CN102284790B - 控制气体氛围的飞秒激光微纳加工装置及其加工方法 - Google Patents

Abstract

一种控制气体氛围的飞秒激光微纳加工装置及其加工方法，包括真空腔体、可编程位移平台、CCD、显微镜、电离规、电阻规、控制电源、微调阀门、真空泵、飞秒激光、可编程控制位移平台和CCD的计算机的结构。真空腔体、微调阀门和真空泵可进行抽真空与选择性引入气体操作，飞秒激光经显微物镜聚焦后通过光学窗口进入真空腔室与样品作用，真空腔室内的样品由计算机控制位移平台带动进行三维移动。本发明可实现真空条件或一定气体氛围下的飞秒激光微纳加工。

Description

控制气体氛围的飞秒激光微纳加工装置及其加工方法

技术领域

本发明涉及飞秒激光微纳加工,特别是一种控制气体氛围的飞秒激光微纳加工装置及其加工方法。

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。飞秒激光能通过非线性吸收过程对玻璃进行局域改性，从而具有高分辨的三维加工能力。当前利用飞秒激光微加工主要有三种方法：

（1）辅助水或其它液体的飞秒激光微加工技术；

（2）飞秒激光辐照石英玻璃后直接使用氢氟酸腐蚀（参见文献：A. Marcinkevicius, S. Juodkazis,et al. , Opt. Lett., 2001, 26(5): 277-279.）。

（3）飞秒激光辐照光敏玻璃后对样品进行焙烧，腐蚀，退火等后期处理（参见文献:Sugioka, Y. Cheng, et al., Appl. Phys. A, 2005, 81: 1-10.）。随着黑硅结构的发现，飞秒激光微纳加工技术引入了对不透明材料的处理 (参考文献：Tsing-Hua Her,et al.,APPLIED PHYSICS LETTERS VOLUME 73, NUMBER 12 21 SEPTEMBER 1998)。黑硅的制造成本低廉、具有奇特的光学性能，在红外探测器、太阳能电池以及平板显示器等领域的重要潜在应用价值。黑硅优异的光学性能源于表面的微纳结构的尺寸和形状。而这些微纳结构的尺寸和形状对加工的气体氛围有很强的依赖性，在真空以及不同气体氛围条件下，将得到不同的表面微纳结构。

要实现高真空以及所需气体氛围，就需要一套能控制气体氛围的飞秒激光微纳加工装置。现有的光学加工平台无法满足需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种控制气体氛围的飞秒激光微纳加工装置及其加工方法，实现高真空以及所需气体氛围下的飞秒激光微纳加工。

本发明的技术方案如下：

一种控制气体氛围的飞秒激光微纳加工装置，包括飞秒激光光源、计算机和位移平台，其特点在于还有固定在所述的位移平台的真空腔体，该真空腔体的构成包括一个不锈钢圆筒形杯体，在该杯体的底中央为下光学窗口，在下光学窗口上固定一个可调样品台，在该杯体口有一固定端盖，在该固定端盖的中央是上光学窗口，所述杯体的两侧分别有与之相通的进气管和抽气管，该进气管的末端设有三个法兰，分别接电阻规、电离规和气体微调阀门，所述的电阻规和电离规与控制电源连接，所述的气体微调阀门与气体瓶相连，所述的抽气管通过法兰与真空泵的波纹管连接，所述的真空腔体正上方架设一台带有CCD的显微镜，所述的CCD和位移平台与所述的计算机相连。

利用上述控制气体氛围的飞秒激光微纳加工装置进行飞秒激光微纳加工的方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）待加工样品安装：

在可调样品台上固定待加工样品，将CCD和位移平台与所述的计算机连接好，启动计算机，控制所述的位移平台进行三维移动；所述的CCD对待加工的样品进行实时成像并输入计算机显示，所述的飞秒激光光源发出的飞秒激光通过一组反射镜经显微物镜聚焦后通过真空腔体的上光学窗口进入真空腔室照射在可调样品台上的待加工样品上，调整好后，将真空腔体的真空腔室密封；

（2）气体氛围控制：

需要真空加工环境时，将微调阀门关闭后，启动真空泵对真空腔体的真空腔室进行抽真空，所述的电阻规和电离规测得的真空度在控制电源上实时显示，二十分钟后，待真空腔室内的真空度达到0.01帕斯卡后即可进行加工；

加工需要气体氛围时，首先按照上述操作使真空腔室的真空度达到0.01帕斯卡，然后打开微调阀门，所需气体由气体瓶进入真空腔室，通过控制微调阀门的转动来控制气体的流量，真空腔室内气体压强在控制电源上实时显示，达到所需的气压后即可进行加工；

（3）加工过程： 

调节显微物镜的高度，使待加工样品表面在CCD上成清晰的像；将飞秒激光引入真空腔室与样品作用的同时，计算机启动位移平台控制程序，位移平台带动真空腔室内的待加工样品进行精确的三维移动，实施飞秒激光加工，计算机实时监控，直至加工完成。

本发明的技术效果：

实验表明，本发明可以实现高真空以及所需气体氛围下的飞秒激光微纳加工。

附图说明

    下面结合附图对本发明进一步说明：

图1是本发明控制气体氛围的飞秒激光微纳加工装置的结构示意图。

图2是本发明真空腔体的俯视图。

图3是图2中的A-A剖面图。

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是本发明控制气体氛围的飞秒激光微纳加工装置的结构示意图，由图可见，本发明控制气体氛围的飞秒激光微纳加工装置，包括飞秒激光光源1、计算机3和位移平台10，其特点在于还有固定在所述的位移平台10的真空腔体4，该真空腔体4的构成（参见图2和图3）包括一个不锈钢圆筒形杯体12，在该杯体的底中央为下光学窗口16，在下光学窗口16上固定一个可调样品台13，在该杯体口有一固定端盖14，在该固定端盖14的中央是上光学窗口15，所述杯体的两侧分别有与之相通的进气管17和抽气管18，该进气管17的末端设有三个法兰，分别接电阻规6、电离规7和气体微调阀门8，所述的电阻规6和电离规7与控制电源5连接，所述的气体微调阀门8与气体瓶9相连，所述的抽气管18通过法兰与真空泵11的波纹管连接，所述的真空腔体4正上方架设一台带有CCD2的显微镜，所述的CCD 2和位移平台10与所述的计算机3相连。

利用所述的控制气体氛围的飞秒激光微纳加工装置进行飞秒激光微纳加工的方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）待加工样品安装：

在可调样品台13上固定待加工样品，将CCD2和位移平台10与所述的计算机3连接好，启动计算机3，控制所述的位移平台10进行三维移动；所述的CCD2对待加工的样品进行实时成像并输入计算机3显示，所述的飞秒激光光源1发出的飞秒激光通过一组反射镜经显微物镜聚焦后通过真空腔体4的上光学窗口15进入真空腔室照射在可调样品台13上的待加工样品上，调整好后，将真空腔体4的真空腔室密封；

（2）气体氛围控制：

需要真空加工环境时，将微调阀门8关闭后，启动真空泵11对真空腔体4的真空腔室进行抽真空，所述的电阻规6和电离规7测得的真空度在控制电源上实时显示，二十分钟后，待真空腔室内的真空度达到0.01帕斯卡后即可进行加工；

加工需要气体氛围时，首先按照上述操作使真空腔室的真空度达到0.01帕斯卡，然后打开微调阀门8，所需气体由气体瓶9进入真空腔室，通过控制微调阀门的转动来控制气体的流量，真空腔室内气体压强在控制电源上实时显示，达到所需的气压后即可进行加工；

（3）加工过程： 

调节显微物镜的高度，使待加工样品表面在CCD2上成清晰的像；将飞秒激光引入真空腔室与样品作用的同时，计算机3启动位移平台控制程序，位移平台带动真空腔室内的待加工样品进行精确的三维移动，实施飞秒激光加工，计算机3实时监控，直至加工完成。

在图3所示实施例中，下光学窗口16与不锈钢腔体12的下表面通过胶合连接，不锈钢腔体12下表面所开的不同孔径的圆孔保证下光学窗口16的位置固定以及腔体密封。上光学窗口15与上窗口固定端盖14也是通过胶合连接。上窗口固定端盖14与不锈钢腔体12通过螺钉连接固定。可调样品台13中间是螺纹连接构造，可连续调节样品平台的高度。可调样品平台13中间螺纹立柱采用不锈钢材料，其上部圆形小平台采用玻璃材料。中间螺纹立柱与上下玻璃材料均采用胶合连接。当整套装置组合完毕，进行抽真空操作，经过二十分钟，该真空腔的真空度达到0.01帕斯卡量级，符合设计要求。通过控制微调阀门8，可以选择需要充入的气体，从而实现不同气体氛围的飞秒激光微纳加工。

Claims (1)

1.一种利用控制气体氛围的飞秒激光微纳加工装置进行飞秒激光微纳加工的方法，该控制气体氛围的飞秒激光微纳加工装置，包括飞秒激光光源（1）、计算机（3）和位移平台（10），其特征在于还有固定在所述的位移平台（10）的真空腔体（4），该真空腔体（4）的构成包括一个不锈钢圆筒形杯体（12），在该杯体的底中央为下光学窗口（16），在下光学窗口（16）上固定一个可调样品台（13），在该杯体口有一固定端盖（14），在该固定端盖（14）的中央是上光学窗口（15），所述杯体的两侧分别有与之相通的进气管（17）和抽气管（18），该进气管（17）的末端设有三个法兰，分别接电阻规（6）、电离规（7）和气体微调阀门（8），所述的电阻规（6）和电离规（7）与控制电源（5）连接，所述的气体微调阀门（8）与气体瓶（9）相连，所述的抽气管（18）通过法兰与真空泵（11）的波纹管连接，所述的真空腔体（4）正上方架设一台带有CCD（2）的显微镜，所述的CCD（2）和位移平台（10）与所述的计算机（3）相连，其特征在于所述的方法包括以下步骤：

（1）待加工样品安装：

在可调样品台（13）上固定待加工样品，将CCD（2）和位移平台（10）与所述的计算机（3）连接好，启动计算机（3），控制所述的位移平台（10）进行三维移动；所述的CCD（2）对待加工的样品进行实时成像并输入计算机（3）显示，所述的飞秒激光光源（1）发出的飞秒激光通过一组反射镜经显微物镜聚焦后通过真空腔体（4）的上光学窗口（15）进入真空腔室照射在可调样品台（13）上的待加工样品上，调整好后，将真空腔体（4）的真空腔室密封；

（2）气体氛围控制：

需要真空加工环境时，将微调阀门（8）关闭后，启动真空泵（11）对真空腔体（4）的真空腔室进行抽真空，所述的电阻规（6）和电离规（7）测得的真空度在控制电源上实时显示，二十分钟后，待真空腔室内的真空度达到0.01帕斯卡后即可进行加工；

加工需要气体氛围时，首先按照上述操作使真空腔室的真空度达到0.01帕斯卡，然后打开微调阀门（8），所需气体由气体瓶（9）进入真空腔室，通过控制微调阀门的转动来控制气体的流量，真空腔室内气体压强在控制电源上实时显示，达到所需的气压后即可进行加工；

（3）加工过程：

调节显微物镜的高度，使待加工样品表面在CCD（2）上成清晰的像；将飞秒激光引入真空腔室与样品作用的同时，计算机（3）启动位移平台控制程序，位移平台带动真空腔室内的待加工样品进行精确的三维移动，实施飞秒激光加工，计算机（3）实时监控，直至加工完成。

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