基于激光干涉技术的微纳结构制造研究

论文摘要

在本论文中,我们研究了利用激光干涉制造不同微纳结构的方法。基于偶氮苯聚合物,研究了可控的微纳结构的制造方法。掌握了一些激光控制技术,制作了一系列不同微纳尺度的结构。本文的主要内容包括:1.激光和偶氮苯聚合物材料相互作用研究。介绍了偶氮苯聚合物的种类和光致异构化的机理。详细分析了激光照射偶氮苯材料所导致的各种移动和对应的光响应性质,包括光致取向,光致质量迁移,光机效应等。然后重点介绍了光致取向的表征,测量方法。讨论了影响偶氮苯聚合物材料光响应性质的因素。研究了取代基,热交联和掺银纳米粒子对光致双折射的形成速度,幅度和可重复擦写性。实验结果表明,通过引入推拉电子基团（取代基）可以有效提高偶氮苯材料的光致响应速度和光致双折射的大小;热交联的方式可以有效抑制偶氮苯材料的光致质量迁移;研究了两种方法制作得到的银纳米粒子/偶氮苯聚合物复合材料的光响应性质,包括直接掺杂和原位还原得到的材料。利用干涉技术制作周期和准周期的微纳结构若干问题研究。利用多光束激光干涉技术在空间上可以形成周期或准周期分布的能量分布结构。通过参数控制,如相位控制,偏振态控制和能量配比可以调节干涉场单元结构的能量分布。偏振态控制的双光束全息干涉可以在偶氮苯材料中形成不同形式的光栅,如表面起伏光栅和纯折射率光栅。四光束以上的多光束干涉场能量分布受光束的相位和偏振态影响较大。三光束干涉的能量单元结构不受干涉光相位的影响,通过改变干涉光的偏振态组合可以得到不同的能量场分布,从而在材料上形成各种复杂的表面结构。通过双光束或三光束多曝光的技术可以在样品上制作多种准周期微纳结构。光致偶氮苯聚合物材料质量迁移规律研究基于高能量激光烧蚀,采用偏振控制三光束干涉技术在偶氮苯聚合物上制作得到的六角形分布的偶氮苯聚合物圆台结构。利用偏振全息技术调控空间的能量场和偏振分布,并照射圆形的偶氮苯聚合物产生凸起结构。（P, P）干涉模式下,圆形凸起结构沿着P偏振方向发生变形;（S, S）干涉模式下,圆形结构由于热效应在平面内没有发生变形;（+45°, -45°）和（S, P）干涉模式下,结构并不发生变形。采用单光束均匀能量照射时,圆形结构沿着光束的偏振方向发生变形。采用微透镜对光束聚焦的模型分析得到,单光束照射在微凸起结构内会形成能量梯度,且能量场分布关于中心对称。实验结果表明,照射光束的偏振矢量和能量梯度保持方向一致时,偶氮苯聚合物内发生光致质量迁移。光致偶氮苯聚合物双尺度微纳结构形成研究。从仿生学角度出发,双尺度结构在高疏水性,结构色和高吸附力等方面都具有潜在的应用。针对不同取代基（主要是氰基和甲基）的偶氮苯聚合物材料,采用干涉技术制造可控的双尺度结构。首先利用单光束照射技术在不同的偶氮苯聚合物材料制造单尺度纳米结构。实验结果表明在氰基聚合物材料上得到纳米级的带状液晶结构,其取向与照射光的偏振态保持一致;而甲基聚合物材料上只能得到纳米簇结构,簇的形态不受照射光的偏振态影响。利用干涉在偶氮苯聚合物上制作得到了具有纳米结构的微米周期结构,即形成双尺度微纳结构。纳米结构的大小,走向等可以通过控制干涉激光的偏振态,照射功率和照射时间进行控制。矢量偏振光形成技术和性质研究。基于高双折射C切钒酸钇晶体,我们得到了轴对称偏振光,包括径向偏振光和角向偏振光。采用C切钒酸钇晶体产生轴对称偏振光具有成本低,可以根据工作波长进行调节的优点,在实验应用中具有较强的可行性。基于波片对偏振的转换的原理和偶氮苯聚合物具有光致双折射的性质,我们设计并制作了轴对称相位延迟片。通过激光诱导在偶氮苯薄膜中形成轴对称分布的分子排列,得到相位延迟均匀,光轴轴对称分布的相位延迟片。这种相位延迟片可以通过改变材料的参数,如厚度、材料组分等,得到稳定的相位延迟,从而能够用于产生不同的轴对称偏振光。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 微细加工技术
• 1.2.1 腐蚀技术
• 1.2.2 沉积技术
• 1.2.3 光刻技术
• 1.2.4 LIGA 工艺
• 1.2.5 探针工艺
• 1.2.6 自组装技术
• 1.2.7 纳米压印技术
• 1.2.8 其他一些微加工技术
• 1.3 激光器和激光制造系统
• 1.3.1 激光器的发展及其在机械制造中的应用
• 1.3.2 激光加工系统
• 1.4 光子学材料
• 1.4.1 金属材料加工
• 1.4.2 硅材料加工
• 1.4.3 光子学聚合物材料
• 1.5 本论文的研究内容
• 参考文献
• 第2章 偶氮苯聚合物光响应性质
• 2.1 引言
• 2.2 偶氮苯聚合物的光致异构特性
• 2.3 偶氮苯聚合物的光致移动及其应用
• 2.3.1 分子运动
• 2.3.2 光致取向
• 2.3.3 液晶微畴移动
• 2.3.4 光致质量迁移
• 2.3.5 大尺度移动-光机效应
• 2.4 光致取向
• 2.5 影响偶氮苯聚合物光致取向的因素
• 2.5.1 不同取代基对光致取向速度的影响
• 2.5.2 不同交联度对光致双折射稳定性的影响
• 2.5.3 掺银纳米粒子对光致取向速度和稳定性的影响
• 2.6 小结
• 参考文献
• 第3章 激光干涉技术制造微纳结构
• 3.1 引言
• 3.2 激光干涉理论
• 3.3 双光束偏振全息干涉技术
• 3.4 多光束激光干涉对微结构的影响
• 3.5 参数控制的三光束干涉
• 3.5.1 干涉光相位对能量分布的影响
• 3.5.2 干涉光偏振态对能量分布的影响
• 3.5.3 干涉光束能量比例对干涉场能量分布的影响
• 3.6 多曝光技术制造准周期微纳结构
• 3.7 小结
• 参考文献
• 第4章 偶氮苯聚合物光致质量迁移机理分析
• 4.1 光致质量迁移机理概述
• 4.2 光致质量迁移的电场力模型
• 4.3 实验
• 4.3.1 材料
• 4.3.2 三光束干涉用于制作凸起阵列结构
• 4.3.3 双光束干涉诱导偶氮结构变形
• 4.3.4 单光束照射诱导偶氮结构变形
• 4.4 讨论
• 4.5 小结
• 参考文献
• 第5章 双尺度微纳结构制造
• 5.1 引言-双尺度结构的产生和应用
• 5.2 光学可控的双尺度结构
• 5.3 偶氮苯聚合物双尺度结构的产生
• 5.4 偶氮双尺度结构的制造
• 5.4.1 材料和性质
• 5.4.2 AzoCN 材料的双尺度结构
• 5.4.3 AzoCH3 材料上双尺度结构
• 5.5 理论模型
• 5.6 小结
• 参考文献
• 第6章 轴对称偏振光产生技术研究
• 6.1 引言
• 6.2 利用钒酸钇晶体产生轴对称偏振光
• 6.2.1 钒酸钇晶体
• 6.2.2 利用C 切钒酸钇晶体产生轴对称偏振光
• 6.3 轴对称相位延迟片制作
• 6.3.1 实验原理
• 6.3.2 实验结果与讨论
• 6.4 小结
• 参考文献
• 第7章 总结与展望
• 7.1 本文内容总结
• 7.2 本文创新之处
• 7.3 后续工作展望
• 博士期间发表的论文和其他研究成果
• 致谢