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1、(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201410583872.5 (22)申请日 2014.10.27 B23K 26/06(2014.01) (71)申请人 中国科学院理化技术研究所 地址 100190 北京市海淀区中关村东路 29 号 (72)发明人 段宣明 赵圆圆 郑美玲 赵震声 (74)专利代理机构 北京正理专利代理有限公司 11257 代理人 张文祎 (54) 发明名称 一种激光制备微纳阵列结构的系统和方法 (57) 摘要 本发明公开一种新的利用激光制备微纳阵列 结构的系统和方法。该方法包括 ： 提供具有使待 加工材料产生多光子吸收效应的波长的第一激光 束 ； 将。
2、高斯分布的第一激光束均匀化处理为能量 分布均匀的第一平顶光束 ； 用微透镜阵列组件将 平顶光束分束为以阵列排列的多个激光束 ； 将阵 列排列的多个激光束分别聚焦于同一平面的光束 聚焦组件 ； 和对置于计算机控制的微移动台上的 金属离子溶液进行扫描， 得到数百个微纳尺度的 周期性阵列结构， 其中第一平顶光束的束斑面积 等于或小于所述微透镜阵列组件的有效阵列面 积。本发明能实现快速、 批量、 大规模制备结构一 致的、 尺寸可控的微纳阵列结构。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书12页 附图5页 (10)申请公布号 CN 104。
3、439699 A (43)申请公布日 2015.03.25 CN 104439699 A 1/2 页 2 1. 一种激光制备微纳阵列结构的系统， 包括 ： 用于提供使待加工材料产生多光子吸收效应的第一激光束的第一激光光源 ； 用于将所述第一激光束均匀化为能量分布均匀的第一平顶光束的第一光束整形组 件 ； 用于将所述第一平顶光束分束为以阵列排列的多个激光束的微透镜阵列组件 ； 用于将阵列排列的激光束分别聚焦于同一平面的光束聚焦组件 ； 和 计算机控制的微移动台， 其特征在于， 所述光束整形组件的出瞳面积等于或小于所述微透镜阵列组件的有效阵列面积。 2. 根据权利要求 1 所述的制备微纳阵列结构的。
4、系统， 其特征在于， 所述光束整形组件 包括 ： 用于对来自第一激光光源的第一激光束进行扩束的第一扩束透镜， 和 用于将高斯分布的扩束透镜出射光整形为能量均匀分布的第一平顶光束的第一光束 整形器， 第一光束整形器的出瞳面积等于或小于所述微透镜阵列组件的有效阵列面积。 3. 一种激光制备微纳阵列结构的系统， 其特征在于， 包括 ： 用于提供使待加工材料产生多光子吸收效应的第一激光束的第一激光光源和用于提 供使待加工材料产生表面等离子体吸收和光镊作用的第二激光束的第二激光光源 ； 用于将所述第一激光束均匀化为能量分布均匀的第一平顶光束的第一光束整形组件 和用于将所述第二激光束均匀化为能量分布均匀的。
5、第二平顶光束的第二光束整形组件 ； 用于将所述第一平顶光束和所述第二平顶光束叠加为沿同一光路行进的叠加平顶光 束的二向色镜和反射镜 ； 用于将所述叠加平顶光束分束为以阵列排列的多个激光束的微透镜阵列组件 ； 用于将阵列排列的各激光束分别聚焦于同一平面的光束聚焦组件 ； 和 计算机控制的微移动台， 其特征在于， 所述第一光束整形组件的出瞳面积等于或小于所述第二光束整形组件的出瞳面积， 且 第二光束整形组件的出瞳面积等于或小于所述微透镜阵列组件的有效阵列面积。 4. 根据权利要求 3 所述的制备微纳阵列结构的系统， 其特征在于， 所述第一光束整形 组件包括 ： 用于对来自第一激光光源的第一激光束进。
6、行扩束的第一扩束透镜， 和 用于将高斯分布的第一扩束透镜出射光整形为能量均匀分布的平顶光束的光束整形 器 ； 第一光束整形组件的出瞳面积等于或小于第二扩束透镜的出瞳面积， 第二扩束透镜的 出瞳面积等于或小于所述微透镜阵列组件的有效阵列面积， 且 所述第二光束整形组件包括 ： 用于对来自第二激光光源的第二激光束进行扩束的第二扩束透镜， 和 用于将高斯分布的第二扩束透镜出射光整形为能量均匀分布的平顶光束的光束整形 器， 权 利 要 求 书 CN 104439699 A 2 2/2 页 3 第二扩束透镜的出瞳面积等于或小于所述微透镜阵列组件的有效阵列面积。 5.根据权利要求1或3所述的制备微纳阵列结。
7、构的系统， 其特征在于， 所述微透镜阵列 组件是由数十、 数百或者数千个透镜单元组成的阵列结构。 6.根据权利要求1或3所述的制备微纳阵列结构的系统， 其特征在于， 所述微透镜阵列 单元周期为 0.1m-10mm。 7.根据权利要求1或3所述的制备微纳阵列结构的系统， 其特征在于， 所述光束聚焦组 件包括 ： 用于将以阵列排列的多个激光束分别聚焦于同一平面的显微镜物镜， 和 放置于在所述微透镜阵列组件与物镜之间用于使微透镜阵列焦平面上的点光源会聚 于物镜入瞳的中继透镜。 8. 根据权利要求 7 所述的制备微纳阵列结构的系统， 其特征在于， 所述的中继透镜为 凸透镜， 焦距为 50mm-500m。
8、m。 9. 一种激光制备微纳阵列结构的方法， 包括 提供具有使待加工材料产生多光子吸收效应的波长的第一激光束 ； 将高斯分布的第一激光束均匀化处理为能量分布均匀的第一平顶光束 ； 用微透镜阵列组件将平顶光束分束为以阵列排列的多个激光束 ； 将阵列排列的多个激光束分别聚焦于同一平面的光束聚焦组件 ； 和 对置于计算机控制的微移动台上的待加工样品进行扫描， 得到数百个微纳尺度的周期 性阵列结构， 其特征在于， 所述第一平顶光束的束斑面积等于或小于所述微透镜阵列组件的有效阵列面积。 10. 一种激光制备微纳阵列结构的方法， 包括 提供具有使待加工材料产生多光子吸收效应的波长的第一激光束和具有使该待加。
9、工 材料产生表面等离子体吸收和光镊作用的第二激光束 ； 分别将高斯分布的第一激光束和第二激光束均匀化处理为能量分布均匀的第一平顶 光束和第二平顶光束 ； 用于将所述第一平顶光束和所述第二平顶光束叠加为沿同一光路行进的叠加平顶光 束 ； 用微透镜阵列组件将所述叠加平顶光束分束为以阵列排列的多个激光束 ； 将阵列排列的各激光束分别聚焦于同一平面 ； 和 用阵列排列的激光束对置于计算机控制的微移动台上的待加工样品进行扫描， 得到数 百个微纳尺度的周期性阵列结构， 其特征在于， 所述第一平顶光束的束斑面积等于或者小于所述第二平顶光束的束斑面积， 且所述第 二平顶光束的束斑面积等于或小于所述微透镜阵列组。
10、件的有效阵列面积。 权 利 要 求 书 CN 104439699 A 3 1/12 页 4 一种激光制备微纳阵列结构的系统和方法 技术领域 0001 本发明涉及基于金属、 聚合物、 复合材料等功能性材料的微纳结构制备领域。 更具 体地， 涉及一种利用飞秒激光制备周期性微纳阵列结构的系统和方法。 背景技术 0002 由于金属、 聚合物、 复合材料等功能性材料的微纳结构具有新颖的光学、 电学、 磁 学性能， 在微纳光电子器件、 表面等离子体基元共振与传输、 高灵敏度化学与生物传感器、 高集成度光电器件、 太阳能电池三维纳米电极及人工超材料等方面具有重要应用潜力， 因 此对于功能材料微纳结构制备方法。
11、的研究也受到广泛重视。 0003 目前， 利用飞秒激光多光子还原来制备功能材料微纳结构由于其能够直写出任意 的复杂三维结构， 且能够突破衍射极限达到微纳米尺度的加工精度， 因此在各种微纳结构 的加工方法中脱颖而出， 成为一个研究热点。但是这种直写加工方法由于受到加工过程中 扫描方式的限制， 仍面临着加工效率低、 加工面积有限的问题。 0004 为了提高飞秒激光三维直写加工技术的加工效率， 人们进行了很多研究。例如， 2005 年， 日本 S.Kawata 研究组采用重复频率为 1000Hz 的飞秒放大级激光器， 并利用微 透镜阵列将一束激光分为两百多激光束， 使激光束焦点呈阵列化分布， 可实现。
12、同时并行加 工两百多个微结构。这种方法为大批量生产 MEMS 零部件提供了途径， 参见 J.Kato 等， Appl.Phys.Lett.， 2005， 86(4) ： 44102。2006 年， 该研究小组通过使用上述的方法结合无 极电镀技术， 实现了聚合物阵列结构表面的金属化， 可以同时并行加工七百多个周期性金 属结构， 且金属结构大小均匀， 结构特征尺度可以达到 100nm 以下， 参见 F.Formanek 等， Opt.Express， 2006， 14 ： 800809。再如， 2005 年， 日本 S.Matsuo 等人同样采用重复频率 为 1000Hz 的飞秒放大级激光器， 并。
13、利用微透镜阵列将扩束后的激光束分为数百多束， 在 微透镜焦点处形成阵列化点光源， 在微透镜与物镜中间加入中继透镜， 使发散的点光源会 聚于物镜入瞳。通过调节中继透镜的焦距， 实现物镜焦平面阵列化焦点间距的调节， 参见 S.Matsuo 等， Appl.Phys.A， 2005， 80 ： 683685。2007 年， 该研究小组又在微透镜阵列焦 平面上加入一块光掩膜板， 这使得加工出的二维周期性阵列结构具有任意可设计的图案轮 廓， 参见 S.Matsuo 等， Appl.Opt.， 2007， 46 ： 82648267。 0005 但是， 上述的加工方法具有以下缺点 ： 由于激光束光斑具有高。
14、斯能量分布， 光斑 中心能量高边缘能量低， 能量束斑平面内分布不均匀。在将激光束应用于微透镜阵列时首 先要对呈高斯分布的激光束进行扩束以扩大的激光束中高能量部分的面积。为得到尽可 能均匀的加工效果， 现有加工方法中仅使激光束中能量高且相对均匀的中心部分通过微透 镜阵列而放弃扩束后激光束的边缘部分， 这导致相当一部分激光束能量的损失。由于激光 经微透镜阵列分束后每束激光的能量显著降低， 为使各分束激光束具有能够产生多光子吸 收效应的能量， 需要采用放大级激光器来满足要求， 也就是在激光器中引入再生放大器将 激光器输出的激光脉冲能量放大多于三个数量级， 达到例如每脉冲 1.8mJ 能量。再生放大 。
15、器的引入一方面导致了设备费用大幅度增加， 另一方面由于再生放大器的重复频率只有 说 明 书 CN 104439699 A 4 2/12 页 5 1000Hz， 在扫描速度较高时将导致所获得的结构的光滑度下降。 同时， 虽然采用扩束方式将 激光能量分散， 但是束斑中用于分束部分的中心结构与边缘结构的能量差别仍然较大， 所 得到阵列结构的一致性不够理想。 由于阵列结构之间的间距是由微透镜阵列中透镜单元的 间距决定， 在微透镜阵列单元分布较密的情况下其所能够制备的结构的尺寸有限， 只适合 制备小尺寸的零部件， 不能实现较大结构的并行加工。 0006 为解决利用微透镜阵列实现微纳阵列结构加工方法中光束。
16、能量差异导致结构一 致性较差、 激光重复频率过低导致结构表面粗糙、 以及结构尺寸有限等问题， 中国科学院理 化技术研究所Xian-Zi Dong等人提出继续采用80MHz准连续的飞秒振荡级激光器， 通过衍 射元件将一束激光分为 9 束， 实现了可组合的多束光并行加工方法。虽然焦点数量较单焦 点加工只提高9倍， 但这种方法可实现由多个零部件组合的MEMS快速加工与装配， 同时， 通 过简单的光路元件的适当配置可实现焦点数量和周期的任意调节来制备任意尺寸的微纳 结构， 参见 Xian-Zi Dong 等， Appl.Phys.Lett.， 2007， 91 ： 124103。但是该方法与微透镜阵 。
17、列加工相比， 不能同时并行加工数百个微纳结构， 无法实现大面积、 阵列化结构的制备。 0007 因此， 需要一种新的激光直写加工技术， 其既能满足同时并行加工数百个微纳结 构， 实现大面积、 阵列化结构的制备， 同时制得的微纳结构分辨率高、 表面一致性好、 尺寸可 控。 发明内容 0008 本发明的一个目的在于提供一种利用激光制备微纳阵列结构的系统。 本发明能实 现快速、 批量、 大规模制备结构一致的、 尺寸可控的微纳阵列结构。 0009 本发明另一目的是提供一种新的利用激光制备微纳阵列结构的方法。 0010 为了解决将激光扩束后光斑中心与边缘的能量差异所导致制备的微纳阵列结构 一致性不理想的。
18、问题， 本发明提出在激光扩束后加入光束整形组件对激光呈高斯分布的能 量进行均匀化处理， 使其变成能量分布均匀的平顶光束。当平顶光束通过微透镜阵列组件 分束后， 得到能量分布均匀的数百束激光， 这样就能保证每一束激光制备的微纳结构保持 较理想的一致性。在本发明中， 通过将对激光能量进行均匀化处理的光束整形组件的出瞳 面积选择为等于或小于微透镜阵列组件的有效阵列面积， 可以将激光束的全部能量用于形 成激光束阵列。因为激光光源输出的激光束的能量得以充分利用， 无需采用重复频率低且 价格昂贵的放大级激光器， 仅用常规激光器就可以制备出表面光滑的微纳阵列结构。 0011 本发明利用光学聚焦组件将经微透镜。
19、阵列组件分束后的数百束激光聚焦于待加 工样品， 以金属离子溶液为例。将激光光源调节为其输出波长能够使待加工的金属离子产 生多光子吸收效应并还原为金属纳米颗粒的激光束， 激光束并不在其通过的所有区域与溶 液发生作用， 而仅仅在激光束能量达到可以使溶液产生多光子吸收引发光化学反应的阈值 的区域进行。通过调节激光束的能量， 使经过每一个微透镜单元的光束能量达到光化学反 应的阈值， 使每一个聚焦激光束的焦点范围内被照射的金属离子同时吸收多个光子， 产生 多光子吸收效应， 引发光化学反应从而被还原为金属纳米颗粒， 金属纳米颗粒聚集形成金 属微纳结构。这样就可以快速、 批量、 大规模制备金属微纳结构。 0。
20、012 根据本发明的一个方面， 提供一种激光制备微纳阵列结构的系统， 包括 ： 0013 用于提供使待加工材料产生多光子吸收效应的第一激光束的第一激光光源 ； 说 明 书 CN 104439699 A 5 3/12 页 6 0014 用于将所述第一激光束均匀化为能量分布均匀的第一平顶光束的第一光束整形 组件 ； 0015 用于将所述第一平顶光束分束为以阵列排列的多个激光束的微透镜阵列组件 ； 0016 用于将阵列排列的激光束分别聚焦于同一平面的光束聚焦组件 ； 和 0017 计算机控制的微移动台， 0018 其特征在于， 0019 所述光束整形组件的出瞳面积等于或小于所述微透镜阵列组件的有效阵。
21、列面积。 0020 优选地， 所述第一光束整形组件包括 ： 0021 用于对来自激光光源的激光束进行扩束的第一扩束透镜， 和 0022 用于将高斯分布的第一扩束透镜出射光整形为能量均匀分布的平顶光束的第一 光束整形器。 0023 第一光束整形器出瞳面积等于或小于所述微透镜阵列组件的有效阵列面积。 0024 根据本发明的另一方法， 提供一种激光制备微纳阵列结构的系统， 该系统包括用 于提供使待加工材料产生多光子吸收效应的第一激光束的第一激光光源和用于提供使待 加工材料产生表面等离子体吸收和光镊作用的第二激光束的第二激光光源 ； 0025 用于将所述第一激光束均匀化为能量分布均匀的第一平顶光束的第。
22、一光束整形 组件和用于将所述第二激光束均匀化为能量分布均匀的第二平顶光束的第二光束整形组 件 ； 0026 用于将所述第一平顶光束和所述第二平顶光束叠加为沿同一光路行进的叠加平 顶光束的二向色镜和反射镜 ； 0027 用于将所述叠加平顶光束分束为以阵列排列的多个激光束的微透镜阵列组件 ； 0028 用于将阵列排列的各激光束分别聚焦于同一平面的光束聚焦组件 ； 和 0029 计算机控制的微移动台， 0030 其特征在于， 0031 所述第一光束整形组件的出瞳面积等于或者小于所述第二光束整形组件的出瞳 面积， 且第二光束整形组件的出瞳面积等于或小于所述微透镜阵列组件的有效阵列面积。 0032 优选。
23、地， 所述第一光束整形组件包括 ： 用于对来自第一激光光源的第一激光束进 行扩束的第一扩束透镜， 和 0033 用于将高斯分布的第一扩束透镜出射光整形为能量均匀分布的平顶光束的光束 整形器， 0034 第一光束整形器的出瞳面积等于或小于所述微透镜阵列组件的有效阵列面积， 且 0035 所述第二光束整形组件包括 ： 0036 用于对来自第二激光光源的第二激光束进行扩束的第二扩束透镜， 和 0037 用于将高斯分布的第二扩束透镜出射光整形为能量均匀分布的平顶光束的光束 整形器。 0038 第二扩束透镜的出瞳面积等于或小于所述微透镜阵列组件的有效阵列面积。 0039 优选地， 所述微透镜阵列组件包括。
24、数十、 数百个或者数千个透镜单元的阵列结构。 0040 优选地， 所述微透镜阵列单元周期为 0.1m-10mm。 0041 优选地， 所述光束聚焦组件包括 ： 说 明 书 CN 104439699 A 6 4/12 页 7 0042 用于将以阵列排列的多个激光束分别聚焦于同一平面的显微镜物镜， 和 0043 放置于在所述微透镜阵列组件与物镜之间用于使微透镜阵列焦平面上的点光源 会聚于物镜入瞳的中继透镜。 0044 优选地， 所述的中继透镜为凸透镜， 焦距为50mm-500mm。 通过调节位于微透镜阵列 组件和物镜之间的中继透镜的焦距， 可以实现物镜焦平面上阵列焦点的周期的调节， 从而 实现对微。
25、纳阵列结构周期的调节， 由此可以制备任意尺寸的周期性微纳结构。 0045 根据本发明的又一方面， 提供一种激光制备微纳阵列结构的方法， 该方法包括， 0046 提供具有使待加工材料产生多光子吸收效应的波长的第一激光束 ； 0047 将高斯分布的第一激光束均匀化处理为能量分布均匀的第一平顶光束 ； 0048 用微透镜阵列组件将平顶光束分束为以阵列排列的多个激光束 ； 0049 将阵列排列的多个激光束分别聚焦于同一平面的光束聚焦组件 ； 和 0050 对置于计算机控制的微移动台上的待加工样品进行扫描， 得到数百个微纳尺度的 周期性阵列结构， 0051 其特征在于， 0052 所述第一平顶光束的束斑。
26、面积等于或小于所述微透镜阵列组件的有效阵列面积。 0053 优选地， 待加工样品为有机光敏材料， 无机光敏材料， 金属离子溶液。 0054 根据本发明的再一方面， 提供一种激光制备微纳阵列结构的方法， 该方法包括， 0055 提供具有使待加工材料产生多光子吸收效应的波长的第一激光束和具有使该待 加工材料产生表面等离子体吸收和光镊作用的第二激光束 ； 0056 分别将高斯分布的第一激光束和第二激光束均匀化处理为能量分布均匀的第一 平顶光束和第二平顶光束 ； 0057 用于将所述第一平顶光束和所述第二平顶光束叠加为沿同一光路行进的叠加平 顶光束 ； 0058 用微透镜阵列组件将所述叠加平顶光束分束。
27、为以阵列排列的多个激光束 ； 0059 将阵列排列的各激光束分别聚焦于同一平面 ； 和 0060 用阵列排列的激光束对置于计算机控制的微移动台上的待加工样品进行扫描， 得 到数百个微纳尺度的周期性阵列结构， 其中 0061 所述经均化的第一平顶光束等于或者小于第二平顶光束的束斑面积， 且第二平顶 光束的束斑面积等于或小于所述微透镜阵列组件的有效阵列直径。 0062 适用于本发明的光束整形器的适用波长范围为 157nm-1064nm， 光束整形器的入射 光束直径为 1mm-20mm， 可为无源或有源器件。 0063 优选地， 待加工样品为金属离子溶液。 0064 优选地， 微透镜阵列组件的材质为。
28、玻璃、 石英或树脂聚合物。 0065 优选地， 微透镜阵列单元的形状为球面透镜单元或非球面透镜单元。 更优选地， 所 述非球面透镜单元的形状为抛物面状、 三面体状、 四面体状、 六面体状、 八面体状和圆锥体 状。 0066 优选地， 所述第一激光束为脉冲激光束， 脉冲宽度为从纳秒到飞秒范围， 重复频率 为 1Hz-100MHz， 波长调节范围为 157nm-1064nm。优选地， 所述第一激光束的偏振态为线偏 振、 圆偏振或椭圆偏振。 说 明 书 CN 104439699 A 7 5/12 页 8 0067 优选地， 所述第二激光束为连续或准连续激光束， 波长调节范围为 300nm-1064n。
29、m。 优选地， 所述第二激光束的偏振态为线偏振、 圆偏振或椭圆偏振。 0068 优选地， 所述物镜为显微镜物镜 ； 更优选地， 所述显微镜物镜为干燥物镜、 水浸物 镜或油浸物镜。 0069 所述计算机控制的微移动台用来控制激光束焦点在金属离子液体中的移动和定 位。所述计算机控制的微移动台为三维微移动台， 三维微移动台在 x， y 和 z 方向上的移动 范围分别为 1nm-200mm。 0070 根据本发明的系统可进一步包括用于调节激光束的曝光时间的光闸以及用于调 节激光束的曝光能量的光衰减器。光衰减器将第一激光束的曝光时间调节为 1ms-10min， 曝光能量为作用于金属离子溶液里的激光平均功。
30、率在 0.1W-2W。光衰减器将第二激光 束的曝光时间调节为 1ms-10min， 曝光能量为作用于金属离子溶液里的激光平均功率在 0.1W-2W。 0071 优选地， 所述有机光敏材料选自可发生光聚合反应的有机材料、 可发生光分解反 应的有机材料、 含有可发生光交联反应分子的有机材料和含有可发生光异构化反应分子的 有机材料。 0072 优选地， 所述无机光敏材料选自可发生光聚合反应的无机材料、 可发生光分解反 应的无机材料、 含有可发生光交联反应分子的无机材料、 含有可发生光还原反应分子的无 机材料和含有可发生光氧化反应分子的无机材料。 0073 优选地， 放置于微移动台上的金属离子溶液的样。
31、品包括基片、 施加在基片上的金 属离子溶液和放置在所述溶液上的辅助衬底。所述基片是玻璃基片、 石英基片、 塑料基片、 陶瓷基片或半导体基片。所述辅助衬底是玻璃基片、 石英基片、 塑料基片、 陶瓷基片或半导 体基片。 0074 可应用于本发明的金属离子溶液包括银离子溶液、 金离子溶液、 铂离子溶液、 铜离 子溶液、 铁离子溶液、 镍离子溶液、 钴离子溶液或钯离子溶液。 优选地， 所述金属离子溶液进 一步包括表面活性剂。表面活性剂可包括 N- 癸酞肌氨酸钠盐、 柠檬酸钠、 十六烷基嗅化按、 十二烷基苯磺酸钠、 丁酸钠、 戊酸钠、 己酸钠、 辛酸钠、 癸酸钠以及两者以上的混合物。 0075 根据本发。
32、明得到的周期性微纳阵列结构可以是一维微纳结构、 二维微纳结构或三 维微纳结构。 0076 优选地， 根据制备金属微纳阵列结构的需要， 激光焦点扫描的位置选择在基片和 金属离子溶液的界面， 或者辅助衬底和金属离子溶液的界面， 在基片， 或者辅助衬底上得到 金属微纳阵列结构。 0077 本发明的有益效果如下 ： 0078 本发明利用飞秒激光直写加工技术可以在金属离子溶液中直接还原出得到所需 三维、 高分辨的金属微纳结构， 而且在光敏材料中通过聚合反应、 分解反应、 交联反应等得 到任意所需的功能性微纳结构。 通过设置光束整形组件来将直写加工系统中的能量呈高斯 分布的激光束处理为能量在束斑平面内均匀。
33、分布的平顶光， 得到了一致性良好的微纳阵列 结构。 通过设置微透镜阵列组件， 使得本发明的系统可同时并行加工数百个微纳阵列结构， 从而实现快速、 批量、 大规模制备周期性微纳结构。具体地， 0079 1、 本发明采用激光光束能量匀化技术， 充分利用激光能量， 避免了现有技术中必 说 明 书 CN 104439699 A 8 6/12 页 9 须采用放大级激光器才能实现微纳阵列结构加工的高昂设备费用， 降低了加工成本。 0080 2、 本发明采用激光直写技术在金属离子溶液以及其他光敏材料中直写金属及其 他功能材料的微纳结构， 工艺简单、 操作方便、 原料耗费少、 同样也降低加工成本。 0081 。
34、3、 本发明的方法采用微透镜阵列进行分束， 可以同时并行加工上百个微纳结构， 具有加工效率高、 加工面积大、 一次成型的优点。 0082 4、 本发明能够通过调节激光能量和移动速度来精确控制微纳器件结构的尺寸， 得 到的微结构具有分辨率高、 特征尺度小的特点。 0083 5、 本发明的方法可以实现一维、 二维或三维等复杂周期性阵列微纳结构的加工。 附图说明 0084 下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。 0085 图 1 为本发明的系统的示意图 ； 0086 图 2 为本发明利用微透镜阵列分束后的阵列点光源聚焦于样品中制作阵列微纳 结构的系统的示意图 ； 0087 图 3 为。
35、本发明的方法的流程图 ； 0088 图 4 为高斯光束经过光束整形器变为平顶光的示意图 ； 0089 图 5 为微透镜阵列组件把平顶光分束后并聚焦为点光源的示意图 ； 0090 图 6 为转中继镜调节微纳阵列结构的间距原理图 ； 0091 图 7A 为实施例 1 光斑整形之前的高斯光束光强分布 ； 0092 图 7B 为实施例 1 光斑整形之后的平顶光束光强分布 ； 0093 图 7C 为实施例 1 平顶光束经过微透镜阵列分束后的焦点处光强分布 ； 0094 图 8 为实施例 1 制作的 70 个银点阵列的扫描电镜图 ； 0095 图 9 为实施例 1 制作的 200 个银点阵列的扫描电镜图 。
36、； 0096 图 10 为实施例 2 制作的 70 个银字母 “L” 阵列的扫描电镜图。 具体实施方式 0097 为了更清楚地说明本发明， 下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说 明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解， 下面所具 体描述的内容是说明性的而非限制性的， 不应以此限制本发明的保护范围。 0098 图 1 为本发明的系统的示意图。该系统包括 ： 位于第一光路上的第一激光光源 1， 第一光闸 2， 第一衰减器 3， 包括透镜 4 和 5 的透镜组， 第一光束整形器 6 ； 位于第二光路上 的第二激光光源 7， 第二光闸 8， 第二衰减器 9， 包括。
37、透镜 10 和 11 的透镜组， 第二光束整形 组件 12， 反射镜 13 ； 用于将第一光路和第二光路叠加的二向色镜 14， 位于叠加激光束传播 路径上的微透镜阵列组件 15， 中继透镜 16， 反射镜 17， 物镜 18 和微移动台 19， 以及位于微 移动台上的待加工样品 20。第一激光光源 1， 例如为脉冲激光光源， 脉冲宽度为从纳秒到飞 秒范围， 重复频率为 1Hz-100MHz， 波长调节范围为 157nm-1064nm， 平均功率为 0.1W-3W， 用于产生纳秒到飞秒脉冲的第一激光束以使待加工材料产生双光子吸收效应。第一光闸 2 用于控制第一激光光源输出光路的开启和关闭， 第一。
38、衰减器 3 用于控制照射加工过程中来 自第一激光光源产生的第一激光束入射到样品中的激光功率。 透镜4和透镜5， 例如为焦距 说 明 书 CN 104439699 A 9 7/12 页 10 1mm-500mm 的扩束透镜， 或者透镜 4 和透镜 5 替换为倍数可调的扩束透镜， 用于将来自第一 激光光源 1 的高斯分布的第一激光束扩束。第一光束整形器 6 用于对第一激光束呈高斯分 布的能量进行均匀化处理， 产生第一平顶光束。在该光路中， 包括扩束透镜 4， 5 和光束整形 器 6 的第一光束整形组件的出瞳面积被选择为等于或小于系统中微透镜阵列组件的有效 阵列面积， 以确保光束整形组件的出射光束完。
39、全入射到微透镜阵列组件的微透镜单元阵列 上。在根据本发明的一个实施方案中， 扩束透镜出瞳面积小于或小于微透镜阵列组件的有 效阵列面积。 微透镜阵列组件将来自光束整形器的能量均匀分布的入射光分束为数百束激 光， 使焦点呈阵列分布， 形成阵列点光源。 该微透镜阵列组件的微透镜单元阵列以圆形或方 形或其他形状布置。 微透镜单元阵列中对应于圆形入射光束的微透镜单元阵列区域的面积 也称为有效阵列面积， 被选择为等于或大于光束整形组件的出瞳面积。这样第一激光束的 能量没有或几乎没有损失地被完全用于形成阵列点光源， 使得激光光源输出的能量被有效 转化。 根据本发明的系统， 无需采用重复频率过低且价格昂贵能耗。
40、较高的放大级激光器， 仅 用常规激光器就可以使分束后的激光束阵列中每一激光束具有可以使待加工材料产生双 光子吸收效应的能量， 实现微纳阵列结构的加工。 0099 第 二 激 光 光 源 7， 例 如 为 连 续 或 者 准 连 续 激 光 光 源， 波 长 调 节 范 围 为 300nm-1064nm， 平均功率为 0.1W-2W， 用于产生输出使待加工材料产生光镊作用和表面等 离子体吸收热作用的第二激光束， 第二光闸 8 用于控制第二激光光源输出光路的开启和关 闭， 第二衰减器 9 用于控制照射加工过程中来自第二激光光源产生的第二激光束入射到样 品中的激光功率。透镜 10 和透镜 11 例如。
41、为焦距 1mm-500mm 的透镜， 用于将第二激光光源 7 的第二激光束扩束。第二光束整形器 12 用于对第二激光束呈高斯分布的能量进行均匀化 处理， 产生第二平顶光束。在该光路中， 包括扩束透镜 10， 11 和光束整形器 12 的第二光束 整形组件的出瞳面积等于或大于第一光路中第一光束整形组件的出瞳面积， 且等于或小于 系统中微透镜阵列组件的有效阵列面积。 0100 二向色镜 14 用于反射第二平顶光束， 并且透过第一平顶光束， 以将第一平顶光束 和第二平顶光束叠加为沿同一光路行进的叠加平顶光束。 叠加平顶光束的整个光束入射到 微透镜阵列组件 15 上， 微透镜阵列组件将能量均匀分布的叠。
42、加平顶光束分束为数百束激 光， 使焦点呈阵列分布， 形成阵列点光源。 该微透镜阵列组件的微透镜单元阵列以圆形或方 形或其他形状布置， 微透镜单元阵列中对应于圆形入射光束的微透镜单元阵列区域的面积 也称为有效阵列面积， 其被选择为等于或大于光束整形组件的出瞳面积。这样第一和第二 激光束的能量没有或几乎没有损失地被完全用于形成阵列点光源， 使得激光光源输出的激 光束的能量被有效转化。 根据本发明， 无需采用重复频率过低且价格昂贵的放大级激光器， 仅用常规激光器就可以使分束后的激光束阵列中每一激光束具有可以使待加工材料产生 双光子吸收效应、 表面等离子体吸收和光镊作用的能量， 实现微纳阵列结构的加工。
43、。 0101 中继透镜 16， 例如焦距为 50mm-500mm 的凸透镜， 用于使微透镜阵列焦平面上发散 的阵列点光源会聚于物镜入瞳焦平面。反射镜 17 用于将阵列点光源反射到物镜中。物镜 18 用于将阵列点光源聚焦到置于微移动台 19 上的待加工样品 20 中。 0102 物镜 18 优选为干燥物镜、 浸水物镜或浸油物镜， 数值孔径为 0.75-1.65， 放大倍数 为 10-100 倍。微移动台 19 由计算机控制， 移动范围例如为 1nm-200mm。 0103 图 2 为本发明利用微透镜分束后的阵列点光源聚焦于金属离子溶液样品中制作 说 明 书 CN 104439699 A 10 8。
44、/12 页 11 金属阵列微纳结构的系统的示意图。中继透镜 16 将所述微透镜阵列组件 15 发出的阵列点 光源的发散光束会聚于物镜入瞳平面处。进入物镜入瞳的每一束激光束 25 用显微镜物镜 18聚焦于放置在微移动台19的金属离子溶液样品20中。 放置于三维移动台上的金属离子 溶液的样品 20 包括基片 21、 施加在基片上的金属离子溶液 23 和放置在所述溶液上的辅助 衬底 22。根据加工金属微纳阵列结构的需要， 通过微移动台， 将基片 21 和金属离子溶液 23 的界面， 或者辅助衬底 22 和金属离子溶液 23 的界面移动到聚焦于物镜 18 焦平面上的阵列 焦点 24 的位置， 可在基片。
45、 21 或者辅助衬底 22 上得到金属微纳阵列结构。 0104 图 3 为本发明的方法的流程图。 0105 首先， 在加工之前配置待加工材料， 比如有机光敏材料、 无机光敏材料和金属离子 溶液等。 0106 所述有机光敏材料选自可发生光聚合反应的有机材料、 可发生光分解反应的有机 材料、 含有可发生光交联反应分子的有机材料和含有可发生光异构化反应分子的有机材 料。 0107 所述无机光敏材料选自可发生光聚合反应的无机材料、 可发生光分解反应的无机 材料、 含有可发生光交联反应分子的无机材料、 含有可发生光还原反应分子的无机材料和 含有可发生光氧化反应分子的无机材料。 0108 所述的金属离子溶。
46、液通常包括银离子溶液、 金离子溶液、 铂离子溶液、 铜离子溶 液、 铁离子溶液、 镍离子溶液、 钴离子溶液或钯离子溶液。 0109 所述金属离子溶液可进一步包括表面活性剂成分， 如 n- 癸酞肌氨酸钠盐、 柠檬酸 钠、 十六烷基嗅化按、 十二烷基苯磺酸钠、 丁酸钠、 戊酸钠、 己酸钠、 辛酸钠、 癸酸钠以及两者 以上的混合物。 0110 然后， 将待加工的样品放置于微移动台上。 0111 所述待加工样品包括基片、 施加在所述基片上的待加工材料。所述基片通常为玻 璃基片， 例如普通光学玻璃、 ITO 玻璃基片或 FTO 玻璃基片， 石英基片， 陶瓷基片， 氧化物基 片， 例如氧化锆基片， 半导体。
47、基片。可根据需要对使用的基片涂覆或淀积薄膜， 以便获得良 好的微纳结构。 为防止微纳结构制作过程中加工材料中溶剂的蒸发， 常采用基片、 金属离子 溶液和透明辅助衬底组成的三明治结构将溶液密封。例如， 可将用于容纳溶液的样品槽放 置于基片上， 在槽中加满金属离子溶液后， 将透明辅助衬底放置在样品槽上， 得到基片、 金 属离子溶液和透明辅助衬底的三明治结构。 对于不透明或厚度超过所用聚焦物镜工作距离 的基片， 须将激光束从所述三明治结构的透明辅助衬底方向照射所述金属离子溶液， 对所 述溶液中指定位置进行加工。 0112 随后， 调节第一激光光源 1 输出的第一激光束， 该激光束具有达到能够使所述金。
48、 属离子溶液中的金属离子产生多光子效应的波长， 通过透镜 4 和 5 扩束使脉冲激光光源产 生的激光束的光斑直径调整到能够满足光束整形组件所要求的入射光束直径。 用光束整形 器 6 对第一激光束呈高斯分布的光斑能量进行均匀化处理， 使其变成能量分布均匀的第一 平顶光束， 如图 4 所示， 激光束经过光束整形器前后光斑能量由高斯分布变成了均等分布。 0113 调节第二激光光源 7 输出的第二激光束波长， 输出产生光镊作用和表面等离子体 吸收热作用的波长， 通过透镜 10 和 11 扩束使激光光源产生的激光束的光斑直径调整为能 够满足光束整形组件所要求的入射光束直径。用光束整形器 12 对激光束呈。
49、高斯分布的光 说 明 书 CN 104439699 A 11 9/12 页 12 斑能量进行均匀化处理， 使其变成能量分布均匀的第二平顶光束， 如图 4 所示， 激光束经过 光束整形器前后光斑能量由高斯分布变成了均等分布。所述光束整形器 6 和 12 的适用波 长范围 157nm-1064nm， 光束整形器所要求的入射光束直径例如为 1mm-20mm。随后， 用二向 色镜将第一平顶光束和第二平顶光束叠加为沿同一光路行进的叠加平顶光束。随后， 用微 透镜阵列7将上述能量均等的叠加平顶光束分为数百束激光束， 使焦点呈阵列分布。 如图5 所示， 平顶光束为圆形光斑， 其相位和电磁场强度在垂直于传播方向的平面内处处相等， 可 认为是平行光， 经微透镜阵列分束后， 聚焦于其焦平面上， 形成阵列点光源。阵列点光源的 整。