本文關鍵詞：大面積周期性微納結(jié)構(gòu)的激光制備研究

  更多相關文章： 激光加工 雙光束干涉 抗反射 亞波長結(jié)構(gòu) 飛秒激光干涉 光裁剪 復合微納結(jié)構(gòu) 激光誘導表面周期性結(jié)構(gòu) 大面積 深亞波長結(jié)構(gòu)

【摘要】：表面微納米結(jié)構(gòu)的制備在微電子、微流控、微光學等微納器件的研究中具有重要的應用,如超疏水表面、亞波長增透,光學偏振器件、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)的技術有很多,如納米壓印技術,光刻技術、自組裝技術。這些技術加工方式可以分為兩個步驟,一是掩模結(jié)構(gòu)的制備：利用雙光束干涉技術在光刻膠中制備周期性的光柵、點陣,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,如溶液腐蝕,等離子刻蝕,電子束刻蝕,壓印技術等方法來把結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)寫到所需要的基底材料上。盡管這些技術都有著各自的優(yōu)缺點,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現(xiàn)材料的直接加工的技術,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、透明材料內(nèi)部加工等方面都有著自己獨特的優(yōu)勢。本文利用納秒激光多次曝光雙光束干涉燒蝕技術,飛秒激光光裁剪相干技術,飛秒激光光誘導微納結(jié)構(gòu)技術,通過控制光學參數(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)及機械應力的不同引起的薄膜起包和脫落導致,提高透過率,增加薄膜的使用壽命,受自然界蛾眼亞波長結(jié)構(gòu)的啟發(fā),我們深刻研究了亞波長結(jié)構(gòu)增透的機理,利用納秒激光多次曝光雙光束干涉燒蝕這一無掩模加工技術,在紅外窗口硫化鋅窗口直接快速制備出紅外亞波長結(jié)構(gòu)增透表面,通過探索研究功率、曝光時間、曝光次數(shù)的關系,成功在7μm～10μm內(nèi)實現(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,利用更加簡單的多次曝光雙光束干涉技術,實現(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,實現(xiàn)了復合結(jié)構(gòu)的制備,為制作多功能結(jié)構(gòu)表面打下基礎。(2)光裁剪技術飛秒激光大面積干涉燒蝕微納米復合結(jié)構(gòu)：納秒干涉技術技術是一種快速制備周期性微納結(jié)構(gòu)的技術,但對于飛秒激光來說,由于脈沖寬度太短,導致相干長度只有幾個微米到幾十個微米,盡管飛秒激光有更強的功率密度,對材料的選擇性低,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,實現(xiàn)了一個方向上長達幾個毫米的飛秒激光相干,在垂直方向則通過電機拖動樣品的方式來實現(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出結(jié)構(gòu)更小的深亞波長結(jié)構(gòu),利用飛秒激光干涉,可以實現(xiàn)大面積的復合微納米結(jié)構(gòu)的加工,對于表面改性,如超疏水、超疏油,有著重大的作用。我們通過優(yōu)化功率和曝光時間,得到了大面積的周期性微米納米復合結(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)飛秒激光誘導微納米結(jié)構(gòu)的大面積制備：飛秒激光誘導周期性微納米結(jié)構(gòu)這一現(xiàn)象已經(jīng)在金屬、半導體、絕緣體上或者透明材料內(nèi)部得到了實現(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),但是只有幾十個微米的燒蝕坑大大限制著飛秒激光誘導微納米結(jié)構(gòu)的廣泛應用,盡管可以通過點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的結(jié)構(gòu)表面。通過電子摻雜,即用硝酸銀摻雜對飛秒激光誘導微納米結(jié)構(gòu)“絕緣”的聚乙烯醇,實現(xiàn)了周期性結(jié)構(gòu)的制備,驗證了表面局域等離子體在結(jié)構(gòu)的成型中起主導作用。建立了局域表面等離子體模型,驗證了微納結(jié)構(gòu)周期實驗和理論的統(tǒng)一；利用壓覆式加工的方式,實現(xiàn)了窄帶材料表面的大面積周期性微納結(jié)構(gòu)的制備。
【關鍵詞】：激光加工 雙光束干涉 抗反射 亞波長結(jié)構(gòu) 飛秒激光干涉 光裁剪 復合微納結(jié)構(gòu) 激光誘導表面周期性結(jié)構(gòu) 大面積 深亞波長結(jié)構(gòu)
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：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28-36
• 2.2.2 多次曝光雙光束干涉技術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 實驗裝置設計50-54
• 3.2.1 一維長距離飛秒激光相干51-53
• 3.2.2 光場剪切技術53-54
• 3.3 飛秒激光大面積微納米復合結(jié)構(gòu)的制備54-60
• 3.4 小結(jié)60-61
• 第四章 飛秒激光誘導制備大面積周期性深亞波長結(jié)構(gòu)的研究61-89
• 4.1. 飛秒激光誘導周期性微納結(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91-102
• 科研成果102-105
• 致謝105-106

【共引文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 張瑞華;韓帥;梁海嬌;李寶磊;尹燕;張巖;;軋輥表面光纖激光毛化工藝研究[J];電焊機;2012年02期

2 張紀斌;張國彥;楊柏;;納米微粒的表面修飾與聚合物雜化光學材料的高性能化[J];高分子材料科學與工程;2014年02期

3 薛軍;楊勇;李晨;李冬娟;;飛秒激光誘導自組織納米光柵偏振散射特性研究[J];光學學報;2014年04期

4 S.S.Shinde;S.Park;;Oriented colloidal-crystal thin films of polystyrene spheres via spin coating[J];Journal of Semiconductors;2015年02期

5 S.S.Shinde;S.Park;J.Shin;;Spin synthesis of monolayer of SiO_2 thin films[J];Journal of Semiconductors;2015年04期

6 YE XiaoZhou;QI LiMin;;Recent advances in fabrication of monolayer colloidal crystals and their inverse replicas[J];Science China(Chemistry);2014年01期

7 戴曄;邱建榮;;單光束飛秒激光誘導石英玻璃內(nèi)部納米光柵的研究進展[J];激光與光電子學進展;2013年12期

8 于冰;叢海林;薛蕾;劉學松;陳昭晶;;膠體晶體制備與應用研究進展[J];科學通報;2014年09期

9 吳東江;姚龍元;馬廣義;牛方勇;郭東明;;飛秒激光燒蝕石英玻璃表面質(zhì)量分析[J];機械工程學報;2014年23期

10 陳挺;覃繼寧;范同祥;;仿蟬翼結(jié)構(gòu)鎳磷復合材料減反性能研究[J];山東大學學報(工學版);2014年01期

中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 李長青;YAG單晶和陶瓷的制備與激光損傷形貌特征及其機理研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2008年

2 李毅;高重復頻率飛秒激光微納加工中熱效應的研究及應用[D];天津大學;2012年

3 徐永飛;PET表面功能化和共混改性的輻射化學研究[D];中國科學技術大學;2013年

4 張登英;毛細力光刻技術及其應用研究[D];中國科學院研究生院（長春光學精密機械與物理研究所）;2013年

5 馬德崇;半金屬鉍微納米材料的形貌可控合成及催化性能研究[D];湖南大學;2012年

6 劉志福;基于光子晶體的結(jié)構(gòu)色纖維制備及其顯色性能研究[D];東華大學;2013年

7 李成超;基于前驅(qū)體法的多孔無機膠體材料合成及其應用研究[D];湖南大學;2013年

8 楊鑫;鈣鈦礦氧化物微納結(jié)構(gòu)的水熱合成、表征及性能研究[D];浙江大學;2014年

9 牛士超;仿生陷光功能表面設計制造及性能研究[D];吉林大學;2014年

10 賈菲;膠體晶體輔助構(gòu)筑二維、三維有序微結(jié)構(gòu)及其應用[D];吉林大學;2014年

中國碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 王藝盟;飛秒激光誘導材料微結(jié)構(gòu)的研究[D];黑龍江大學;2013年

2 楊詔婷;大基元晶體的制備及性能表征[D];浙江理工大學;2013年

3 方可敬;一種細胞培養(yǎng)檢測用雙層水凝膠微流控芯片的研制及其應用[D];重慶大學;2013年

4 韓嘯;ZnO納米線陣列的構(gòu)筑、界面調(diào)控及其光電應用[D];河南大學;2013年

5 李倩倩;膠體球模板法構(gòu)筑有序微納結(jié)構(gòu)及其光電應用[D];河南大學;2013年

6 胡阮冰;超疏水親油復合材料的制備及其性能研究[D];浙江理工大學;2013年

7 汪月容;高重復頻率飛秒激光在熔融石英中制備光波導的實驗研究[D];天津大學;2012年

8 張靖宇;飛秒激光掃描技術制備納米光柵結(jié)構(gòu)及光學特性研究[D];華中科技大學;2013年

9 王一聰;激光干涉光刻的極限尺寸研究[D];長春理工大學;2014年

10 武國睿;飛秒激光在石英玻璃內(nèi)直寫納米光柵的三維調(diào)制[D];上海大學;2013年

，

本文編號：1060989