發(fā)布時(shí)間：2017-10-19 12:05

  本文關(guān)鍵詞：大面積周期性微納結(jié)構(gòu)的激光制備研究

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【摘要】：表面微納米結(jié)構(gòu)的制備在微電子、微流控、微光學(xué)等微納器件的研究中具有重要的應(yīng)用,如超疏水表面、亞波長(zhǎng)增透,光學(xué)偏振器件、表面改性等。常見的在硬質(zhì)材料上制備周期性微納米結(jié)構(gòu)的技術(shù)有很多,如納米壓印技術(shù),光刻技術(shù)、自組裝技術(shù)。這些技術(shù)加工方式可以分為兩個(gè)步驟,一是掩模結(jié)構(gòu)的制備：利用雙光束干涉技術(shù)在光刻膠中制備周期性的光柵、點(diǎn)陣,納米壓印模板的制備,自組裝小球的制備等；二是結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)移：通過于法和濕法的腐蝕技術(shù),如溶液腐蝕,等離子刻蝕,電子束刻蝕,壓印技術(shù)等方法來把結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)寫到所需要的基底材料上。盡管這些技術(shù)都有著各自的優(yōu)缺點(diǎn),但是總體來說,在模板的制作,腐蝕劑的選擇,材料的選擇上都存在著各自的問題。激光加工是一種利用光吸收實(shí)現(xiàn)材料的直接加工的技術(shù),尤其是高能量密度的脈沖激光燒蝕,有著高精度、材料選擇、非平面三維可移動(dòng)、透明材料內(nèi)部加工等方面都有著自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。本文利用納秒激光多次曝光雙光束干涉燒蝕技術(shù),飛秒激光光裁剪相干技術(shù),飛秒激光光誘導(dǎo)微納結(jié)構(gòu)技術(shù),通過控制光學(xué)參數(shù),取得了以下的成果：(1) 多次曝光雙光束干涉燒蝕制備大面積紅外亞波波長(zhǎng)抗反射結(jié)構(gòu)面：為了解決薄膜增透中由于襯底和薄膜、薄膜與薄膜之間熱膨脹系數(shù)及機(jī)械應(yīng)力的不同引起的薄膜起包和脫落導(dǎo)致,提高透過率,增加薄膜的使用壽命,受自然界蛾眼亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的啟發(fā),我們深刻研究了亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)增透的機(jī)理,利用納秒激光多次曝光雙光束干涉燒蝕這一無(wú)掩模加工技術(shù),在紅外窗口硫化鋅窗口直接快速制備出紅外亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)增透表面,通過探索研究功率、曝光時(shí)間、曝光次數(shù)的關(guān)系,成功在7μm～10μm內(nèi)實(shí)現(xiàn)了超過90%的透過率。并在40o的傾斜光入射的情形下,在7.5μm-10μm仍保持80%以上的透過率；通過研究多次曝光雙光束干涉與多光束干涉,利用更加簡(jiǎn)單的多次曝光雙光束干涉技術(shù),實(shí)現(xiàn)了六邊形排列的周期性結(jié)構(gòu)的制備和其他高階準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)的制備,并具有一定的增透和疏水特性；通過不同周期的結(jié)構(gòu)的疊加,實(shí)現(xiàn)了復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備,為制作多功能結(jié)構(gòu)表面打下基礎(chǔ)。(2)光裁剪技術(shù)飛秒激光大面積干涉燒蝕微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)：納秒干涉技術(shù)技術(shù)是一種快速制備周期性微納結(jié)構(gòu)的技術(shù),但對(duì)于飛秒激光來說,由于脈沖寬度太短,導(dǎo)致相干長(zhǎng)度只有幾個(gè)微米到幾十個(gè)微米,盡管飛秒激光有更強(qiáng)的功率密度,對(duì)材料的選擇性低,燒蝕的精度更高,但飛秒激光的干涉面積限制了飛秒激光干涉燒蝕的廣泛應(yīng)用。我們提出用光裁剪的方法,利用相位掩模和柱透鏡加工,實(shí)現(xiàn)了一個(gè)方向上長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)毫米的飛秒激光相干,在垂直方向則通過電機(jī)拖動(dòng)樣品的方式來實(shí)現(xiàn)大面積周期性微納結(jié)構(gòu)的制備。另外由于飛秒激光可以誘導(dǎo)出結(jié)構(gòu)更小的深亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu),利用飛秒激光干涉,可以實(shí)現(xiàn)大面積的復(fù)合微納米結(jié)構(gòu)的加工,對(duì)于表面改性,如超疏水、超疏油,有著重大的作用。我們通過優(yōu)化功率和曝光時(shí)間,得到了大面積的周期性微米納米復(fù)合結(jié)構(gòu),并可以通過激光偏振來控制納米結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)方向。(3)飛秒激光誘導(dǎo)微納米結(jié)構(gòu)的大面積制備：飛秒激光誘導(dǎo)周期性微納米結(jié)構(gòu)這一現(xiàn)象已經(jīng)在金屬、半導(dǎo)體、絕緣體上或者透明材料內(nèi)部得到了實(shí)現(xiàn),利用這一現(xiàn)象,可以更快速的制備周期性的微納米結(jié)構(gòu),但是只有幾十個(gè)微米的燒蝕坑大大限制著飛秒激光誘導(dǎo)微納米結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用,盡管可以通過點(diǎn)掃描的方式來增加燒蝕的面積,局部的不平整、結(jié)構(gòu)的周期性混亂等因素始終困擾著大面積結(jié)構(gòu)表面的制備。我們采用柱透鏡聚焦線光加工方式,通過光裁剪優(yōu)化線光的光強(qiáng)分布,并優(yōu)化掃描速度、功率、后續(xù)處理等條件,得到了周期性很好的大面積深亞波長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)表面。通過電子摻雜,即用硝酸銀摻雜對(duì)飛秒激光誘導(dǎo)微納米結(jié)構(gòu)“絕緣”的聚乙烯醇,實(shí)現(xiàn)了周期性結(jié)構(gòu)的制備,驗(yàn)證了表面局域等離子體在結(jié)構(gòu)的成型中起主導(dǎo)作用。建立了局域表面等離子體模型,驗(yàn)證了微納結(jié)構(gòu)周期實(shí)驗(yàn)和理論的統(tǒng)一；利用壓覆式加工的方式,實(shí)現(xiàn)了窄帶材料表面的大面積周期性微納結(jié)構(gòu)的制備。
【關(guān)鍵詞】：激光加工 雙光束干涉 抗反射 亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu) 飛秒激光干涉 光裁剪 復(fù)合微納結(jié)構(gòu) 激光誘導(dǎo)表面周期性結(jié)構(gòu) 大面積 深亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TN249
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 緒論11-23
• 1.1 激光微納加工11-18
• 1.2 激光仿生18-20
• 1.3 激光誘導(dǎo)微納米結(jié)構(gòu)20-21
• 1.4 本論文主要工作及創(chuàng)新性研究21-23
• 第二章 激光仿生制備結(jié)構(gòu)功能表面23-48
• 2.1 亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)仿生增透表面23-28
• 2.1.1 增透的需求和面臨的問題23-25
• 2.1.2 亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)增透25-28
• 2.2 激光仿生加工28-47
• 2.2.1 雙光束干涉燒蝕技術(shù)28-36
• 2.2.2 多次曝光雙光束干涉技術(shù)36-39
• 2.2.3 多次曝光雙光束干涉與多光束干涉39-47
• 2.3 小結(jié)47-48
• 第三章 光裁減飛秒激光制備微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的研究48-61
• 3.1 飛秒激光相干制備微納米結(jié)構(gòu)48-50
• 3.2 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)50-54
• 3.2.1 一維長(zhǎng)距離飛秒激光相干51-53
• 3.2.2 光場(chǎng)剪切技術(shù)53-54
• 3.3 飛秒激光大面積微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備54-60
• 3.4 小結(jié)60-61
• 第四章 飛秒激光誘導(dǎo)制備大面積周期性深亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的研究61-89
• 4.1. 飛秒激光誘導(dǎo)周期性微納結(jié)構(gòu)61-72
• 4.1.1 結(jié)構(gòu)特征62-67
• 4.1.2 現(xiàn)有理論模型67-69
• 4.1.3 誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)的制備現(xiàn)狀及問題69-72
• 4.2 線掃描大面積積深亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的制備72-77
• 4.3 電子濃度摻雜的影響77-82
• 4.4 局域表面等離子體模型82-84
• 4.5 覆蓋層的影響84-88
• 4.6 小結(jié)88-89
• 第五章 結(jié)論89-91
• 參考文獻(xiàn)91-102
• 科研成果102-105
• 致謝105-106

【共引文獻(xiàn)】

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