基于飞秒矢量光场阵列的微纳加工研究

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激光作为20世纪以来人类最重大的发明之一,给我们的世界带来了很大的变化。特别是随着飞秒激光这种更为奇特的激光的出现,使光在人们的生产、生活当中扮演着日益重要的角色。飞秒激光因其具有超短脉冲和非常高的瞬时功率的特点,常用于激光微纳加工中。与传统微加工的方法相比,飞秒激光加工材料的范围更广泛,包括金属、半导体以及电介质材料,并能够在透明材料内部实现三维加工。  偏振作为光固有的基本属性,在光的传播及光与物质相互作用方面都有重要的应用,如光探测与测量、光通信、光显示技术等领域。在矢量光场(空间偏振态分布非均匀的光场)产生、调控技术成熟之前,应用最多的是标量光场(空间偏振态分布均匀的光场)。随着对矢量光场研究的不断深入,发现矢量光场具有标量光场所不具备的许多新颖特性,如紧聚焦时可获得很强的纵向电场分量及得到超衍射极限的光斑,其与半导体硅相互作用时在表面可诱导与偏振相关的二维光栅微结构等,这些新颖特性极大的促进了矢量光场的发展及其应用的拓展。  随着飞秒激光微纳加工技术的发展,在实际应用中对微加工效率提出了更高的要求,因此如何提高激光微纳加工的效率成为研究的热点。为了提高加工效率,人们陆续提出了多光束干涉、多光束并行加工等方法,这些方法相对单光束加工来说虽然提高了加工效率,但是在加工的灵活性方面往往还有所欠缺。针对该问题,本文我们基于矢量光场阵列提出了动态飞秒矢量光场阵列加工结构的方法,研究了其焦场调控特性并基于它进行高效微纳加工。主要研究内容如下:  1.提出了动态飞秒矢量光场阵列的新概念,给出了其理论描述;研究了动态飞秒矢量光场阵列的焦场调控原理,并给出了特定光强分布(如正六边形、正方形、风扇叶、正八边形、四叶草及同心多边形等)聚焦场的设计方法。  2.详细介绍了动态飞秒矢量光场阵列的实验生成方法和原理,基于设计的动态变化的飞秒矢量光场阵列成功加工出各种形状的微纳结构。实验上,基于光学4f系统和空间光调制器生成了飞秒矢量光场阵列,通过在空间光调制器上加载随时间变化的全息光栅阵列来产生动态变化的飞秒矢量光场阵列。通过改变单个矢量光场的横向半径随旋转角度的变化关系,获得了具有不同焦场特征的动态飞秒矢量光场阵列,并用于微纳加工,在铌酸锂内部制备了不同的微纳结构。例如,正六边形、正方形、风扇叶、正八边形、四叶草及同心多边形、类菲涅耳波带片的结构等。基于产生的旋向偏振的动态飞秒矢量光场阵列,利用数值孔径为1.45的油浸物镜对其进行紧聚焦,然后入射到铌酸锂晶体内部制备出六边形和四边形的微纳结构,其边长宽度仅为0.5λ,实现了超衍射极限的微纳加工。利用二维移动平台对样品进行移动还成功制备出相应的周期性结构,例如由正六边形构成的蜂窝状的周期性结构等。  3.基于加工的周期性微纳结构,研究了具有不同拓扑荷数的矢量光场(波长为532 nm)与其相互作用的结果。实验中利用六边形的周期性微纳结构与矢量光场相互作用,观察到了明显的衍射现象。但是,由于加工的周期性结构并非严格均匀且周期在微米量级,使得衍射的零级光强比较大且存在散射光。
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