本發明涉及飛秒激光在金屬材料表面直寫二維亞微米蝶形金屬微結構的方法和加工裝置，其中利用了邁克爾遜干涉系統搭建的微納米加工平臺形成空間上共線傳輸、時間上延遲可變的雙束飛秒激光，雙束飛秒激光通過物鏡聚焦，進而在材料表面通過打點方式得到新型的二維亞微米蝶形金屬微結構的制備。這種方法和加工裝置屬于超快激光應用與微納米加工領域，未來在新型金屬納米光子器件的設計、制備等方面具有重要潛在應用。

背景技術：

微納米結構的制備在工業和科研中已經展現了較重要的應用，設計與制備新型亞微米尺寸結構的器件已經成為科研工作者關注的研究課題，改善和提高亞微米結構制備技術的效率也成為重要的挑戰。傳統的微納米加工的技術有納米壓印技術、電子束刻蝕術、離子束刻蝕技術、光刻技術等【Patterned growth of vertically aligned ZnO nanowire arrays on inorganic substrates at low temperature without catalyst,J.Am.Chem.Soc.,2008,130(45):14958-14959；Fabrication of two-and three-dimensional photonic crystals of titania with submicrometer resolution by deep x-ray lithography,Journal of vacuum science&technology B,2005,23(3):934-939；Two-photon polymerization initiators for three-dimensional optical data storage and microfabrication,Nature,1999,31(6722):52；Formation of free-standing micropyramidal colloidal crystals grown on silicon substrate,Applied Physics Letters,2003,82(24):4283-4285.】。上述傳統的微納米結構的制備方法中操作程序復雜，結構調控能力差，而且對材料要求也比較苛刻。而飛秒激光直寫技術在微納米結構的制備過程中不需要繁雜工序和精密設備(例如：真空系統、掩膜板、模具和曝光)，具有超高峰值功率和超短脈寬的飛秒激光可以獲得瞬間超高的聚焦功率密度，在微納米結構的加工與制備方面相對于傳統加工方面其可控性強、操作簡單靈活、高效率、低成本，可以一步式在超短時間內實現將光能量傳遞給加工物質，從而達到無損傷、高精度、超精細冷加工的效果。這些優點引起了科研工作人員的廣泛關注，此方向并已逐步發展成為當前激光、光電子和工程技術領域內的前沿研究方向。目前，研究人員利用飛秒激光在金屬、半導體、聚合物和透明電介質等多種類型的材料表面成功實現了微米、亞微米甚至納米尺度上的制備，并對微納米結構的功能特性進行了探索。

單束飛秒激光在材料表面和內部的作用區域內均可以誘導產生周期性一維亞波長量級的條紋結構，條紋結構的取向一般與入射光的偏振方向相互垂直，條紋的周期一般約為入射光波長的一半【Reflectivity in femtosecond-laser-induced structural changes of diamond-like carbon film,Applied Physics A,2005,80(1):17-21；Continuous modulations of femtosecond laser-induced periodic surface structures and scanned line-widths on silicon by polarization changes,Optics Express,2013,21(13)；Ultrafast femtosecond-laser-induced fiber Bragg gratings in air-hole microstructured fibers for high-temperature pressure sensing,Optics letters,2010,35(9):1443-5；Tuning the structural properties of femtosecond-laser-induced nanogratings,Applied Physics A,2010,100(1):1-6.】。在探究材料表面誘導的微納米超穎材料所形成的物理機制的研究中，科研工作者最初針對形成與入射光周期接近的周期條紋結構相繼提出了經典散射波理論，針對較小周期微納米周期條紋結構提出了自組織、二次諧波理論【Periodic surface structures frozen into CO₂laser-melted quartz,Appl.Phys.A,1982,29:9～18；Formation of subwavelength periodic structures on tungsten induced by ultrashort laser pulses,Opt.Lett.,2007,32(13):1932～1935；Origin of laser-induced near-subwavelength ripples:interference between surface plasmons and incident laser,ACS Nano,2009,3(12):4062～4070.】。但上述理論不能夠全面、綜合解釋微納米結構形成機制，針對此現象研究者提出的入射光與表面波干涉理論能夠較好地解釋大多數實驗現象，因此被科研工作者廣泛接收和認可。根據這一理論，當飛秒激光入射到加工樣品表面時，材料表面電子受入射光激發，可以瞬間改變其表面屬性，與入射光干涉，進而形成具有空間周期分布、局域特性的瞬態折射率光柵，在材料表面刻蝕產生周期分布的平行溝槽，溝槽之間未被刻蝕部分形成具有周期分布的條紋結構。如果改變入射光的能量、偏振、光束數量，飛秒激光在材料表面可以誘導形成更復雜的二維結構。進一步的研究證實這些表面微納米結構可以有效地改善和提高材料的結構色、熱輻射、輸水性能【Super-hydrophobic PDMS surface with ultra-low adhesive force，Macromolecular Rapid Communications,2005,26(22):1805-1809；Laser turns silicon superwicking,Optics Express,2010,18(7):6455-6460；Ultra-broadband enhanced absorption of metal surfaces structured by femtosecond laser pulses,Optics Express,2008,16(15):11259-11265；Making human enamel and dentin surfaces superwetting for enhanced adhesion,Applied Physics Letters,2011,99(19):193703.】。未來在特殊光學元件的制備、電子元件的光電性能、信息傳輸等領域具有潛在的應用空間。

大多數研究者在以往的研究中多采用單束線偏振激光照射的形式在材料表面誘導產生一維周期性條紋結構，而二維微納米結構可以提供更多的光子頻率禁帶和新的物理特性的可能性，從而有望實現對一定波長范圍內的電磁波傳播特性進行調控。例如，基于介質材料的光子晶體已經在光開關、濾波器、全光集成電路、低閾值激光器、高效發光光電二極管等方面得到了廣泛的研究和應用。另一方面，由于金屬微納米結構材料對光波具有選擇性色散和吸收性質，在高溫環境中可以調制材料的熱輻射能力【Colorizing metals with femtosecond laser pulses,Applied Physics Letters,2008,92(4):409；Large electromagnetic stop bands in metallodielectric photonic crystals,Appl.Phys.Lett.1995,67,2138–2140；Enabling high-temperature nanophotonics for energy applications,2012,PNAS,109,2280-2285,Embedded cavities and waveguides in three-dimensional silicon photonic crystals,Nature Photon,2008,2,52–56.】。一般二維結構加工的過程中多采用傳統的模版-曝光-刻蝕技術，工序繁多、工藝過程較為復雜，有研究者提出利用多個脈沖激光束空間干涉圖案光強度來對樣品表面加工制備，研究者進而引入多束光干涉技術來制備二維微納米結構【Fabrication of two-dimensional periodic nanostructures by two-beam interference of femtosecond pulses,Opt.Express,2008,16(3):1874-1878；Fabrication of periodic nanostructures by phase-controlled multiple-beam interference，Appl.Phys.Lett.,2003,83(23):4707-4709.New Journal of Physics,2011,13(2):023044；Area dependence of femtosecond laser-induced periodic surface structures for varying band gap materials after double pulse excitation,Applied Surface Science,2013,278(2):7-12.】。多光束干涉法要求入射激光在空間上以非共線傳播方式照射在樣品的相同位置，且它們的偏振方向必須一致，從而才能確保入射的不同激光束在空間能夠發生干涉現象。因此，這種激光制備方式通常對光路設計和精密調整具有較高的要求。

技術實現要素：

針對上述情況，為克服現有技術之缺陷，本發明之目的就是提供一種二維亞微米蝶形金屬微結構的飛秒激光直寫制備方法，能夠有效解決以下技術問題：(1)如何利用共線傳輸線偏振和角向偏振飛秒激光雙脈沖在金屬表面快速制備形成二維亞微米蝶形金屬微結構，掌握其中微納米加工系統設計的思路、工藝制作方法、實現裝置等；(2)如何通過改變兩束飛秒激光脈沖的數目、時間延遲特性，實現對金屬表面亞微米結構等進行有效調控；(3)如何通過改變聚焦條件在金屬表面實現高效制備。

本發明解決的技術方案是：

一種二維亞微米蝶形金屬微結構的飛秒激光直寫制備方法，包括以下步驟：

第一步，金屬靶樣品材料的拋光和安裝

利用砂紙將金屬靶樣品材料表面進行機械拋光處理后，在酒精中超聲清洗得到潔凈處理的金屬靶樣品材料，將金屬靶樣品材料安裝在三維移動精密平臺的載物架上，可通過計算機控制三維移動精密平臺使金屬靶樣品材料在空間三維方向上精密移動；

第二步，可變延遲時間的線偏振和角向偏振雙脈沖飛秒激光的獲取

通過基于邁克爾遜干涉系統搭建的微納米加工平臺，將飛秒激光透過徑向偏振轉換器產生角向偏振飛秒激光，最終生成具有皮秒時間延遲的線偏振飛秒激光和角向偏振飛秒激光，并使兩者在空間上共線傳輸，構成可變延遲時間的線偏振和角向偏振的雙脈沖飛秒激光；

第三步，雙脈沖飛秒激光的點聚焦

將第二步獲得的在空間上共線傳輸的線偏振和角向偏振的雙脈沖飛秒激光通過同一物鏡聚焦，垂直照射在金屬靶樣品材料表面；

第四步，金屬靶樣品材料位置的調節

通過計算機控制三維移動精密平臺，調節載物架上的金屬靶樣品材料的相對位置，使金屬靶樣品材料的表面在平移過程中能夠始終與線偏振飛秒激光的偏振方向保持平行；

第五步，物鏡焦點位置的確定

通過計算機控制三維移動精密平臺平移的過程中，雙脈沖飛秒激光在樣品表面不同位置處聚焦，相繼形成多處燒蝕孔，根據燒蝕孔直徑尺寸的大小進而確定雙脈沖飛秒激光的聚焦焦點位置；

第六步，金屬靶樣品材料表面的調整

通過計算機調節三維移動精密平臺，沿著逆光束傳播方向平移金屬靶樣品材料，調整激光焦點和金屬靶樣品材料的相對位置，使物鏡的焦點位置順著光束傳播方向在金屬靶樣品材料表面前方200微米處；

第七步，二維亞微米蝶形金屬微結構的制備

在保證線偏振和角向偏振雙脈沖飛秒激光共線傳輸，雙光束均能經過物鏡聚焦照射到樣品表面的情況下，首先控制三維移動精密平臺，從而控制金屬靶樣品材料表面與焦點之間的距離，同時通過控制雙脈沖飛秒激光的脈沖數目、功率和激光的偏振態，便可在金屬靶樣品材料表面制備出二維亞微米蝶形金屬微結構。

第二步所述的基于邁克爾遜干涉系統搭建的微納米加工平臺包括飛秒激光器、半透半反透鏡、用于改變激光傳播方向的反射鏡、半波片、合束片、徑向偏振轉換器、一維精密移動平移臺、衰減片和ccd光譜儀，飛秒激光器輸出的每一個飛秒激光脈沖通過半透半反透鏡轉化為兩個具有皮秒時間延遲的同色雙脈沖飛秒激光，其中一個分光路通過半波片，使該光路中的偏振方向由水平方向偏振轉化為豎直方向偏振，再通過徑向偏振轉換器來實現角向偏振飛秒激光的輸出。兩個分光路中的多個反射鏡可以改變光的傳播方向，通過調節反射鏡，保障線偏振飛秒激光和角向偏振飛秒激光空間上的共線輸出，并最終在合束片處匯合，實現線偏振飛秒激光和角向偏振飛秒激光的共線傳輸；通過移動一維微納米平移臺來控制反射鏡位置，來改變雙脈沖飛秒激光在光路中的有效光程，進而能夠改變雙光束之間的時間延遲；兩分光路的不同功率配比通過調整衰減片來實現。

所述的金屬靶樣品材料為鎢、鉬或鈦材料。

所述的雙脈沖飛秒激光分別為線偏振飛秒激光和角向偏振飛秒激光，激光脈沖的脈寬為50飛秒，中心波長為800納米。

所述的雙脈沖飛秒激光的脈沖個數范圍為20～200個。

從合束片中出射的飛秒激光為線偏振飛秒激光和角向偏振飛秒激光，這兩束飛秒激光在空間上共線傳輸，透過融石英物鏡點聚焦，在金屬材料表面誘導制備微結構，該物鏡能夠將具有皮秒時間延遲的雙脈沖飛秒激光進行聚焦。并使得角向偏振光在焦點處的光斑的電場方向沿角向呈環形分布，從而能夠在樣品表面實現規整形貌特征的微結構制備。

所述的線偏振飛秒激光和角向偏振飛秒激光的延遲時間為小于200皮秒。

所述的二維亞微米蝶形金屬微結構在直徑為32微米的圓內，其中彎曲條紋的脊面寬度320-400納米。

所述的二維亞微米蝶形金屬微結構為在飛秒激光輻照光斑的中心部位誘導產生二維彎曲的條紋微納米結構，隨著逐漸遠離微納米結構的中心部位，沿水平方向條紋的彎曲程度呈現明顯增大趨勢，由于其整體形貌上類似于蝴蝶翅膀，因此，稱其為二維亞微米蝶形金屬微結構。

本發明有益效果

(1)應用線偏振的近紅外飛秒激光脈沖通過基于邁克爾遜干涉系統搭建的微納米加工平臺產生線偏振和角向偏振的雙束飛秒激光脈沖，這兩束光在空間上共線傳輸，其特征參數為中心波長和重復頻率相同，制備形成二維亞微米蝶形金屬微結構。

(2)利用徑向偏振轉換器產生角向偏振飛秒激光，采用熔融石英物鏡將具有皮秒時間延遲的線偏振和角向偏振飛秒激光雙脈沖進行聚焦，并使得聚焦光斑呈圓形光斑分布，從而能夠在樣品表面直寫有特殊形貌的二維亞微米蝶形微納米結構，其形貌特征參數可以獲得有效調控。

(3)激光脈沖個數控制在20-200，從而可以實現在金屬材料表面制備蝶形結構。

(4)本發明通過巧妙利用微納米加工平臺的分光方法形成兩個同色共線傳輸、時間延遲可調的線偏振和角向偏振飛秒激光脈沖，采用物鏡點聚焦方式，方便快速地在金屬表面直寫制備出條紋方向彎曲的二維亞微米蝶形金屬微結構。與傳統的二維周期結構制作過程相比較，本發明提出的技術方法相對簡單、快捷、方便、可操作性高，工藝簡單，成本低，效率高，克服了傳統光路設計與制作技術方法所帶來的繁雜工序。

附圖說明

圖1為本發明以共線方式傳輸且具有時間延遲的線偏振和角向偏振的雙脈沖飛秒激光在金屬表面直寫制備二維亞微米蝶形金屬微結構的光路圖。

其中光學元件的說明分別為：1表示飛秒激光器，2表示中心波長為800納米的飛秒激光，3表示半透半反透鏡，4、5、6、9、10、12、15均表示反射鏡，7表示半波片，11表示一維精密移動平移臺，13表示合束片，14表示徑向偏振轉換器，17表示ccd光譜儀，18表示物鏡(4倍的聚焦融石英物鏡)，19表示待加工的金屬靶樣品材料，20表示三維移動精密平臺，8、16表示衰減片。

圖2和圖3均為在金屬鎢樣品材料樣品表面得到的二維亞微米蝶形結構的制備結構的掃描電子顯微圖像。

具體實施方式

以下結合實施例和附圖對本發明的具體實施方式作進一步詳細說明。

實施例1

如圖1所示，中心波長為800納米、脈寬為50飛秒的飛秒激光2從激光放大器1輸出，出射飛秒激光振方向沿水平方向，為線偏振激光。經過半透半反透鏡3，單束的飛秒激光轉化為傳播方向相互垂直的雙束飛秒激光，雙束飛秒激光經反射鏡4、5、6、9、10、12改變傳播方向，雙束激光最終經合束片13會合，調節反射鏡，使合束后的雙光束同向沿直線傳播。之后在光路中插入半波片7，使該光路中的偏振方向由水平偏振轉化為豎直方向偏振，此后再插入徑向偏振轉換器14，使通過的線偏振光轉化為角向偏振光。每一個入射脈沖從合束器出射后將被轉化成為中心波長相同、偏振分別為線偏振和角向偏振的雙脈沖飛秒激光，它們在空間上共線傳輸并經同一個物鏡18實現光束聚焦。通過控制三維移動精密平臺20，將待加工的金屬靶樣品材料的表面移至激光焦點后200微米距離，通過控制入射飛秒激光的脈沖數目，最終在樣品表面實現二維亞微米蝶形金屬微結構的快速制備。

實施例2

金屬靶樣品材料采用金屬鎢樣品材料，在實施例1中的光路基礎上，采用中性的衰減片16，調節雙光路的激光功率，使雙光路的飛秒激光經合束片出射后的激光功率相等，測得的激光總功率為2微焦，金屬鎢樣品靶面距物鏡焦點200微米，在延遲時間為10皮秒，脈沖個數N＝100時，在金屬鎢樣品材料表面獲得直徑為31微米的蝶形微結構的掃描電子顯微圖，如圖2所示，其中放大倍數為2500倍。

實施例3

金屬靶樣品材料采用金屬鎢樣品材料，在實施例1中的光路基礎上，采用中性的衰減片，調節雙光路的激光功率，使雙光路的飛秒激光經合束片出射后的激光功率相等，在它們入射至聚焦物鏡之前的位置，測得的激光總功率為2毫瓦微焦，金屬鎢樣品靶面距物鏡焦點200微米，脈沖個數N＝100，在延遲時間為正5皮秒和負5皮秒時在金屬鎢樣品材料表面獲得蝶形微結構的掃描電子顯微圖，如圖3中的a、b所示，它們均為樣品材料表面獲得直徑為30微米的蝶形微結構的掃描電子顯微圖，其中放大倍數為2500倍。從該圖中可知：此時樣品表面形成的彎曲條紋的脊面寬度在320～400納米范圍。