本发明涉及一种基于电子动态调控的三维周期结构加工方法，属于飞秒激光应用技术领域。本发明中针对材料特性，采用电子动态调控的飞秒激光脉冲序列代替传统的单脉冲，从根本上实现了控制激光与材料相互作用过程中的局部瞬时电子动态及后续相变过程，本方法能够更加准确的获得三维圆锥状周期结构或者一维类光栅结构，克服了传统加工中调节能量或脉冲个数精度低的问题。
1.基于电子动态调控的三维周期结构加工方法，其特征在于：通过以下技术来实现的：步骤一、设计飞秒激光脉冲序列；
具体设计方法为：通过脉冲整形器进行飞秒激光脉冲整形，将一个脉宽为n fs的激光脉冲在时域上分成三个脉宽均为n fs的子脉冲，其中 三个子脉冲间的两个脉冲延迟分别为t1和t2，且t1和t2均为飞秒量级，分别独立可调，从而得到一组飞秒激光脉冲序列；然后在飞秒尺度调整脉冲延迟参数，使得飞秒激光脉冲序列与加工材料相互作用过程中能改变材料的局部瞬时电子动态；
步骤二、将步骤一得到的飞秒激光脉冲序列，入射到加工物镜中聚焦，并保持激光焦点聚焦到样品表面；
步骤三、通过置于脉冲整形器入口前的光学器件调整脉冲序列的总能量，使之高于样品材料的烧蚀阈值；
步骤四、用调整能量后的飞秒激光脉冲序列按照图纸进行加工，通过脉冲整形器控制t1和t2的大小，得到不同的周期结构；
所述周期结构为激光烧蚀导致表面材料去除后得到的具有特定周期的结构 ；所述具有特定周期的结构为由凹槽和凸起组成的一维类光栅结构，或者三维圆锥状周期结构；
当调节其中一个脉冲延迟t1或t2小于n fs时，飞秒激光脉冲序列辐照样品表面得到周期为近波长的一维类光栅结构，此时调节另一个脉冲延迟不会对周期结构的类型产生影响，只改变一维类光栅结构的周期；
当调节其中一个脉冲延迟t1或t2大于等于n fs而小于2n fs,调节另一个脉冲延迟至大于2n fs时，得到三维圆锥状周期结构；
当调节t1和t2均大于等于2n fs时，得到亚波长的一维类光栅结构，且一维类光栅结构方向与近波长的一维类光栅结构垂直；
步骤五、控制辐照到样品表面的脉冲序列个数，使得总个数小于50，以得到均匀的周期结构。
2.根据权利要求1所述的基于电子动态调控的三维周期结构加工方法，其特征在于：所述局部瞬时电子动态包括电子激发、电离、复合过程以及自由电子密度、温度。
3.根据权利要求1所述的基于电子动态调控的三维周期结构加工方法，其特征在于：相邻两组飞秒激光脉冲序列间的时间间隔为ms-s量级。
4.根据权利要求1所述的基于电子动态调控的三维周期结构加工方法，其特征在于：所述加工材料为绝缘体。
基于电子动态调控的三维周期结构加工方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种基于电子动态调控的三维周期结构加工方法，属于飞秒激光应用技术领域。
背景技术
[0002] 对于金属，半导体，电介质材料，在飞秒激光辐照之下都可以出现永久性的表面周期性结构。飞秒激光诱导表面周期性结构在突破衍射极限的纳米光栅、微光学器件、功能性表面制备（改变表面光学、光电、浸润特性等）等领域有着广泛的应用。
[0003] 长脉冲激光（纳秒、皮秒等）在材料表面辐照后会出现周期近似入射光波长的周期性结构。飞秒激光出现后，周期明显小于入射光波的亚波长表面周期性结构开始被人们发现。通过改变入射光的脉宽、能量密度及脉冲数目等，都会对表面周期性结构产生影响。E.M.Hsu,T.H.R.Crawford,H.F.TiedjeandH.K.Haugen,Appl.Phys.Lett.91,111102(2007)中，作者改变飞秒激光的脉宽在150fs-7ns的范围内，发现当脉宽大于80ps时基本都是近波长周期结构，亚波长周期结构仅出现于脉宽小于80ps的情况。但这种方法的参数变化范围较大，不利于准确的控制结构周期的大小，且仅局限于改变结构的周期。A.Rosenfeld,M.Rohloff,S.Hohm,J.Kruger,J.Bonse,Appl.Sur.Sci.258，9233(2012)中，作者采用双脉冲的方法，脉冲间隔为40ps时，亚波长周期结构完全取代了近波长周期性结构。同样的，这种方法只改变了表面周期性结构的周期，所得结构仍为一维的光栅结构。
发明内容
[0004] 本发明的目的是为了克服飞秒激光诱导表面周期性结构可控性低的问题，提出一种基于电子动态调控的三维周期结构加工方法，通过飞秒激光脉冲序列的时域脉冲整形技术提高表面周期性结构的可控性。
[0005] 本发明的目的是通过以下技术来实现的：
[0006] 步骤一、设计飞秒激光脉冲序列。
[0007] 具体设计方法为：通过脉冲整形器进行飞秒激光脉冲整形，将一个脉宽为nfs的激光脉冲在时域上分成三个脉宽均为nfs的子脉冲，其中30fs＜n＜200fs。这三个子脉冲间的两个脉冲延迟分别为t1和t2，且t1和t2均为飞秒量级，分别独立可调，从而得到一组飞秒激光脉冲序列；然后在飞秒尺度调整脉冲延迟参数，使得飞秒激光脉冲序列与加工材料相互作用过程中能改变材料的局部瞬时电子动态。
[0008] 所述局部瞬时电子动态包括电子激发、电离、复合过程以及自由电子密度、温度。
[0009] 相邻两组飞秒激光脉冲序列间的时间间隔为ms-s量级。
[0010] 所述加工材料为绝缘体。
[0011] 步骤二、将步骤一得到的飞秒激光脉冲序列，入射到加工物镜中聚焦，并保持激光焦点聚焦到样品表面。
[0012] 步骤三、通过置于脉冲整形器入口前的光学器件调整脉冲序列的总能量，使之高于样品材料的烧蚀阈值。
[0013] 步骤四、用调整能量后的飞秒激光脉冲序列按照图纸进行加工，通过脉冲整形器控制t1和t2的大小，得到不同的周期结构。
[0014] 所述周期结构为激光烧蚀导致表面材料去除后得到的具有特定周期的结构，包括由一系列凹槽和凸起组成的一维类光栅结构（其中两个相邻的凹槽之间的距离为一个周期），和三维圆锥状周期结构（其中两个相邻锥体之间的距离为一个周期）。
[0015] 具体控制方法如下：
[0016] 当调节其中一个脉冲延迟t1或t2小于nfs时，飞秒激光脉冲序列辐照样品表面得到周期为近波长（周期小于波长，大于波长的一半）的一维类光栅结构，此时调节另一个脉冲延迟不会对周期结构的类型产生影响，只改变一维类光栅结构的周期。
[0017] 当调节其中一个脉冲延迟t1或t2大于等于nfs而小于2nfs,调节另一个脉冲延迟至大于2nfs时，得到三维的圆锥状周期结构。
[0018] 当调节t1和t2均大于等于2n fs时，得到亚波长（周期小于波长的一半）的一维类光栅结构，此时一维类光栅结构方向与近波长的一维类光栅结构垂直。
[0019] 步骤五、控制辐照到样品表面的脉冲序列个数，使得总个数小于50，以得到均匀的周期结构。
[0020] 有益效果
[0021] 1、本发明中采用针对材料特性调制的飞秒激光脉冲序列代替传统的单脉冲，从根本上实现了控制激光与材料相互作用过程中的局部瞬时电子动态及后续相变过程，因此该方法能够更加准确的获得所需的周期结构，克服了传统加工中调节能量或脉冲个数精度低的问题。
[0022] 2、使用本发明设计的脉冲序列可以得到直径为100-150nm，高度为200nm的三维圆锥状周期结构，而在相同条件下传统飞秒激光单脉冲加工方法无法得到这一结构。
[0023] 3、本发明在空气中即可进行，无需真空环境或液体、气体辅助，节约了加工成本，提高了加工效率。
附图说明
[0024] 图1为本发明的飞秒激光脉冲序列设计图；
[0025] 图2为具体实施例中，采用本发明方法得到的三维圆锥状周期结构实验效果图；
[0026] 标号说明：1—脉冲延迟t1、2—脉冲延迟t2、3—脉冲序列间隔。
具体实施方式
[0027] 本发明提出了一种基于电子动态调控的飞秒激光脉冲序列以提高周期结构加工可控性的方法，下面结合实施例对本发明做进一步说明：
[0028] 飞秒激光系统采用美国光谱物理（SpectrumPhysics）公司生产的激光器，飞秒激光为线偏振，中心波长800nm，脉冲宽度35fs，重复频率1KHz，单脉冲最大能量3mJ，光强分布为高斯型。
[0029] 脉冲整形器为美国Biophotonic公司生产的MIIPSbox，它可以把一个传统的飞秒激光脉冲整形成一个由数个子脉冲组成的脉冲序列，如图1所示，其中每个脉冲序列中子脉冲的脉宽为50fs，子脉冲个数、子脉冲间的脉冲延迟、能量分配比例等参数均可调。
[0030] 试验样品为熔融石英，尺寸为1cm×1cm×0.5mm，双面进行光学级抛光，表面粗糙度小于5埃。
[0031] 步骤一：飞秒激光器产生传统的飞秒激光单脉冲，每个飞秒激光脉冲间的时间间隔为时间3，利用半波片和偏振片的组合调节激光脉冲能量到200mw以下，以满足脉冲整形器的入口功率；
[0032] 步骤二：设定脉冲整形器参数，进入脉冲整形器的飞秒激光单脉冲被调制为脉冲序列，每个脉冲序列里包含三个子脉冲，能量分配比例为1:1:1，两个脉冲延迟时间1和2在0-1ps的范围内分别独立可调，由脉冲整形器控制，利用半波片和偏振片的组合连续调节脉冲序列的总能量；
[0033] 步骤三：用双面胶把熔融石英样品固定在载玻片上，再把载玻片固定在电控六维移动平台上，并将平台调至水平；
[0034] 步骤四：把步骤二所得到的飞秒激光脉冲序列通过光路入射到竖直放置的五倍物镜中聚焦，借助照明和CCD成像系统使激光焦点聚焦到样品表面，形成垂直入射；
[0035] 步骤五：降低激光的重复频率，使得每个脉冲序列之间的时间间隔3大于15ms，通过一个电脑控制的机械开关精确控制辐照到样品表面的脉冲序列个数。
[0036] 在15μJ的总能量和10个脉冲序列的辐照下，
[0037] （1）脉冲延迟为t1=0&t2=0-1ps，t1=0-1ps&t2=0的条件下可以得到周期为～600nm,方向平行于激光偏振的近波长一维周期性结构。
[0038] （2）脉冲延迟为t1=50fs&t2=100fs-1ps和t1=100fs-500fs&t2=50fs的条件下可以得到直径为100-150nm，高度为200nm的三维圆锥状周期性结构；如图2所示。
[0039] （3）脉冲延迟为t1=150-400fs&t2=100fs和t1=100fs&t2=150-400fs的条件下可以得到周期为～200nm，方向垂直于激光偏振的亚波长一维周期性结构。
