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)

空間光調(diào)制器是一種可以在外部信號的控制下實時改變?nèi)肷涔獾恼穹?、相位及偏振態(tài)的動態(tài)元器件。將空間光調(diào)制器應(yīng)用在激光加工領(lǐng)域，可以實現(xiàn)動態(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、量子點等領(lǐng)域。

論文信息

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）組成的復雜的周期結(jié)構(gòu)。雖然MGC的裂紋是隨機分布的，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、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，如光學元件和防偽措施等。

部分實驗過程及實驗結(jié)果

光源采用商業(yè)納秒激光器，提供1064nm、50ns的線偏振脈沖激光，實驗時重頻設(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×擴束鏡，從而使光斑充滿液晶光閥靶面，實驗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實時監(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。

圖1 (a)實驗裝置(相位型空間光調(diào)制器，型號：FSLM-2K70-VIS)；(b)原始光束和調(diào)制光束。

圖2 1000nmCr薄膜隨著激光通量的增加，MG-LIPSS在4個不同的調(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（收集點位于圖中紅色標記處）。比例尺：5 μm。

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(xiàn)=0.16 J/cm2。(b) Γ3=9 μm，F(xiàn)=0.16 J/ cm2。(c) Γ4=13 μm，F(xiàn)=0.16 J/cm2。(d) Γ4= 13 μm，F(xiàn)=0.30 J/cm2。比例尺：5 μm。

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分別在兩個正交方向上產(chǎn)生彩虹結(jié)構(gòu)顏色。(b)“中山大學”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”圖案和龍圖案進行著色。(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。

本實驗中所采用空間光調(diào)制器的參數(shù)規(guī)格如下：

為進一步延伸空間光調(diào)制器在工業(yè)方面的應(yīng)用，特研制推出高損傷、方形大靶面空間光調(diào)制器：

寫在最后

隨著激光加工技術(shù)的深入發(fā)展和對高精度、高效率加工指標需求的增加，空間光調(diào)制器作為一種關(guān)鍵的光學元器件，將發(fā)揮著重要作用?？臻g光調(diào)制器在激光加工中的應(yīng)用并不局限于單一的技術(shù)領(lǐng)域，其廣泛的應(yīng)用前景涵蓋了多個領(lǐng)域，例如工業(yè)制造、科學研究、光電子學等，為激光加工技術(shù)的進步和創(chuàng)新提供了強大的支持和推動力，有望推動激光加工技術(shù)向更高級、更復雜的方向發(fā)展。

文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2024.108216

審核編輯 黃宇