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激光设备生产新方式:纳米级激光加工

时间:2015-11-27 17:17:38     来源:汕头市博特激光科技有限公司 备案号:粤ICP备11082081号-2  

    激光器已 被广泛应用于工业,例如在高性价比的激光设备制造系统中用作可靠的能源,进行标记、钻孔、淬火和表面处理。目前的工业发展要求将设备的形体尺寸降低达到亚微米甚至 纳米级。作为一种无掩膜和非接触工艺,激光纳米加工具有设置灵活以及能够在空气、真空或液体环境中操作的独特优点,因此成为更广泛应用的一种最具吸引力的 加工或制造工具。

      目前已经开发一些新技术来加工功能性纳米结构。工业应用的关键问题是在大规模生产中如何在短时间内产生大面积的纳米结构。本文介绍了潜在大规模生产的一些多功能激光纳米加工方法,另外还简要讨论了满足亚20nm分辨率的激光纳米加工进一步发展的前景。

      微球体阵列辅助激光纳米加工

       激光纳米加工的关键挑战是如何将空气中的紫外线或可见激光光束聚焦到亚100nm,从而克服光学衍射限制。我们的研究显示,自排列或大面积旋转涂抹形成 的透明微球体阵列能够将入射激光光束分离为成千上百万的微小光束,还能用作透镜,聚焦这些微小光束以开展表面纳米制图。如图1(a)所示,局部光线密度大 幅增强,并以平行模式加工样品。这种技术采用通常的二维(2D)微球体阵列将入射激光光束聚焦到基板,因此,只需几次激光辐射脉冲,即能够采用单步表面制 图方法在基板上产生成千上百万的亚微米孔洞。激光纳米加工之后,采用传统超声波清洁可以清除微球体。灵活控制激光光束扫描外形,可以形成复杂的纳米结构设 计,例如图1(b)所示的星形阵列。

      激光干涉光刻

       激光干涉光刻(LaserInterferenceLithography,LIL)是在短时间内形成大面积周期纳米结构(例如纳米点或纳米线阵列)的 一种功能强大的工具。只需暴露紫外线几分钟,然后采用光致抗蚀刻和化学蚀刻或者剥离工艺,即能够在金属薄膜上形成等离子体纳米结构。激光光束的相干长度是 大面积(厘米级)两次光束干涉的一个关键因素。一次激光辐照形成纳米线性阵列,将样品旋转90°之后,另一次激光辐照用于形成纳米点阵列。通过控制辐照时 间和辐照方案,能够形成各种纳米结构,形状范围从矩形到三角形和椭圆形。通过化学腐蚀也可以将光致抗蚀刻层形成的2D纳米结构传输到基板,以形成2.5D 纳米结构。图2(a)显示了嵌入硅基板内部的金属纳米点阵列,图2(b)显示了LIL形成的纳米柱阵列。

      飞秒激光双光子聚合纳米光刻

       上述激光纳米加工技术用于在样品表面形成2D大面积纳米结构。飞秒激光双光子聚合(Two-photon-polymerization,2PP)纳米 光刻是形成任意大面积3D纳米结构的一种前景光明的方法。当飞秒激光光束聚焦于光敏材料上时,则通过双光子非线性吸收来激活聚合过程。采用电脑控制飞秒激 光光束扫描外形,以形成任意设计的3D结构。激光扫描之后,冲洗掉未照射的光敏材料。由于工艺的光辐照阈值效应和非线性光吸收性质,灵活控制激光脉冲能源和脉冲重复率以形成图3所示的功能性3D纳米结构,可以形成光学衍射限制(最低60nm)之外的超分辨率。

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