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利用SLM輔助納秒激光技術(shù)制備鉻薄膜上的雜化周期微結(jié)構(gòu)

發(fā)布：中科微星 2024-08-15 18:12 閱讀：180
空間光調(diào)制器是一種可以在外部信號的控制下實(shí)時(shí)改變?nèi)肷涔獾恼穹�、相位及偏振態(tài)的動(dòng)態(tài)元器件。將空間光調(diào)制器應(yīng)用在激光加工領(lǐng)域，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)光束整形，并且具有可編程、易操控、易集成、低損耗、刷新頻率高等優(yōu)勢。并且隨著空間光調(diào)制器損傷閾值的提升，激光加工的應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大，例如超表面結(jié)構(gòu)制造、微流體、3D打印、光存儲、材料表面改性、量子點(diǎn)等領(lǐng)域。 &{9'ylv-B)  
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論文信息 D$q"k"  
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本文提出了一種利用空間光調(diào)制器（SLM）輔助1064nm納秒激光器制備不同厚度鉻（Cr）薄膜上的不同雜化周期結(jié)構(gòu)的有效技術(shù)。對于1000nm的Cr薄膜，通過將SLM生成的周期調(diào)制光柵（MG）與激光誘導(dǎo)的周期表面結(jié)構(gòu)（LIPSS）相結(jié)合，可以制備出規(guī)則的雙尺度MG-LIPSS，其形態(tài)特征受激光通量、有效脈沖數(shù)和MG周期控制。由于MG和LIPSS的衍射效應(yīng)，MG-LIPSS圖案表面表現(xiàn)出生動(dòng)的各向異性結(jié)構(gòu)顏色。與MG-LIPSS相比，由于更薄的薄膜具有更顯著的熱應(yīng)力，因此在200nm的Cr薄膜上形成了由MG和裂紋（MGC）組成的復(fù)雜的周期結(jié)構(gòu)。雖然MGC的裂紋是隨機(jī)分布的，但MGC具有一定透光率的長階特性，可以作為具有衍射效應(yīng)的[color=var(--weui-LINK)]透射光柵。這些結(jié)果表明，基于SLM的光場調(diào)制激光加工為在Cr薄膜上制備大面積周期結(jié)構(gòu)提供了一種高效、經(jīng)濟(jì)、可控的方法。此外，薄膜厚度的變化可以用于探索具有特定性能的混合微觀結(jié)構(gòu)，從而用于不同的應(yīng)用，如光學(xué)元件和防偽措施等。 Wg[?i C*~  
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部分實(shí)驗(yàn)過程及實(shí)驗(yàn)結(jié)果 qF`;xa%,}  
光源采用商業(yè)納秒激光器，提供1064nm、50ns的線偏振[color=var(--weui-LINK)]脈沖激光，實(shí)驗(yàn)時(shí)重頻設(shè)置為3kHz，對應(yīng)的激光器最大輸出功率為0.45W。激光器出射的光通過4×擴(kuò)束鏡，從而使光斑充滿液晶光閥靶面，實(shí)驗(yàn)中使用的是相位型空間光調(diào)制器（FSLM-2K70-VIS），像素大小為8um，分辨率為1920×1080。經(jīng)空間光調(diào)制器調(diào)制后通過透鏡作用在樣品上，通過CCD實(shí)時(shí)監(jiān)測加工過程，確保樣品表面始終在加工平面。采用Gerchberg Saxton算法生成全息圖。 >aW|W!.  
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圖1 (a)實(shí)驗(yàn)裝置(相位型空間光調(diào)制器，型號：FSLM-2K70-VIS)；(b)原始光束和調(diào)光束。
圖2 1000nmCr薄膜隨著激光通量的增加，MG-LIPSS在4個(gè)不同的調(diào)制周期Γ下形成的MG-LIPSS的SEM形貌。比例尺：5 μm。
圖3 (a)-(c) 1000nmCr薄膜在不同有效脈沖數(shù)下形成的MG-LIPSS的掃描電鏡形貌。比例尺：5 μm。
圖4 (a)0.27J/cm²和(e)0.32 J/cm²分別對應(yīng)不同激光照射下MG-LIPSS結(jié)構(gòu)的AFM測量。(b)和(f)分別對應(yīng)于(a)和(e)的SEM圖像的二維快速傅里葉變換。(c)和(d)對應(yīng)于(a)的MG-LIPSS的LIPSS和MG橫截面的二維圖。(g)和(h)對應(yīng)于(e)的MG-LIPSS的LIPSS和MG橫截面的二維圖。比例尺：5 μm。
圖5 (a-b)在不同位置的兩個(gè)不同激光通量F下制備的MG-LIPSS的微拉曼光譜。(c-f)在不同激光通量F下制備的MG-LIPSS的EDS結(jié)果（收集點(diǎn)位于圖中紅色標(biāo)記處）。比例尺：5 μm。
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圖6 對于200nm的Cr薄膜，在不同加工條件下形成的MGC的掃描電鏡形貌。(a) Γ2=8 μm，F=0.16 J/cm²。(b) Γ3=9 μm，F=0.16 J/ cm²。(c) Γ4=13 μm，F=0.16 J/cm²。(d) Γ4= 13 μm，F=0.30 J/cm²。比例尺：5 μm。
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圖7 MG-LIPSS的彩虹結(jié)構(gòu)顏色。(a)在1000nmCr薄膜上形成的MG-LIPSS混合周期結(jié)構(gòu)的白光衍射示意圖，由LIPSS和MG分別在兩個(gè)正交方向上產(chǎn)生彩虹結(jié)構(gòu)顏色。(b)“中山大學(xué)”的漢字圖案用1000nm的Cr涂覆在直徑為100 mm的玻璃晶片上。(c)處理后的樣品。(d)和(e)分別對“中山大學(xué)”圖案和龍圖案進(jìn)行著色。(f)和(g)MG-LIPSS“3″為對不同觀察角度的彩虹色結(jié)構(gòu)顏色的不同呈現(xiàn)。比例尺：5mm。
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hE\,4c1  
本實(shí)驗(yàn)中所采用空間光調(diào)制器的參數(shù)規(guī)格如下：
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型號 }oYR.UH  
FSLM-2K70-P03 s=(~/p#M  
調(diào)制類型 %}%D8-d}G  
相位型 6?Q&>V26Y  
液晶類型 Fe.Y4\xz  
反射式灰度等級8位，256階 <89@k(\ /  
分辨率 1)/B V{n  
1920×1080像元大小8μm
有效區(qū)域 LeO ))  
 a({qc0+UK  
0.69" o m`r^3,  
15.36mm×8.64mm		填充因子87%
rtvuAFiH  
平整度（PV）		 (6A>:_)  
校準(zhǔn)前：5λ
校準(zhǔn)后：1λ		 K6KEdXM4  
平整度（RMS）		 daaUC  
校準(zhǔn)前：1/3λ VXQS~#dQj  
校準(zhǔn)后：1/10λ
m}:";>?#  
刷新頻率		 &~pj)\_  
60Hz 		g,Kb9['  
響應(yīng)時(shí)間		 TSdjX]Kf  
≤30ms BS;rit:  
|(}uagfrd  
光學(xué)利用率		 Yk(OVl T  
75%@1064nm		 ' :g8a=L  
配向角		 UYW%% 5p?  
0°
[ w  
相位范圍		 7 tF1g=\  
2π@1064nm $^I