藍(lán)寶石表面亞波長(zhǎng)減反射結(jié)構(gòu)的制備研究

摘 要：我們采用飛秒激光直寫(xiě)加工技術(shù)結(jié)合濕法刻蝕技術(shù)在藍(lán)寶石晶體表面制備了仿生蛾眼亞波長(zhǎng)減反射結(jié)構(gòu)，增加了藍(lán)寶石晶體在中紅外波段的透過(guò)率。首先，我們優(yōu)化了激光加工參數(shù)包括激光能量、偏振狀態(tài)等，使得激光加工藍(lán)寶石的刻線精度達(dá)到200nm。然后在藍(lán)寶石表面制備了亞波長(zhǎng)的金字塔型減反射結(jié)構(gòu)陣列，其在3～5μm波段的峰值透過(guò)率可以達(dá)到91%，對(duì)發(fā)展紅外技術(shù)具有重要意義。

關(guān)鍵詞：飛秒激光加工；藍(lán)寶石；濕法刻蝕；亞波長(zhǎng)；減反射

中圖分類(lèi)號(hào)：O436.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-7344（2018）18-0323-02

1 引 言

紅外技術(shù)在軍事領(lǐng)域一直占據(jù)著舉足輕重的地位，發(fā)展紅外窗口材料的重要性不言而喻[1～2]。藍(lán)寶石晶體由于熱穩(wěn)定性好，機(jī)械強(qiáng)度高，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，以及在中紅外波段的高透過(guò)率等性質(zhì)，成為中外紅外窗口和頭罩最重要的材料之一。對(duì)于窗口材料來(lái)說(shuō)，其透過(guò)率越高越好，傳統(tǒng)的增加藍(lán)寶石透過(guò)率的方法是鍍膜技術(shù)[3～5]。但是表面增透膜技術(shù)有一些天然的缺點(diǎn)。紅外窗口在高速運(yùn)動(dòng)中與空氣摩擦?xí)罅慨a(chǎn)生熱，熱作用會(huì)使膜層之間產(chǎn)生熱膨脹失配；另外，紅外窗口也會(huì)受到應(yīng)力的沖擊，造成膜層機(jī)械應(yīng)力失配；當(dāng)然，紅外窗口工作在自然環(huán)境里，也會(huì)受到雨水、鹽霧、砂石、顆粒的沖擊和腐蝕，造成膜層的損壞和脫落等等問(wèn)題[3]。近年來(lái)，蛾眼亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)在空氣和基底材料之間引入了連續(xù)變化的折射率，可大大減小光的反射，引起了研究者們的廣泛關(guān)注，另外由于亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)和本體材料具有相同的材料組分，可以避免表面鍍膜的失配問(wèn)題以及損傷脫落的問(wèn)題[6～10]。此外，蛾眼亞波長(zhǎng)減反射相對(duì)鍍膜還具有對(duì)入射角度不敏感、偏振不敏感以及寬光譜增透的優(yōu)勢(shì)[11～14]。國(guó)內(nèi)外在蛾眼亞波長(zhǎng)減反射領(lǐng)域取得了一些進(jìn)展，例如曹召良等人[15]分析了二維亞波長(zhǎng)減反射光柵的各種參數(shù)與減反射作用的關(guān)系并使用等離子體刻蝕技術(shù)在硅表面制備了減反射光柵；趙耐麗等人理論分析了各種亞波長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)對(duì)藍(lán)寶石增透性能的影響[16]；王磊等人利用激光干涉燒蝕的方法成功在硫化鋅晶體表面制備出遠(yuǎn)紅外波段抗反射結(jié)構(gòu)，使得硫化鋅的透過(guò)率達(dá)到92%[17]；楊柏等人利用掩膜結(jié)合刻蝕技術(shù)制備蛾眼亞波長(zhǎng)減反射結(jié)構(gòu)，使石英玻璃在可見(jiàn)區(qū)的透過(guò)率提升到96%[18]。以上工作大大促進(jìn)了亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)減反射的應(yīng)用領(lǐng)域，但是加工方式也有一些缺點(diǎn)，首先掩膜板的加工制作造價(jià)昂貴且后續(xù)的處理工藝復(fù)雜，其次反應(yīng)離子刻蝕不同材料需要不同的刻蝕氣體，對(duì)于刻蝕藍(lán)寶石來(lái)說(shuō)，反應(yīng)氣體為氯氣和三氯化硼都為有毒氣體，而離子轟擊物理刻蝕的速度較慢每分鐘只有幾個(gè)納米。針對(duì)上訴困難，這里我們采用緊聚焦的飛秒激光直寫(xiě)技術(shù)結(jié)合后續(xù)的濕法刻蝕技術(shù)在藍(lán)寶石晶體表面制備仿生蛾眼亞波長(zhǎng)減反射陣列結(jié)構(gòu)，增加藍(lán)寶石晶體在中紅外波段的透過(guò)率。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備，材料及實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)材料

飛秒激光加工系統(tǒng)如圖1所示，激光脈沖由Light Conversion公司Pharos型飛秒激光放大器輸出，激光波長(zhǎng)為343nm，重復(fù)頻率200kHz，脈沖寬度為290飛秒。激光光束由激光器輸出后經(jīng)過(guò)透鏡組合進(jìn)行擴(kuò)束，目的是充分利用物鏡的數(shù)值孔徑。之后經(jīng)過(guò)反射進(jìn)入掃描振鏡，然后經(jīng)過(guò)4f系統(tǒng)進(jìn)入物鏡（LMM-40X-UVV，Thorlabs）聚焦加工樣品。振鏡可以控制光束焦斑在樣品XY平面內(nèi)做任意掃描運(yùn)動(dòng)，z方向的運(yùn)動(dòng)由壓電位移臺(tái)（PI P-622 ZCD）實(shí)現(xiàn)。這樣，C#語(yǔ)言設(shè)計(jì)的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)可轉(zhuǎn)化成電腦加工數(shù)據(jù)并由電腦控制掃描振鏡和壓電位移臺(tái)進(jìn)行樣品加工。激光功率可由電腦軟件連續(xù)變化，實(shí)驗(yàn)測(cè)量的功率都為物鏡之前的數(shù)值（見(jiàn)圖1）。

實(shí)驗(yàn)樣品為藍(lán)寶石單晶（購(gòu)買(mǎi)于合肥科晶材料技術(shù)有限公司），c-plane，厚度430μm，雙面拋光。實(shí)驗(yàn)前藍(lán)寶石樣品分別在丙酮和去離子水中超聲20min以去除表面灰塵。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

潔凈的藍(lán)寶石晶片固定在壓電平臺(tái)上，晶片與壓電平臺(tái)平行，緊聚焦的飛秒激光光束焦點(diǎn)調(diào)整到藍(lán)寶石晶片的表面，焦斑呈高斯形分布，通過(guò)電腦程序控制焦斑在藍(lán)寶石晶面產(chǎn)生相對(duì)的垂直交叉的二維光柵形貌。在激光作用的溝槽內(nèi)，激光會(huì)去除一部分藍(lán)寶石晶體，另外一部分被飛秒激光誘導(dǎo)發(fā)生由晶態(tài)至非晶態(tài)的轉(zhuǎn)變，后續(xù)由濕法刻蝕反應(yīng)掉非晶態(tài)的藍(lán)寶石，得到類(lèi)似于去除頂端的金字塔陣列減反射結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)果與討論

激光加工的精度與激光能量，偏振狀態(tài)，掃描速度等息息相關(guān)。在此設(shè)定掃描點(diǎn)間距為100nm，掃描速度為1mm/s，這樣通過(guò)控制激光能量可優(yōu)化掃描加工的精度。如圖3（a）所示，在激光能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于燒蝕藍(lán)寶石閾值的情形下，激光焦斑與藍(lán)寶石樣品表面不能精確控制時(shí)，一次激光掃描會(huì)同時(shí)出現(xiàn)兩條刻線，原因是激光焦點(diǎn)的頂點(diǎn)以下的地方也達(dá)到了燒蝕藍(lán)寶石的閾值。精確控制激光焦點(diǎn)的位置在藍(lán)寶石晶體表面，得到刻線的表面形貌如圖3（b）所示，兩條刻線變成一條刻線，但是線寬接近1μm，顯然大能量的條件下激光加工精度不理想。我們進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)激光燒蝕藍(lán)寶石晶體的閾值為約38μW，但是使用閾值能量進(jìn)行激光加工，加工出的刻線結(jié)構(gòu)不連續(xù)。因此，我們采用近閾值能量加工，其表面形貌如圖3（c）（d）所示，我們發(fā)現(xiàn)在這種條件下激光的電場(chǎng)方向也會(huì)對(duì)加工的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，飛秒激光誘導(dǎo)產(chǎn)生的周期性納米結(jié)構(gòu)的方向與激光電場(chǎng)方向垂直，當(dāng)激光的掃描方向與激光電場(chǎng)方向相同時(shí)，得到的表面形貌如圖3（c），刻線寬度約為300nm，且有垂直于掃描方向的周期性納米結(jié)構(gòu)出現(xiàn)；當(dāng)激光掃描方向與激光電場(chǎng)方向垂直時(shí)，得到的刻線寬度約為200nm，并且周期性納米結(jié)構(gòu)不明顯。

激光加工的參數(shù)優(yōu)化以后，我們制備了正方排布的類(lèi)金字塔型陣列減反射結(jié)構(gòu)，如圖4所示，為激光共聚焦三維照片，結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出了大面積的均勻性，周期2μm，高度900nm。濕法刻蝕的條件為在濃硫酸和濃磷酸的混合溶液（體積比3：1）中高溫230℃的條件下時(shí)刻蝕6min。后續(xù)我們對(duì)制備的藍(lán)寶石減反射結(jié)構(gòu)進(jìn)行紅外透過(guò)率的測(cè)試，使用傅里葉紅外光譜儀。

最后，我們對(duì)制備的藍(lán)寶石亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行了紅外透過(guò)率的測(cè)試，如圖5所示，不做任何處理的藍(lán)寶石基片在3～5μm波段的透過(guò)率約為85%，在藍(lán)寶石基片兩面都加工上亞波長(zhǎng)減反射結(jié)構(gòu)（SapphirewithSWS），峰值透過(guò)率可以達(dá)到91%。圖中4.2μm的峰是由空氣中二氧化碳吸收造成的。

4 結(jié) 論

本文采用飛秒激光直寫(xiě)加工技術(shù)結(jié)合后續(xù)的濕法腐蝕技術(shù)在藍(lán)寶石晶體的表面制備出了仿生蛾眼亞波長(zhǎng)減反射結(jié)構(gòu)，提高了藍(lán)寶石在中紅外波段的透過(guò)率。兩面具有亞波長(zhǎng)減反射結(jié)構(gòu)的藍(lán)寶石晶片在3～5μm的峰值透過(guò)率可以達(dá)到91%，本文為制備高透過(guò)率的紅外窗口提供了新的思路和參考，對(duì)發(fā)展紅外技術(shù)具有重要的意義。

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收稿日期：2018-5-23

作者簡(jiǎn)介：趙嘉雯（2000-），女，高中在讀，主要從事飛秒激光加工技術(shù)方面的研究。

指導(dǎo)老師：何春鳳（1980-），女，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究生，主要從事發(fā)光和激光及其應(yīng)用技術(shù)方面的研究。

通訊作者：何春鳳。