偏振調(diào)節(jié)的三光束干涉制備可調(diào)諧表面周期結(jié)構(gòu)

賈 鑫

(上海電機學(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、靈活及簡單價廉的特點，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]。一般來說，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)，只能通過調(diào)整光路來改變光束數(shù)量及其空間分布，這給加工過程帶來了很大的不便。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)。較常見的方法是通過控制光束的偏振相位來改變多光束干涉的周期結(jié)構(gòu)與對比度[6-12]。這可以在不改變干涉裝置的基礎(chǔ)上，通過簡單地旋轉(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，已有多個小組通過控制光束的相位、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)。通過簡單地旋轉(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 實驗裝置及理論計算

圖1所示為偏振調(diào)節(jié)的三光束干涉實驗裝置圖。實驗采用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，飛秒激光通過半波片與格蘭棱鏡來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、C通過延遲線與光束A同時重疊于樣品表面同一點O處。三光束時間零點由BBO產(chǎn)生的和頻信號確定。A、B、C三光束的偏振態(tài)通過3個波片進(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。實驗中，θ=13.6°。

實驗所用樣品為ZnO晶體，樣品放置于計算機控制的三維移動平臺上。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)的三光束干涉實驗裝置圖Fig.1 Experimental setup of polarization- controlled three-beam interference

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

E

m

(

r

)=

(1)

2 實驗結(jié)果及討論

當(dāng)三光束的偏振相同時(見圖2(a)中左下角插圖)，本文給出了理論計算的三光束干涉的光強圖樣，如圖2(a)所示，圖中光強較大區(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，實驗所得結(jié)構(gòu)與理論計算結(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)的理論計算圖與實驗電鏡照片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。理論計算得到與圖2(a)相反的干涉光強分布圖樣，光強較弱區(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)，其分布與光強分布圖樣一致。當(dāng)激光能量較小時，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)的理論計算圖與實驗電鏡照片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。得到理論計算的干涉光強分布圖樣及制備得到的二維微米周期結(jié)構(gòu)。由圖可見，理論與實驗結(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，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)的理論計算圖與實驗電鏡照片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。此時得到理論計算的干涉光強分布如圖5(a)所示。由圖可見，三光束干涉光強分布的位置未發(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)(見圖5(b))。這是由于激光能量較大，在空腔的形成過程中產(chǎn)生了較強的熱效應(yīng)，從而影響了微米空腔的結(jié)構(gòu)形狀。

圖5 α=35°時，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)的理論計算圖與實驗電鏡照片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，通過簡單地旋轉(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

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分布圖樣與實驗結(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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