CN101862899A - 飞秒激光加工装置 - Google Patents

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程亚
何飞
徐晗
熊辉
倪洁蕾
冯雯
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Abstract

一种飞秒激光加工装置，包括飞秒激光器，沿该飞秒激光器输出的飞秒激光光路依次是小孔光阑、平行光栅对、双色镜、显微物镜和加工对象，该加工对象固定于三维精密电控位移平台上并使所述的显微物镜的焦点位于该加工对象的内部，所述的双色镜与所述的飞秒激光光路的夹角为45°，在该双色镜的垂直方向设置照明光源，该照明光源所发出的白光经所述的双色镜反射后再通过显微物镜聚焦于加工对象的加工区域，为整个加工过程提供照明，在所述的双色镜另一反射方向依次设置透镜和CCD，所述的三维精密电控位移平台和CCD与计算机相连。本发明装置能实现各向同性的高精度加工，可应用于光波导和微流体通道制备中。

Description

飞秒激光加工装置
技术领域
本发明涉及飞秒激光加工，特别是一种飞秒激光加工装置，利用飞秒激光时间聚焦使激光焦点处的三维光强分布接近球形的方法。本发明无需考虑飞秒激光直写方向，可以在透明材料内部加工出沿任意方向摆放且横截面为圆形的三维微流体通道和光波导。
背景技术
飞秒激光以其加工精度高、热效应小、损伤阈值低和可以对透明材料实现三维微加工等优点在当代微制造领域中独树一帜，它为我们提供了一种全新的制备大规模、复杂三维微结构的方法。目前已在微光学、微流体、微电子和微机械等领域中体现出重要应用前景。
利用飞秒激光直写方法可以在透明材料内部制备出三维光波导(参见K.M.Davis，K.Miura et al.，Optics Letters，Vol.21，P1729-1731，1996)；利用飞秒激光直写结合后期的热处理和HF酸腐蚀等辅助过程还可以在玻璃材料内部加工出三维微流体通道(参见文献：M.Ma suda，K.Sugioka，et al.，Applied Physics A，Vol.76，P 857，2003)。通常飞秒激光微加工所采用的直写方法是指横向直写，即直写方向垂直于激光光束的传播方向。这种工作方式可以不受聚焦物镜工作距离的限制，直写长度为任意距离。但是，由于显微物镜聚焦时的纵向分辨率远小于其横向分辨率，通常的横向直写方式制备出的微结构的横截面呈现出极度不均匀的椭圆形状，不利于许多微光学或微流体应用。例如横截面不对称的光波导会引起较大的传输损耗等。尽管人们提出了对飞秒光束整形的方法来改善横截面的方向比例，例如在光路中添加狭缝(参见文献：Y.Cheng，K.Sugioka，et al.，Optics Letters，Vol.28，P 55，2003)或象散透镜(R.Osellame，S.Taccheo，et al.，Journalof the Optical Society of America B，Vol.20，P 1559，2003)等。但这些方法仅能使飞秒激光沿特定的一个方向直写时横截面为圆形，即只能制备出横截面对称的一维微结构。当需要制备二维或三维微结构(如环形光波导，二维光栅，弯曲微通道等)时，上述这些方法很难满足需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服上述现有的飞秒激光直写技术横向和纵向加工分辨率不均匀的缺点，提供一种飞秒激光加工装置，该装置应能实现各向同性的加工精度，可应用于光波导和微流体通道制备中。
本发明的技术解决方案如下：
一种飞秒激光加工装置，包括一台飞秒激光器，其特点在于构成还包括：沿所述的飞秒激光器输出的飞秒激光光路依次是小孔光阑、平行光栅对、双色镜、显微物镜和加工对象，该加工对象固定于三维精密电控位移平台上并使所述的显微物镜的焦点位于该加工对象的内部，所述的双色镜与所述的飞秒激光光路的夹角为45°，在该双色镜的垂直方向设置照明光源，该照明光源所发出的白光经所述的双色镜反射后再通过显微物镜聚焦于加工对象的加工区域，为整个加工过程提供照明，在所述的双色镜另一反射方向依次设置透镜和CCD，所述的三维精密电控位移平台和CCD与计算机相连，所述的飞秒激光辐照区由显微物镜、双色镜和透镜成像并由CCD接收图像输入所述的计算机监控，所述的三维精密电控位移平台的运动由所述的计算机依程序控制。
所述的平行光栅对的两个光栅分别固定在两个旋转及位移平台上，以调节光栅对的垂直距离和光束入射角。
本发明的特点是，利用平行光栅对将飞秒激光的较宽光谱的不同的频率成分的光在空间上分离开来，这些分离开来不同频率的光只能在显微物镜的焦点处重叠，而在焦点前后保持分离，因此脉冲只有在焦点处才能达到最短脉宽，而在焦点前后都将被展宽，以此形成所谓的时间聚焦。
所述的双色镜5对800nm波长的光高透，对白光高反的镜片、
照明光源所发出的白光经双色镜反射后再通过物镜聚焦于加工对象的加工区域，从而为整个加工过程提供照明，因此飞秒激光辐照区可由显微物镜、双色镜和透镜成像并由CCD接收实时加工的图像，输入计算机显示出来，通过在显示屏幕上观察激光烧蚀的颜色变化以确定所需激光功率大小，观察横截面型变化确定小孔光阑的小孔尺寸或光栅对的距离与角度；所述的三维精密电控位移平台的运动由计算机控制。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、时间聚焦方式改变了光强分布，使瑞利长度缩短，可以显著提高纵向加工分辨率；
2、在一些光学非线性系数较高的材料(如聚合物和晶体等)里面，传统飞秒激光直写方法会因自聚焦效应使纵向加工深度变大，本发明将有效抑制这一效应；
3、与添加狭缝或使用柱透镜聚焦等光束整形技术相比，本发明可以近似形成一个光强分布为球形的光斑，从而无需考虑激光直写方向，可以在透明材料内部加工出沿任意方向摆放且横截面为圆形的三维微结构。
附图说明
图1是本发明本发明飞秒激光加工装置的光路示意图。
图2是各种飞秒激光聚焦方式焦点处光强分布示意图：(a)传统物镜聚焦；(b)在物镜前添加狭缝对光束整形；(c)时间聚焦模式。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1，图1是本发明本发明飞秒激光加工装置的光路示意图。由图可见，本发明飞秒激光加工装置，包括一台飞秒激光器1，沿该飞秒激光器1输出的飞秒激光光路依次是小孔光阑2、平行光栅对3、双色镜5、显微物镜6、加工对象7，该加工对象7固定于三维精密电控位移平台8上并使所述的显微物镜6的焦点位于该加工对象7的内部，所述的平行光栅对3的两个光栅分别固定在两个旋转及位移平台4上，所述的双色镜5与所述的飞秒激光光路的夹角为45°，在该双色镜5的垂直方向设置照明光源9，该照明光源9所发出的白光经所述的双色镜5反射后再通过显微物镜6聚焦于加工对象7的加工区域，为整个加工过程提供照明，在所述的双色镜5另一反射方向依次设置透镜10和CCD11，所述的三维精密电控位移平台8和CCD11与计算机12相连，所述的飞秒激光辐照区由显微物镜6、双色镜5和透镜10成像并由CCD11接收图像，该图像由CCD11输入计算机12并显示，所述的三维精密电控位移平台8的运动由所述的计算机12依程序控制。
为了说明本发明的原理和优点，首先对比飞秒激光在各种不同聚焦方式下焦点处光强分布：
通常对于圆形高斯光束，通过透镜聚焦后纵向上的瑞利长度要大于焦点的横向尺寸，因此在这种聚焦情况下无论是XZ平面还是YZ平面的光强分布均近似为椭圆形，在直写加工时横截面型也是非对称的，如图2中a所示。
在物镜前添加狭缝整形(参见文献：Y.Cheng，K.Sugioka，et al.，Optics Letters，Vol.28，P 55，2003)可以将一个面的光强分布改善成圆形。例如，狭缝沿Y方向放置，聚焦后XZ平面光斑形貌近似为圆形，而YZ平面光斑形貌依然为椭圆形，如图2中b所示。因此只有沿着Y方向直写时才能有效制备具有圆形对称横截面的微结构，其他方向并不能奏效。此外，这一方法是以牺牲X方向的横向加工分辨率为代价的，即使X方向的光斑尺寸变大，这对高精度的微加工是不利的。
然而在本发明时间聚焦模式下，光强分布变得大为不同。
由于脉冲的不同频率部分只能在物镜的焦点处重叠，而在焦点前后保持分离，因此脉冲只有在焦点处才能达到最短脉宽，而在焦点前后都将被展宽，以此形成所谓的时间聚焦。由于激光的脉宽沿传播方向是变化的，因此光强分布也将改变，完全不同于传统的聚焦模式。焦点处光强分布如图2中c所示，无论是XZ还是YZ平面均可以获得圆形对称的光强分布，该方法的特点在于显著提高了纵向加工分辨率，使纵向加工分辨率接近横向加工分辨率(参照文献：Fei He，Han Xu et al.，OpticsLetters vol 35，P1106，2010)。
此外，加工装置的脉宽压缩比是光束经过显微物镜6之前的脉宽与显微物镜6焦点处的脉宽之比，并假设α是各光谱成分的线性偏移系数，Ω是光谱宽度，W0是由小孔光阑2的小孔尺寸决定的光束半径，脉宽压缩比可近似表达为αΩ/W0(参见文献：G.Zhu，J.Howe et al.，Opt.Expres s，vol 13，P2153，2005)。这一表达式为本发明装置的具体实施提供了现实依据：对于传统物镜聚焦而言，脉宽在任何位置均无变化，即相当于脉宽压缩比为1，这将造成加工纵向深度大于横向宽度；在时间聚焦模式下，可以通过调节特定光学元件使该比例系数变大，即使焦点前后脉宽相比焦点处脉宽被展宽，脉宽的变化导致光强重新分布，此时焦点处的光强分布近似为球形，加工的纵向深度可以接近横向宽度，直写出的图案横截面型为圆形。由于Ω不变，从该表达式可以看出，为使脉宽压缩比变大可以增大α或者缩小W0，α与光栅对的入射角和光栅对两光栅的的垂直距离有关，即转动光栅使飞秒激光入射角变大或使光栅的垂直距离变大，或调节小孔光阑2的小孔使光束尺寸变小。
激光脉冲宽度为40fs，中心波长为800nm，重复频率为1kHz，频带宽度为30nm，光斑直径为8mm，光栅对的垂直距离为180mm，线密度为1200条/mm，入射角为45°。在实施的过程中以通过调节入射光束尺寸来控制时空聚焦的飞秒激光轴向分辨率，将小孔光阑2的小孔尺寸调节为3mm时，焦点处的光强分布近似为球形，加工的纵向深度可以接近横向宽度，直写出的图案横截面型为圆形。
实验表明：本发明装置能实现各向同性的高精度加工，可应用于光波导和微流体通道制备中。

Claims (2)

1.一种飞秒激光加工装置，包括一台飞秒激光器(1)，其特征在于构成还包括：沿所述的飞秒激光器(1)输出的飞秒激光光路依次是小孔光阑(2)、平行光栅对(3)、双色镜(5)、显微物镜(6)、加工对象(7)，该加工对象(7)固定于三维精密电控位移平台(8)上并使所述的显微物镜(6)的焦点位于该加工对象(7)的内部，所述的双色镜(5)与所述的飞秒激光光路的夹角为45°，在该双色镜(5)的垂直方向设置照明光源(9)，该照明光源(9)所发出的白光经所述的双色镜(5)反射后再通过显微物镜(6)聚焦于加工对象(7)的加工区域，为整个加工过程提供照明，在所述的双色镜(5)另一反射方向依次设置透镜(10)和CCD(11)，所述的三维精密电控位移平台(8)和CCD(11)与计算机(12)相连。
2.根据权利要求1所述的飞秒激光加工装置，其特征在于所述的平行光栅对(3)的两个光栅分别固定在两个旋转及位移平台(4)上。
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