《前沿 | 高效制造大面积超表面的亚波长图案脉冲激光光刻技术》

  • 来源专题:光电情报网信息监测服务平台
  • 编译者: husisi
  • 发布时间:2022-11-02
  • 近年来,由于对微型化超薄光学系统的需求不断增加,光调制超表面引起了人们的极大关注,这些超表面具有光束整形(偏转、聚焦、涡旋调制)、电磁斗篷、偏振控制、完美吸收和精确消色差等功能。超表面上的各种结构单元起着至关重要的作用,如定向表面波耦合的H形吸收光或调制波前,十字形调节色散或吸收,悬链线形提供高衍射效率和周期和相位延迟的线性比例等等。

    加工方法的发展,特别是大规模生产和易获得的超表面方法,落后于他们的设计。电子束光刻和极紫外光刻具有卓越的10纳米以下分辨率,是验证不同光调制能力的超表面设计的一般方法,具有较高的可实现结构自由度。然而目前还没有一种容易获得的制造方法来有效地生产大面积和自由设计的纳米级分辨率结构阵列。

    近日,南方科技大学的徐少林课题组开发了一种图形脉冲激光光刻(PPLL)方法,在大面积薄膜上创建具有亚波长特征分辨率和周期从小于1 μm到超过15 μm的结构阵列。利用准二元相位掩模分离具有波前图案的超快激光脉冲,通过高速扫描快速生成周期性的烧蚀/修正结构。波前的梯度强度边界和圆偏振减弱了光传播过程中的衍射和偏振相关的不对称效应,达到了较高的均匀性。相关工作发表在《Nature Communications》上。

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    • 来源专题:光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者:husisi
    • 发布时间:2023-05-15
    • 由于飞秒脉冲激光峰值功率较高,可以实现瞬时激发并引起明显的非线性相互作用,常作为泵浦探测和非线性光学实验中的激发源,然而脉冲激光通过光学元件(如透镜或分束棱镜等)会引入色散,使脉冲变宽并明显降低激光峰值功率,因此在脉宽小于100 fs的实验系统中应尽力避免这一效应。通常使用由光栅和棱镜组成的脉冲压缩器来补偿累积的光学相位色散,校正二阶色散,然而这会引入额外的高阶色散,此外还可以通过空间光调制器实现补偿,调制频率可达几千赫兹,通过基于液晶的可编程像素阵列改变入射光的相位或强度。以上方法都需要在至少几厘米的自由空间中对脉冲激光进行整形,因此难以在集成光学设备以及微纳光学领域实现脉冲整形功能。超表面是一种人造的光学薄结构,通过设计亚波长周期结构调控局部光学响应,从而实现对光的调控,已被广泛应用于具有高数值孔径或衍射限制焦点的超透镜,带通滤光片以及波片等光学器件中。 近日,德国帕德博恩大学Thomas Zentgraf教授课题组提出了一种基于光学超表面的紧凑型脉冲激光整形器,脉冲激光进入整形器后在两个银镜间交替反射,并先后与两个超表面发生相互作用,利用超表面等离激元共振效应设计任意相位延迟,从而实现对脉冲激光的色散控制,此外还可以增加器件内部反射次数或减小超表面MS1的光栅周期增加角色散来提高光谱分辨率。得益于该装置光谱相位调控的高自由度,不仅可以通过编码特定相位信息,将入射脉冲激光重塑为更复杂的双脉冲激光序列,还可以补偿由于自身结构引入的二阶色散。最后利用二次谐波-频率分辨光闸法测量脉冲激光的振幅和相位信息,并结合反演算法验证了该整形器在入射激光色散调控上的优异性能。相关工作发表在《Nano Letters》上。
  • 《清华大学开发超快激光制造技术,更好地控制表面微/纳米结构的制造》

    • 来源专题:光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者:husisi
    • 发布时间:2023-12-29
    • 清华大学致力于开发激光制造技术,用于制备表面微/纳米结构并探索其功能应用。我们已经建立了单独、精细地控制微米级和纳米级特征以及控制它们如何组合以形成不同类型的多层结构的能力。 通过微/纳米结构进行表面功能化不仅是一个受仿生学启发的蓬勃发展的研究领域,而且对于各种实际应用也非常重要。实现各种表面功能的关键是制造具有可控尺寸、层次和成分的表面微纳米结构,这推动了微纳米制造技术的不断进步。 受控原位 沉积为超快激光表面微/纳米结构开辟了新的可能性 清华大学材料科学与工程学院激光材料加工研究中心的研究人员花费数年时间开发激光制造技术,用于制备表面微/纳米结构并探索其功能应用。我们已经建立了单独、精细地控制微米级和纳米级特征以及控制它们如何组合以形成不同类型的多层结构的能力。我们研究的功能和应用包括极端润湿性、防冰、宽带光吸收、结构色、太阳能水蒸发、热界面管理、摩擦学性能、表面增强拉曼光谱以及能源应用的光电催化等。 使用超快激光器更好地控制结构制造并开发更灵活的制造方法是我们持续研究的重点之一。除了控制超快激光烧蚀过程之外,我们最近还证明了原位 超快激光烧蚀固体表面后的颗粒沉积也可以被控制并用作局部微增材工艺来堆积分层表面结构。等离子体羽流的形成是脉冲激光烧蚀固体过程中的普遍现象。 来自等离子体羽流的产物(例如,纳米颗粒)可以被收集以供外部液体(例如,在液体中激光烧蚀的情况下)或基底(例如,在脉冲激光沉积的情况下)使用。相比之下,在超快激光表面结构化过程中,等离子体羽流中的一些纳米颗粒 原位沉积回受照射的表面。 对于特定应用,现场 沉积的结构特征对于增强光吸收、敏感性和能量转换等表面特性发挥着重要作用。然而,是否以及如何 控制原位沉积过程仍然是一个悬而未决的问题。 我们最近的研究显示了控制原位沉积过程的能力,例如,在微锥阵列顶部构建堡垒状结构,而不仅仅是产生随机分布的纳米颗粒。所揭示的激光与物质相互作用机制可以激发未来的研究兴趣,探索使用超快激光制造功能表面微/纳米结构的新可能性。