大面积周期性微纳结构的激光制备研究

发布时间：2017-10-19 12:05

  本文关键词：大面积周期性微纳结构的激光制备研究

  更多相关文章： 激光加工 双光束干涉 抗反射 亚波长结构 飞秒激光干涉 光裁剪 复合微纳结构 激光诱导表面周期性结构 大面积 深亚波长结构

【摘要】：表面微纳米结构的制备在微电子、微流控、微光学等微纳器件的研究中具有重要的应用,如超疏水表面、亚波长增透,光学偏振器件、表面改性等。常见的在硬质材料上制备周期性微纳米结构的技术有很多,如纳米压印技术,光刻技术、自组装技术。这些技术加工方式可以分为两个步骤,一是掩模结构的制备：利用双光束干涉技术在光刻胶中制备周期性的光栅、点阵,纳米压印模板的制备,自组装小球的制备等；二是结构的转移：通过于法和湿法的腐蚀技术,如溶液腐蚀,等离子刻蚀,电子束刻蚀,压印技术等方法来把结构转写到所需要的基底材料上。尽管这些技术都有着各自的优缺点,但是总体来说,在模板的制作,腐蚀剂的选择,材料的选择上都存在着各自的问题。激光加工是一种利用光吸收实现材料的直接加工的技术,尤其是高能量密度的脉冲激光烧蚀,有着高精度、材料选择、非平面三维可移动、透明材料内部加工等方面都有着自己独特的优势。本文利用纳秒激光多次曝光双光束干涉烧蚀技术,飞秒激光光裁剪相干技术,飞秒激光光诱导微纳结构技术,通过控制光学参数,取得了以下的成果：(1) 多次曝光双光束干涉烧蚀制备大面积红外亚波波长抗反射结构面：为了解决薄膜增透中由于衬底和薄膜、薄膜与薄膜之间热膨胀系数及机械应力的不同引起的薄膜起包和脱落导致,提高透过率,增加薄膜的使用寿命,受自然界蛾眼亚波长结构的启发,我们深刻研究了亚波长结构增透的机理,利用纳秒激光多次曝光双光束干涉烧蚀这一无掩模加工技术,在红外窗口硫化锌窗口直接快速制备出红外亚波长结构增透表面,通过探索研究功率、曝光时间、曝光次数的关系,成功在7μm～10μm内实现了超过90%的透过率。并在40o的倾斜光入射的情形下,在7.5μm-10μm仍保持80%以上的透过率；通过研究多次曝光双光束干涉与多光束干涉,利用更加简单的多次曝光双光束干涉技术,实现了六边形排列的周期性结构的制备和其他高阶准周期结构的制备,并具有一定的增透和疏水特性；通过不同周期的结构的叠加,实现了复合结构的制备,为制作多功能结构表面打下基础。(2)光裁剪技术飞秒激光大面积干涉烧蚀微纳米复合结构：纳秒干涉技术技术是一种快速制备周期性微纳结构的技术,但对于飞秒激光来说,由于脉冲宽度太短,导致相干长度只有几个微米到几十个微米,尽管飞秒激光有更强的功率密度,对材料的选择性低,烧蚀的精度更高,但飞秒激光的干涉面积限制了飞秒激光干涉烧蚀的广泛应用。我们提出用光裁剪的方法,利用相位掩模和柱透镜加工,实现了一个方向上长达几个毫米的飞秒激光相干,在垂直方向则通过电机拖动样品的方式来实现大面积周期性微纳结构的制备。另外由于飞秒激光可以诱导出结构更小的深亚波长结构,利用飞秒激光干涉,可以实现大面积的复合微纳米结构的加工,对于表面改性,如超疏水、超疏油,有着重大的作用。我们通过优化功率和曝光时间,得到了大面积的周期性微米纳米复合结构,并可以通过激光偏振来控制纳米结构的旋转方向。(3)飞秒激光诱导微纳米结构的大面积制备：飞秒激光诱导周期性微纳米结构这一现象已经在金属、半导体、绝缘体上或者透明材料内部得到了实现,利用这一现象,可以更快速的制备周期性的微纳米结构,但是只有几十个微米的烧蚀坑大大限制着飞秒激光诱导微纳米结构的广泛应用,尽管可以通过点扫描的方式来增加烧蚀的面积,局部的不平整、结构的周期性混乱等因素始终困扰着大面积结构表面的制备。我们采用柱透镜聚焦线光加工方式,通过光裁剪优化线光的光强分布,并优化扫描速度、功率、后续处理等条件,得到了周期性很好的大面积深亚波长的结构表面。通过电子掺杂,即用硝酸银掺杂对飞秒激光诱导微纳米结构“绝缘”的聚乙烯醇,实现了周期性结构的制备,验证了表面局域等离子体在结构的成型中起主导作用。建立了局域表面等离子体模型,验证了微纳结构周期实验和理论的统一；利用压覆式加工的方式,实现了窄带材料表面的大面积周期性微纳结构的制备。
【关键词】：激光加工 双光束干涉 抗反射 亚波长结构 飞秒激光干涉 光裁剪 复合微纳结构 激光诱导表面周期性结构 大面积 深亚波长结构
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN249
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-23
• 1.1 激光微纳加工11-18
• 1.2 激光仿生18-20
• 1.3 激光诱导微纳米结构20-21
• 1.4 本论文主要工作及创新性研究21-23
• 第二章 激光仿生制备结构功能表面23-48
• 2.1 亚波长结构仿生增透表面23-28
• 2.1.1 增透的需求和面临的问题23-25
• 2.1.2 亚波长结构增透25-28
• 2.2 激光仿生加工28-47
• 2.2.1 双光束干涉烧蚀技术28-36
• 2.2.2 多次曝光双光束干涉技术36-39
• 2.2.3 多次曝光双光束干涉与多光束干涉39-47
• 2.3 小结47-48
• 第三章 光裁减飞秒激光制备微纳米复合结构的研究48-61
• 3.1 飞秒激光相干制备微纳米结构48-50
• 3.2 实验装置设计50-54
• 3.2.1 一维长距离飞秒激光相干51-53
• 3.2.2 光场剪切技术53-54
• 3.3 飞秒激光大面积微纳米复合结构的制备54-60
• 3.4 小结60-61
• 第四章 飞秒激光诱导制备大面积周期性深亚波长结构的研究61-89
• 4.1. 飞秒激光诱导周期性微纳结构61-72
• 4.1.1 结构特征62-67
• 4.1.2 现有理论模型67-69
• 4.1.3 诱导结构的制备现状及问题69-72
• 4.2 线扫描大面积积深亚波长结构的制备72-77
• 4.3 电子浓度掺杂的影响77-82
• 4.4 局域表面等离子体模型82-84
• 4.5 覆盖层的影响84-88
• 4.6 小结88-89
• 第五章 结论89-91
• 参考文献91-102
• 科研成果102-105
• 致谢105-106

【共引文献】

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本文编号：1060989