的強(qiáng)度花樣為干涉區(qū)域內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度的平方。假設(shè)入射光為平面波，各光束激光的電場(chǎng)Em可使用瓊斯矢量進(jìn)行表示，

E

m

(

r

)=

(1)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

當(dāng)三光束的偏振相同時(shí)(見(jiàn)圖2(a)中左下角插圖)，本文給出了理論計(jì)算的三光束干涉的光強(qiáng)圖樣，如圖2(a)所示，圖中光強(qiáng)較大區(qū)域組合成正六邊形分布的圓形結(jié)構(gòu)。利用同偏振的飛秒激光三光束干涉燒蝕ZnO表面，制備了周期排列的微米圓形空腔結(jié)構(gòu)，如圖2(b)所示。圖中，空腔的直徑約為1.2μm，結(jié)構(gòu)周期(相鄰兩微米腔的距離)約為3.36μm。比較圖2(a)、(b)可知，實(shí)驗(yàn)所得結(jié)構(gòu)與理論計(jì)算結(jié)果相吻合。

圖2 同偏振三光束干涉制備周期微米結(jié)構(gòu)的理論計(jì)算圖與實(shí)驗(yàn)電鏡照片F(xiàn)ig.2 Theoretical calculation and experimental SEM image of periodic microstructures by three-beam interference with the same polarization

旋轉(zhuǎn)波片以改變?nèi)馐鳤、B、C的偏振方向，如圖3(a)中插圖所示。理論計(jì)算得到與圖2(a)相反的干涉光強(qiáng)分布圖樣，光強(qiáng)較弱區(qū)域呈現(xiàn)出正六邊形分布的周期結(jié)構(gòu)，如圖3(a)所示。圖 3(b) 顯示了這種偏振組合下，飛秒激光三光束干涉燒蝕ZnO晶體后制備的二維周期性的微米凸起圓斑結(jié)構(gòu)，其分布與光強(qiáng)分布圖樣一致。當(dāng)激光能量較小時(shí)，燒蝕樣品后能夠制備六邊形凸起結(jié)構(gòu)，如圖3(c)所示。這是由于激光能量發(fā)生變化，從而影響了表面周期結(jié)構(gòu)的形狀。

圖3 偏振調(diào)節(jié)的三光束干涉制備的周期微米凸起結(jié)構(gòu)的理論計(jì)算圖與實(shí)驗(yàn)電鏡照片F(xiàn)ig.3 Theoretical calculation and experimental SEM image of periodic micro bumps by polarization-controlled three-beam interference

進(jìn)一步調(diào)節(jié)三光束的偏振組合，使光束B(niǎo)為圓偏振光，光束A、C為線偏振光且偏振方向與水平x軸夾角α=45°，如圖4(a)中插圖所示。得到理論計(jì)算的干涉光強(qiáng)分布圖樣及制備得到的二維微米周期結(jié)構(gòu)。由圖可見(jiàn)，理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好，如圖4(a)、(b)所示。由圖可知，微米空腔和微米凸起組成了樣品表面二維周期結(jié)構(gòu)，其中，腔體和凸起都呈橢圓型。

圖4 α=45°時(shí)，偏振調(diào)節(jié)的三光束干涉制備的周期微米腔與凸起結(jié)構(gòu)的理論計(jì)算圖與實(shí)驗(yàn)電鏡照片F(xiàn)ig.4 Theoretical calculation and experimental SEM image of periodic micro cavities and bumps by polarization-controlled three-beam interference when α=45°

在此基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)單地調(diào)節(jié)光束A、C的偏振方向，使之與水平x軸夾角α=35°，如圖5(a)中插圖所示。此時(shí)得到理論計(jì)算的干涉光強(qiáng)分布如圖5(a)所示。由圖可見(jiàn)，三光束干涉光強(qiáng)分布的位置未發(fā)生變化，但其形狀發(fā)生了改變。利用激光三光束干涉燒蝕樣品后，得到了近三角形的微米凸起與微米空腔結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖5(b))。這是由于激光能量較大，在空腔的形成過(guò)程中產(chǎn)生了較強(qiáng)的熱效應(yīng)，從而影響了微米空腔的結(jié)構(gòu)形狀。

圖5 α=35°時(shí)，偏振調(diào)節(jié)的三光束干涉制備的周期微米腔與凸起結(jié)構(gòu)的理論計(jì)算圖與實(shí)驗(yàn)電鏡照片F(xiàn)ig.5 Theoretical calculation and experimental SEM image of periodic micro cavities and bumps by polarization-controlled three-beam interference when α=35°

在不改變光束空間分布的情況下，通過(guò)簡(jiǎn)單地旋轉(zhuǎn)光路中的波片，改變?nèi)馐钠窠M合，制備了可調(diào)諧的表面微米周期結(jié)構(gòu)。這一方法提供了表面形貌制備的新思路，在光子晶體、材料表面改性等方面都具有一定的應(yīng)用潛力。

3 結(jié) 語(yǔ)

激光多光束干涉是一種很有效的制備表面周期結(jié)構(gòu)的方法。通過(guò)調(diào)節(jié)激光的偏振組合，利用三光束干涉燒蝕ZnO表面，制備了各種微米空腔、微米凸起等不同形狀的表面二維周期結(jié)構(gòu)。理論模擬的三光束干涉光強(qiáng)分布圖樣與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。偏振調(diào)節(jié)的多光束干涉技術(shù)極大地豐富了激光干涉制備表面微米周期結(jié)構(gòu)的多樣性。

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