本发明属于飞秒激光先进微纳制造领域，具体是涉及一种快速制造辐射形、环形以及涡旋形等特殊形状光栅的方法与设备。
背景技术：
光栅是现代光学发展过程中最重要的元件之一。长期以来，为了获得更为精密的光栅器件，使其能够适合当今日益严苛的科学研究和工业制造需求，人们一直在努力改进光栅的设计方法和制造工艺。光栅制造的关键问题在于固体材料表面微结构的制备。目前，光栅微结构的制作大多是借助微电子刻蚀工艺的方法，如激光直写电子束曝光、聚焦离子束等在材料表面进行凹槽加工，或利用激光干涉形成的周期性条纹进行光刻形成全息光栅。然而，激光干涉的方法难以制造一些复杂形状如辐射形、涡旋形等光栅结构。而直接利用极紫外激光直写、电子束曝光或离子束刻蚀的制造装置相当复杂、成本昂贵，且加工速度很慢。因此，开发可快速制备、大面积加工、低成本的表面微纳结构制造，以及特殊形状光栅的制造方法，具有重要的科学意义和工业应用价值。
近年来，人们发现利用单束飞秒激光烧蚀，可以在几乎所有的材料表面，包括金属，半导体和电介质上形成取向垂直于激光偏振方向的自组织周期性条纹。这种周期性条纹的形成机制一般认为是入射激光与固体表面激发的等离激元发生干涉导致的。这提供了一种简单、快速、大面积制造光栅的思路。然而，这种方面面临的最主要问题是，在激光烧蚀过程中形成的自组织结构不受控，容易造成条纹分叉以及长程无序等问题。为了进一步提升激光诱导自组织条纹的规整度，最近人们发现在可氧化的金属薄膜上，利用一束低能量的飞秒激光照射，可形成周期性的金属氧化物条纹。相对于传统的激光烧蚀条纹，激光诱导金属氧化物条纹的取向平行于激光的偏振方向。这是因为金属氧化物条纹的形成是由于入射激光与表面氧化物颗粒偶极散射光干涉导致的。因此，金属氧化物条纹形成的过程存在正反馈机制，是一个逐渐、缓慢生长的过程，最终形成的条纹规整度相对烧蚀条纹提高了很多。
然而，由于金属中具有大量的自由电子，在高能量激光照射下，金属表面的温度迅速上升。高温将对周期性氧化物条纹的形成造成不利的影响。同时，由于金属表面存在不可避免的缺陷，很容易激发出表面等离激元。表面等离激元的极化方向垂直于氧化物条纹，进一步对氧化物条纹的形成造成不利的影响。因此，消除光热效应对周期性氧化物条纹的不利影响，对简单、快速、大面积光栅结构的制造具有重要的现实意义。
技术实现要素：
本发明涉及一种新型的光栅制备加工方法，具体地说涉及一种快速、大面积加工辐射形、环形和涡旋形等特殊形状光栅的制造方法。该方法能够明显减小光栅制造的成本，缩短加工周期，并能制备出一些复杂形状光栅结构。
一种光栅的加工方法，包括：使用激光照射光栅基材待加工区域表面，促使该区域表面发生氧化反应，得到条纹方向平行于激光偏振方向的光栅条纹；其中照射在光栅基材待加工区域表面的激光的能量密度低于所述表面发生烧蚀的烧蚀阈值，大于等于所述表面发生所述氧化反应的氧化阈值。
本发明中，所述被激光照射区域表面的物质在激光照射下会发生氧化过程，生成对应的氧化物；从而通过入射波与氧化物的散射波发生干涉，形成周期性分布的氧化物条纹，具体原理为：对光栅基材(比如以粘附在衬底上的薄膜材料为例)进行激光照射，使得光栅基材表面被照射区域中的物质发生氧化反应，形成氧化物颗粒。同时，入射激光与氧化物颗粒的偶极散射波发生干涉，在薄膜表面形成周期性的干涉条纹。在干涉相长的地方，氧化反应得到进一步加强，而干涉相消处，几乎不发生化学反应。因此最终在薄膜上形成周期性分布的氧化物条纹。
下面对本发明的一些优化方案作进一步说明：
本发明中，所述光栅基材中含有在所述激光作用下能够发生氧化反应的物质；或者，所述光栅基材包括衬底以及覆设在衬底一侧的薄膜，所述薄膜内含有在所述激光作用下能够发生氧化反应的物质。进一步讲，所述光栅基材中含有所述物质包括两种情况：一种是仅仅待加工表面某一特定厚度含有所述的可氧化的物质；另一种是所述光栅基材整体为含有所述可氧化的物质。上述“包括”可以是其主体全部由可发生氧化反应的物质组成，也可以由可发生氧化反应的物质与其他物质以一定的比例混合而成，可根据实际需要进行调整。作为优选，所述物质包括金属或半导体。作为优选，所述物质选自硅、钛、钨、氮化钛的一种或多种。
本发明中，偏振状态决定了条纹的方向和光栅结构。本发明可以利用光偏振调整元件实现入射光偏振形态的调控，通过调控入射光的偏振形态得到不同形状的光栅结构。作为一种优选方案，所述光偏振调整元件为涡旋半波片；进一步优选为零级涡旋半波片。利用涡旋半波片可以产生径向或者角向偏振态，或者产生介于径向与角向之间的涡旋形偏振态。比如将一束通过零级涡旋半波片获得的如径向、角向、涡旋状等偏振矢量光聚焦在薄膜上后便可直接产生辐射形、环形、涡旋形等特殊形状的氧化条纹，进而形成对应结构的光栅结构。
本发明中，所用激光优选为飞秒脉冲激光。激光能量分布为高斯光斑、平顶光斑或拉盖尔-高斯空心孔光斑，聚焦后用于照射所述光栅基材表面。聚焦后的能量密度可以满足氧化反应需要，但是远低于薄膜材料的飞秒激光烧蚀阈值，完全可以避免烧蚀对产品的影响。比如以初始激光为高斯光斑为例，经过涡旋半波片调制后激光后可产生径向和方向角以及逆时针偏振；进而得到对应的光栅条纹结构。本发明可以突破传统扫描式激光直写加工工艺中的光学衍射极限，快速形成周期为亚波长的光栅结构。
本发明中，所述的飞秒脉冲激光，其重复频率和中心波长不限，光斑模式可以多种多样。激光聚焦至样品表面诱导氧化反应。实际加工时，可以以一个半波片配合检偏器逐渐提高脉冲激光的入射能量，进而实现对照射激光能量的控制。
本发明中，光栅条纹的周期与入射光的波长或/和含有所述物质的材料厚度相关；产生光栅条纹的面积与激光作用区域相关。比如，在其他条件不变时，氧化物条纹周期与入射激光波长有关，但始终略小于激光的波长。当采用薄膜结构时，氧化物条纹周期与薄膜的厚度密切相关。
采用本发明的加工方法，得到的氧化条纹的排列非常规整，产生条纹的面积与激光作用区域一致，可用于快速的大面积加工制备光栅结构。因为飞秒激光作用在光栅基材表面(或硅薄膜)上形成的氧化条纹沿着激光偏振方向逐渐生长。所以配合一个二维平移台便可实现大面积、快速的制备过程。
本发明得到的氧化条纹可作为光栅使用，其周期可以通过控制入射激光的波长来调控。所制备光栅的面积可以通过控制入射光斑的大小来控制。
本发明中，可利用多种光斑照射样品，其优势在于，可以实现多种多样复杂形貌的氧化条纹光栅结构。选定好一种光斑模式，调试好其能量密度，可一次性曝光样品，实现整个光斑作用区域内的光栅结构加工。用光斑分析仪监测透射光斑，可实现整个光栅加工过程的实时监测。
本发明中，所述加工区域表面不仅仅包括传统的平面结构，也可以是一些特殊的非平面结构。
作为优选，本发明可以以平整度较高的玻璃或蓝宝石为基底，利用真空磁控溅射镀上硅薄膜，进而得到所述的光栅基材。选择平整度高的薄膜的条件更有利于形成整齐的氧化条纹。
本发明还提供了一种利用上述人任一技术方案所述方法制备光栅的设备，包括：
提供入射激光的激光发射器；
光强调节元件，调整输入的激光的能量；
聚焦元件，将调整好能量后的激光聚焦入射至光栅基材的待加工表面。
激光发射器一般采用能够发射飞秒激光的飞秒激光发射器。其发射的激光是高斯光束。所述光强调节元件用于调整激光强度。作为一种优选方案，所述强调节元件包括光学半波片和光学检偏器的组合，两者配套使用用于连续改变激光的能量，以得到我们所需能量的激光。
作为优选，还包括如下任一元件或者两个或两个以上元件的组合或者也可以是它们的集成元件：
衍射光学元件，将入射的高斯激光模式转化为平顶光或拉盖尔-高斯空心孔激光模式；选择该方案时，可以得到平顶光斑或者拉盖尔-高斯空心孔激光光斑。作为优选，所述衍射光学元件可选择平顶光斑光束整形器或者零级涡旋半波片。
光偏振调整元件，对入射光偏振形态进行调控。采用该方案，可以将入射光调整为目标偏振光。比如，所述光偏振调整元件可以选择涡旋半波片，进而获得的如径向、角向、涡旋状等偏振矢量光。
监测偏振形态元件，对入射光偏振形态进行监测。采用该方案，可以对入射光的偏振状态进行检测，实时观察当前激光的偏振状态，最终可以得到目标偏振参数；或者，可以进行反馈控制和优化设计。作为优选，监测偏振形态元件为光斑分析仪器，用于观测激光光斑模式。利用监测偏振形态元件对偏振状态进行检测，结合光偏振调整元件调节其所处的偏振态，进而用于制备辐射形光栅、环形光栅以及介于辐射形光栅、环形光栅之间的特殊光栅的制造。作为优选，激光照射薄膜前需通过光斑分析仪以及一个偏振分光棱镜来确定光斑所处的偏振模式，来对应所要得到的光栅结构。
散射光监测元件，用于检测光栅基材表面散射光变化。作为优选，所述散射光监测元件为工业相机，利用工业相机采集激光作用过程的图像，用于调节激光光斑作用在光栅基材的空间位置、同时用于观察激光作用过程。
根据需要，还可以设置用于提高光束密度的一个或多个聚焦元件，所述聚焦元件一般选择透镜。比如可以在检测光栅基材表面前增设第一透镜元件，利用该第一透镜元件将调整好光强后的激光聚焦入射至薄膜表面。可以在散射光监测元件前设置第二透镜元件，将收集的激光反射光聚焦至光纤光谱仪进行测量。当然，根据需要，也可以设置信号导向和收集元件，将激光反射光收集并输出给光纤光谱仪或者光栅基材表面。所述信号导向和收集元件一般为分束片。
作为一种具体的优选方案，一种用于制备上述任一项技术方案所述快速的大面积加工辐射形光栅与环形光栅等特殊光栅的制造方法的设备，包括：
激光发射器，用于提供所需的激光；
光偏振调整元件，将入射的激光偏振态调节成所需激光偏振状态；
光强调节元件，调整输入的激光的能量；
光斑分析仪，用于观测所需的激光光斑模式。
偏振分束片，配合涡旋半波片用于观测所需的激光光斑模式。
第一透镜元件，将调整好光强后的激光聚焦入射至所述光栅基材待加工表面上。
信号导向和收集元件，将激光反射光收集并输出给第二透镜元件；
第二透镜元件，将收集的激光反射光聚焦至光纤光谱仪进行测量。
本发明中，所述光栅结构通过一束聚焦的飞秒脉冲激光持续照射，利用正反馈氧化效应，实现平行于偏振方向的氧化条纹的生长。
所述信号导向和收集元件一般可以采用一个或多个分束片，通过透过或反射特定波长的光束，实现对光的导向和收集。
作为优选，所述的氧化条纹光栅结构可以为多种形状。利用本发明的方法，可以快速地用大激光光斑扫过整个需加工区域。也可以在激光能量充足的情况下，对光斑进行扩束，以实现最大范围内的一次性加工。
一种可快速大面积加工的辐射形光栅与环形光栅等特殊光栅，由上述任一项所述的制造方法制备得到。
制造过程中，激光从经零级涡旋半波片或者其他将改变激光模式的元器件，然后经过透镜，将光斑聚焦在样品(光栅基材)上。激光照射过程中，散射光强度会随着氧化条纹的生成以及生长过程逐渐改变。当透过光强度在特定时间(取决于激光重复频率)范围内不再变化时，此时若用光斑分析仪观看，透过的光斑形状也不再改变，表示氧化条纹已经形成了稳定的结构，此时可停止激光照射。
本发明首先利用真空溅射设备在衬底上镀上特定厚度的金属或者半导体薄膜。然后利用飞秒脉冲激光照射在样品上，使样品发生氧化并逐渐生长成周期性条纹。制备过程中，利用光斑分析仪器检测透射激光光斑，实现氧化条纹光栅结构形成过程的实时监测。
本发明中，利用飞秒激光制备光栅结构突出优势在于，仅仅通过调控激光的偏振模式，即可得到任意的与偏振平行的氧化条纹。不需要任何额外的加工工艺。直接，简单，明了，可控。同时，其产生氧化条纹光栅结构所需的能量密度低于长脉冲和连续激光，因此，可实现微纳范围内各种复杂光栅结构的精密加工。另外，氧化条纹光栅结构的周期与入射波长成正比，通过操控入射激光波长便可简单的控制光栅周期，且光栅结构都处于亚波长范围内，这将极大的简化高精密微纳加工光栅结构的过程。
本发明中，利用飞秒激光直接照射出亚波长周期的多种光栅结构，相对于激光直写加工光栅结构，或者利用微纳加工制备出模型再复制光栅，或者压刻出光栅结构来说，是一种全新的机理。此方法的突出优势在于，更直接，更简单，更高效。光栅周期在亚波长范围内，极大地降低了加工时间，难度和成本。
根据实际需求，可进一步设计更为复杂多样的光栅结构，只需将激光模式调制到与所需光栅匹配即可。
本发明零级涡旋半波片产生结构光场，在规模上采用单束激光曝光产生包括环形，辐射形和涡旋形等特殊形状的亚波长光栅。制备过程中，利用散射激光强度实现条纹形成过程的实时监测。
附图说明
图1为本发明利用飞秒激光诱导氧化条纹自组织形成光栅结构的装置。
图2为本发明利用线偏振的飞秒激光作用在200纳米厚硅膜上产生的平行于偏振方向的氧化条纹光栅结构的扫描电镜图片。
图3是在图2的基础上，手动移动平移台，验证大光斑配合平移台进行大面积加工制备光栅的可行性的扫描电镜图片。
图4-6分别为本发明通过改变零级涡旋半波片产生径向偏振，角向偏振以及逆时针偏振时所对应的产生的辐射形光栅结构，圆环形光栅结构以及逆时针光栅结构在显微镜下的成像。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1所示，一种利用飞秒激光诱导氧化条纹自组织形成光栅结构的装置。包括飞秒激光发射器，光学半波片4，光学检偏器5，涡旋半波片6，聚焦透镜7，工业相机8，分束片9，偏振分束片10和光斑分析仪11。
其中飞秒激光发射器用于提供飞秒激光3；光学半波片4和光学检偏器5配套用于连续改变激光的能量，以得到我们所需能量的激光。涡旋半波片6可以采用零级涡旋半波片，用于将线偏振激光转换为矢量光，同时将激光的模式调整为径向，角向或逆时针涡旋状，并结合分束片9，将入射的矢量光中一部分反射至偏振分束片10，最后经过偏振分束片10和光斑分析仪11确定矢量光的偏振状态。透过分束片9的激光经聚焦透镜7聚焦至粘附在衬底1的硅膜2上。
本实例中，聚焦透镜7的焦距长度为20厘米，激光3的重复频率不限。衬底1的硅膜2构成了光栅基材的主体结构，本实例中，我们利用磁控溅射镀膜装置，在厚度为500微米的蓝宝石衬底上制备厚度为200纳米的硅膜。
加工过程中，开始阶段当低能量激光聚焦至平整的硅膜表面，主要被硅膜反射，因此在侧向的工业相机8几乎探测不到散射光。旋转光学半波片4以逐渐提高入射的激光能量直至硅的氧化阈值后，硅膜表面出现少量的氧化物颗粒，此时通过工业相机8能实时观察到散射光增强。保持入射激光能量不变，并检测工业相机8中拍摄到的散射光斑变化。随着照射脉冲数量的逐渐增加，散射光斑基本不再改变后，停止激光照射。
同时利用利用光斑分析仪11检测输入光的偏振状态，并记录最终的偏振状态数据。
随后利用扫描电子显微镜便可观察到硅膜上出现周期性变化的条纹。本实例中，在200纳米厚的规模上形成规则的条纹的激光阈值是0.028j/cm2。因此，这种规则条纹的形成机制完全不同于传统的激光烧蚀，因为硅的烧蚀阈值为0.2j/cm2。
如图2所示，经单束线偏振的，波长为1030nm，重复频率5khz，能量密度为0.03j/cm2的飞秒激光照射后(该方案中不设置涡旋半波片6，直接采用高斯激光模式，焦点处的光斑直径为120微米)，在200纳米厚的硅膜上形成了周期为950纳米的规则光栅结构的扫描电子显微镜图(见图2中(a))。利用扫描电子显微镜的edx功能，对(a)中矩形区域进行元素成分分析(见图2中的(b)和(c))，扫描分析后显示，我们形成的这个条纹周期性结构是由硅(c)和氧(b)组成，为硅的氧化物形态，进一步证明了本发明中规则条纹的形成机制完全不同于传统的激光烧蚀。
图3是在图2的基础上，手动移动平移台，验证大光斑配合平移台进行大面积加工制备光栅的可行性的扫描电镜图片。
当旋转涡旋半波片6将激光的模式调整为径向，角向和逆时针涡旋状时，分别产生了辐射形，环形和涡旋形的光栅。
如图4所示，利用涡旋半波片6将激光的模式调整为径向，波长为1030nm，重复频率5khz，得到的在200纳米厚的硅膜上形成的辐射形规则光栅结构的扫描电子显微镜图(见图4中(a))；其中图4中(b)为(a)中矩形部分的局部放大图。
如图5所示，利用涡旋半波片6将激光的模式调整为角向，波长为1030nm，重复频率5khz，得到在200纳米厚的硅膜上形成的环形规则光栅结构的扫描电子显微镜图(见图5中(a))；其中图5中(b)为(a)中矩形部分的局部放大图。
如图6所示，利用涡旋半波片6将激光的模式调整为逆时针涡旋状，波长为1030nm，重复频率5khz，得到在200纳米厚的硅膜上形成的涡旋形规则光栅结构的扫描电子显微镜图(见图6中(a))；其中图6中(b)为(a)中矩形部分的局部放大图。
当前激光诱导金属、半导体物体表面只能随机的产生一些非可控的周期性自组织纳米结构，或是利用与激光直写类似的，逐点扫描的方法，低效且单一的在表面产生自组织氧化条纹。这些关键问题限制了飞秒激光进行微纳加工的能力和应用范围。而本发明可实现激光诱导表面纳米结构可控的、高效率的大面积制备，且成本低，具有较高的创新性和极高的商业应用价值。
1.一种光栅的加工方法，其特征在于，包括：使用激光照射光栅基材待加工区域表面，促使该区域表面发生氧化反应，得到条纹方向平行于激光偏振方向的光栅条纹；其中照射在光栅基材待加工区域表面的激光的能量密度低于所述表面发生烧蚀的烧蚀阈值，大于等于所述表面发生所述氧化反应的氧化阈值。
2.根据权利要求1所述的光栅的加工方法，其特征在于，所述光栅基材中含有在所述激光作用下能够发生氧化反应的物质；或者，所述光栅基材包括衬底以及覆设在衬底一侧的薄膜，所述薄膜内含有在所述激光作用下能够发生氧化反应的物质。
3.根据权利要求2所述的光栅的加工方法，其特征在于，所述物质为金属或半导体材料。
4.根据权利要求2所述的光栅的加工方法，其特征在于，所述物质选自硅、钛、钨、氮化钛的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的光栅的加工方法，其特征在于，加工时，利用光偏振调整元件实现入射激光偏振形态的调控，通过调控入射激光的偏振形态产生不同形状的光栅结构。
6.根据权利要求5所述的光栅的加工方法，其特征在于，所述光偏振调整元件为涡旋半波片。
7.根据权利要求1所述的光栅的加工方法，其特征在于，所用激光为飞秒脉冲激光；激光能量分布为高斯光斑、平顶光斑或拉盖尔-高斯空心孔光斑，聚焦后用于照射所述光栅基材待加工区域表面。
8.根据权利要求1所述的光栅的加工方法，其特征在于，加工时，光栅条纹的周期与入射光的波长或/和含有所述物质的材料厚度相关；产生光栅条纹的面积与激光作用区域相关。
9.一种利用权利要求1所述方法制备光栅的设备，其特征在于，包括：
提供激光的激光发射器；
光强调节元件，调整激光的能量；
聚焦元件，将调整好能量后的激光聚焦入射至光栅基材表面。
10.根据权利要求9所述制备光栅的设备，其特征在于，还包括如下任一元件或者两个或两个以上元件的组合或者集成：
衍射光学元件，将入射的激光转化为目标光模；
光偏振调整元件，对激光的偏振形态进行调控；
监测偏振形态元件，对激光偏振形态进行监测；
散射光监测元件，用于检测光栅基材待加工区域表面散射光变化。
技术总结