[发明专利]一种基于飞秒激光加工物相可调谐光学超表面的方法

说明书

本发明提供一种基于飞秒激光加工物相可调谐光学超表面的方法，通过利用飞秒激光直接在被加工样品表面进行直写加工，在不破坏材料的情况下，通过对脉冲能量的精准控制，调控了被加工样品的多种不同物相，使得其表面产生多种具有不同晶态程度的一致性、均匀性极好的光栅结构，从而形成光学超表面；实现了超表面光栅加工的高效性，克服了FIB切割、电子束掩膜加工等加工方式所具有的加工成本昂贵、加工效率低以及加工周期长等弊端，克服了传统烧蚀加工中，结构均匀性、一致性差的问题。

技术领域

本发明涉及飞秒激光应用技术领域，尤其涉及一种基于飞秒激光加工物相可调谐光学超表面的方法。

背景技术

超表面可以通过亚波长的微结构来调控电磁波的偏振、相位、振幅、频率等特性，是一种结合了光学与纳米科技的新兴技术。目前，随着微纳加工技术和数值模拟技术的不断进步，对光学超表面的研究已经发展到一个新的高度，它脱离了静态器件的研究范畴，而逐渐向新颖的动态可调谐光学器件的方向发展。GST(锗锑碲合金Ge₂Sb₂Te₅)是一种相变材料，作为一种特殊的功能性材料，非晶态和晶态有着差异很大的光学常数n(折射率)、k(消光系数)，而这两种状态是可以通过飞秒激光诱导进行可逆转变的，且转变速度极快。这种非挥发性、光学可切换的全介电材料给动态可调谐光学器件的实现提供了可能。

激光辐照材料表面会产生周期近似入射光波长的周期性微纳结构，飞秒激光的问世使得周期明显小于入射光波长的亚波长表面周期性微纳结构被人们发现，飞秒激光诱导表面周期性结构(LIPSS)为实现光栅超表面的加工提供了一种非接触性的高效加工方法。飞秒激光诱导电介质表面周期结构的形成是因为飞秒激光将材料表面激发到高的激发态，然后经过自组织形成了周期结构。传统的光栅超表面一般采取加工烧蚀条纹的方法，它需要较高的激光功率作用在材料表面产生烧蚀来生成结构，材料烧蚀往往伴随着大量的碎片和表面缺陷的形成，从而导致结构一致性、均匀性极差，严重影响光栅超表面的性能。相比之下，飞秒激光在烧蚀阈值以下辐照GST材料表面能够诱导非晶态GST迅速晶化，产生结构一致性、均匀性极好的晶态周期条纹。目前，加工光栅结构常用的方法还有光刻技术、聚焦离子束铣削以及电子束光刻等方法，这些加工方法存在加工设备昂贵、无法直接实现器件的可调谐性且灵活性差等缺陷，如文献“All-dielectric phase-change reconfigurablemetasurface”中，Artemios Karvounis等人通过采用聚焦离子束(Focused Ion beam，简称FIB)切割的方法，在GST表面加工出纳米级周期的光栅结构，从而实现了一种全介质超表面光栅结构。但是这种方法加工价格昂贵，生产周期长，效率低，且不能够直接的实现超表面的可调谐性。

发明内容

本发明提供的基于飞秒激光加工物相可调谐光学超表面的方法，主要解决的技术问题是：当前超表面光栅结构加工效率低、生产成本昂贵且可调谐性差。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于飞秒激光加工物相可调谐光学超表面的方法，包括：

利用衰减片调节飞秒激光的能量，使其低于被加工样品的烧蚀阈值，且激光能量能够连续调节；

利用半波片调整飞秒激光脉冲偏振方向与激光扫描方向的夹角α；

将被加工样品固定在六维移动平台上，利用在成像光路之前的柱透镜搭配聚焦透镜对飞秒激光进行整形和聚焦，通过成像CCD(电荷耦合器件，Charge Coupled Device)的观测，调节六维移动平台使得飞秒激光聚焦到被加工样品表面；

通过移动六维移动平台，使得被加工样品与飞秒激光焦点作相对运动，在被加工样品表面加工周期性微纳结构。

进一步的，所述利用衰减片调节飞秒激光的能量，在被加工样品表面加工周期性微纳结构包括：