CN103317228A - 飞秒激光微加工的同步监测装置 - Google Patents

Abstract

飞秒激光微加工的同步监测装置，包括一台飞秒激光器，沿所述飞秒激光器输出的飞秒激光光路依次设有两个平行全反射镜、衰减片、偏振片、分束棱镜、两个光阑，快门、聚焦透镜和加工对象。加工对象固定在旋转平移装置上并使光阑中心与加工对象的竖直中心线在同一平面上。在旋转平移装置上还固定有L型支架，L型支架上设置有监测用的CCD。旋转平移装置、CCD和L型支架均通过信号线与计算机相连。分束棱镜将飞秒激光分成两束能量完全相同的两束光，一束沿飞秒激光光路，用于加工，另一束沿另一条光路进入功率计，对飞秒激光的能量进行测量。实现了对加工对象表面出现的变化进行实时同步监测，减少因多次测量引起的误差。两个光阑等高共线，光束保持固定。

Description

飞秒激光微加工的同步监测装置

技术领域

本发明涉及飞秒激光微细加工技术，更具体地说，涉及一种飞秒激光微加工的同步监测装置及飞秒激光光路。

背景技术

飞秒激光加工技术可以突破光学微加工方法中由于衍射极限给加工精度带来的限制，并有能力直接在透明材料内部加工出真正的三维微结构，是一种能够实现无热影响区的精密的激光加工技术。飞秒激光加工具有下列优点：（1）对加工区周围的热影响小；（2）可加工其它激光难以加工的材料，如透明材料、高熔点材料、热分解器和热变形材料等；（3）飞秒激光微加工技术具有加工精度高、热效应小、损伤阈值低以及能够实现真正的三维微结构加工等优点。

目前，在飞秒激光微加工技术中，激光与物质相互作用过程中诱导周期性结构需要以小范围的激光能量参数才能够形成，同时大多是垂直进行微加工，对于不同角度下诱导的微结构及加工方法还不成熟。而在这个过程中，如果我们用传统的方法进行实验时，就会发现每次激光与材料表面作用时，不能直接的观察到材料表面出现的变化，从而无法判定出这一实验数据对所做的研究是否有意义，因此还需要将材料通过其它的观测装置进行观察，致使激光打点实验需要大量的重复实验，这样反复的重复观察将会使实验变得十分繁琐。同时每次样品摆放的位置也无法保证都在同一位置，这就会使得焦点无法准确地作用在加工对象表面上，从而进一步对实验的结果造成了更大的误差甚至出现错误。另外，传统的加工装置在不同角度入射下，不能保证加工的一致性和可重复性，这大大增加了加工的误差和复杂程度。因此，随着对器件的精密化和可重复性要求的提高，现有技术已不能满足新的要求。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种结构简单、可实现观测与加工同步、并可在不同角度下准确进行飞秒激光微细加工的装置。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：飞秒激光微加工的同步监测装置，包括一台飞秒激光器，该装置构成还包括：沿所述飞秒激光器输出的飞秒激光光路依次设有两个平行全反射镜、衰减片、偏振片、分束棱镜、两个光阑，快门、聚焦透镜和加工对象。所述加工对象固定在旋转平移装置上并使光阑中心与加工对象的竖直中心线在同一平面上。在旋转平移装置上还固定有L型支架，所述L型支架上设置有监测用的CCD。旋转平移装置、CCD和L型支架均通过信号线与计算机相连。

所述分束棱镜将飞秒激光分成两束能量完全相同的两束光，一束沿所述飞秒激光器输出的飞秒激光光路，用于加工，而另一束沿另一条光路进入功率计，作为能量的标本对飞秒激光的能量进行测量。

所述旋转平移装置包括精密位移台，旋转台、上一维平移台和下一维平移台，所述精密位移台设在旋转台上，所述旋转台设在上一维平移台上，所述上一维平移台与下一维平移台呈十字交叉滑动连接，上一维平移台可进行左右移动、下一维平移台可进行前后移动，所述加工对象固定在旋转平移装置中的精密位移台上。

所述旋转平移装置与计算机相连是指精密位移台和上、下一维平移台与计算机相连接，以实现自动控制。

所述L型支架由小型平移台、L型支杆、固定托架和旋转轴构成，所述L型支杆是设有两个拐点的杆状件，其上端和下端分别与固定托架和小型平移台固定连接，在中部两个拐点处分别安装第一、第二旋转轴，所述固定托架用于设置监测用的CCD。所述小型平移台设置在旋转平移装置中的上一维平移台上并与计算机相连，所述L型支架利用其小型平移台和第一、第二旋转轴调节CCD与激光焦点同步以及其与加工对象的距离。

所述L型支杆是设有两个直角拐点的杆状件，其上端与固定托架固定连接，其下端杆成垂直地固定在小型平移台上，在中部的两个直角拐点处分别安装第一旋转轴和第二旋转轴，第一旋转轴实现其上段支架部分绕垂直于底面小型平移台15面的轴向旋转，而第二旋转轴实现其上段支架部分绕平行于底面小型平移台15面的轴向旋转。

所述两个光阑是等高共线的，使入射光束保持固定。

与现有技术相比，本发明装置的L型支架的小型平移台设置在旋转平移装置中的上一维平移台上，这就使得在飞秒激光加工过程中，固定在旋转平移装置中的精密位移台上的加工对象的状态始终处于CCD的观测中，实现了对加工对象表面出现的变化进行实时同步监测。同时，在光路上设置分束棱镜，使得能在光束加工同时进行测量，简化了加工步骤，减少因多次中断加工作业进行测量所引起的误差。本发明的两个光阑等高共线，使入射光束保持固定，保证了每次加工的飞秒激光光束与加工对象设置一致，且激光斑无明显变形，激光能量分布较均匀，从而提高了本装置的加工精度和可重复性。由于本发明可调节零部件的设置，可应用于对不同尺寸、形状各异的飞秒激光斜入射三维加工对象进行旋转式微细加工。

以下将结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，该实施例仅用于解释本发明。并不对本发明的保护范围构成限制。

附图说明

图1是本发明飞秒激光微加工的同步监测装置结构及光路示意图；

图2是图1中的旋转平移装置的结构立体示意图，图中固定有加工对象；

图3是图1中的L型支架的结构立体示意图；

图4是飞秒激光聚焦光斑强度在加工对象表面上的分布示意图，其中：（a）激光垂直入射表面，（b）传统加工装置的效果，（c）本发明加入光阑对光路进行矫正的效果。

图中的附图标记：

1-飞秒激光器；2、2‘-全反射镜；3-衰减片；4-偏振片；5-分束棱镜；6、6‘-光阑；7-快门；8-聚焦透镜；9-旋转平移装置；10-L型支架；11-CCD；12-精细位移台；13-旋转台；14、14‘-上、下一维平移台；15-小型平移台；16-加工对象；17-功率计；18-固定托架；19-L型支杆；20、20‘-第一、第二旋转轴；21-计算机。

具体实施方式

参见图1，本发明飞秒激光微加工的同步监测装置包括：一台飞秒激光器1，该装置构成还包括：沿飞秒激光器1输出的飞秒激光光路依次设有两个平行全反射镜2、2‘，衰减片3，偏振片4，分束棱镜5，两个光阑6、6‘，快门7，聚焦透镜8和加工对象16。分束棱镜5将飞秒激光分成两束能量完全相同的两束光，一束沿飞秒激光器1输出的飞秒激光光路，用于加工，而另一束沿另一条光路进入功率计17，作为能量的标本对飞秒激光的能量进行测量，这样使得简化了加工的步骤，同时也减少了由于多次中断加工进行能量测量所带来的误差。本发明在飞秒激光光路中并行设置的两个光阑6、6‘，在一条直线上且等高，使光阑6、6‘中心与加工对象16的竖直中心线在同一平面上，并固定在光路上，这就保证了每次加工的入射飞秒激光与加工对象16位置一定，实现了加工的高度一致性和可重复性。所述加工对象16安装在旋转平移装置9上，在旋转平移装置9上还设置有L型支架10。

图2示出旋转平移装置9的立体结构，本发明旋转平移装置9主要用于调节飞秒激光的焦点与加工对象16位置。该装置由精密位移台12，旋转台13、上一维平移台14和下一维平移台14‘组成。精密位移台12设置在旋转台13接近中心的部位，旋转台13设置在上一维平移台14上，上一维平移台14与下一维平移台14‘呈十字交叉滑动连接，上一维平移台14和下一维平移台14‘可选用长方体构型。精密位移台12可在旋转台13上进行移动，旋转台13可绕其中心轴（图中未示出）旋转，上一维平移台14可进行左右移动、而下一维平移台14‘可进行前后移动。加工对象16固定在旋转平移装置9中的精密位移台12上，可随着精密位移台12的移动而移动，从而实现旋转平移装置9加工的二维移动。

在旋转平移装置9中，精密位移台12和上、下一维平移台14、14‘分别与计算机21相连接，其运动由所述的计算机依程序控制，可实现飞秒激光斜入射三维旋转式精细加工。上、下一维平移台14、14‘可使得在其上部的旋转台13、精密位移台12和加工对象16一起进行前后、左右移动，实施粗略调节飞秒激光光束在加工对象16内的焦点位置；然后结合两个光阑6、6‘的作用，使入射激光与加工对象16横向中线共面；再通过旋转台13来调节飞秒激光和加工对象16表面法线的夹角；最后通过精密位移台12进行更加精确地确定焦点，以保证加工对象16横向中线始终与旋转台13的中心线重合。这样就可以实现无论旋转台13旋转到任意的角度下，飞秒激光辐照点始终保持在加工对象16的中线上，从而就保证了激光能量的不变形，大大减小了加工的误差，大大的增加了加工的可信性和准确性。由于本发明可调节零部件的设置，可应用于对不同尺寸、形状各异的飞秒激光斜入射三维加工对象16进行旋转式微细加工。

图3示出L型支架10的立体结构，本发明L型支架10是一种可调式支架结构，用于安装监测用的CCD11并调节其位置。L型支架10由小型平移台15、L型支杆19、固定托架18和第一、第二旋转轴20、20‘构成。L型支杆19是设有两个直角拐点的杆状件，其上端与固定托架18固定连接，其下端杆成垂直地固定在小型平移台15上，在中部的两个直角拐点处分别安装第一旋转轴20和第二旋转轴20‘。固定托架18用于设置监测用的CCD11，小型平移台15设置在旋转平移装置9中的上一维平移台14一侧上并可在其上移动。第一旋转轴实现其上段支架部分绕垂直于底面小型平移台15面的轴向旋转，而第二旋转轴实现其上段支架部分绕平行于底面小型平移台15面的轴向旋转。小型平移台15与计算机相连，以控制监测用的CCD11与加工对象16表面的距离。在监测用的CCD镜头11的前端可安装一个照明装置（图中未示出），为加工区域提供照明。

本发明通过在旋转平移装置9上设置可调式的L型支架10，实现了飞秒激光微加工与CCD11监测同步，这大大提高了加工装置的精度和可重复性，能够始终清晰地观察到激光辐照加工对象16诱导出的结构发生的变化，对加工对象16的形态有了更直接的了解，利于对加工参数的及时调整，提高加工质量。同时还可以根据需求来调节CCD11与加工对象16表面的距离，并且CCD11也是可控的，可以根据要求来改变监测的倍数，从而可对激光辐照产生的多种尺寸的结构进行观察。在加工过程中，调节并保持CCD镜头11与加工对象16表面成45°，这样可确保观测的清晰度；L型支杆19的两个直角拐点处的第一、第二旋转轴20、20‘，可以对加工对象16位置进行灵活的调节。本发明的装置操纵简单、灵活、精确。

图4是飞秒激光聚焦光斑强度在加工对象16表面上的分布示意图。为了说明本发明的原理和优点，对比飞秒激光在不同入射角辐照加工下的效果，将传统加工方法和本发明的加工装置进行对比。传统加工装置对于垂直加工比较适应，但不能进行同步监测，如图4（a）所示，这是因为在加工过程中不能根据具体的加工环境和要求进行激光参数和材料的调整，同时也加大了加工的复杂性。对于斜入射条件下进行微加工，如图4（b）所示，传统的弊端更加明显，它不能保证激光在加工过程中光斑的焦点始终保持在加工对象16的表面上，当激光进行斜入射加工时，光斑将会出现明显的变形，而且激光能量分布变得十分不均匀，这使得激光在斜入射条件下进行加工的精度和成功率大幅降低。图4(c)示出本发明飞秒激光微加工的同步监测装置，加入了双光阑6、6‘后对光路进行矫正的效果，经双光阑6、6‘的激光光斑无明显变形，激光能量分布较均匀，且能量密度随着入射角的变化基本不变。

实验性示例

参数选择：激光脉冲宽度为35fs，中心波长为800nm，重复频率为1KHz，光斑直径为5mm。

在实施加工过程中，可以通过调节全反射镜2、2‘，使入射激光分别通过双光阑6、6‘的中心，这样，就可以实现每次试验的一致性；同时通过改变旋转台13的旋转角度，对飞秒激光诱导的周期性结构周期进行控制，从而实现对加工对象16样式的多样性，也提高了加工精度和可靠性。

实验表明：本发明装置能够实现飞秒激光斜入射三维旋转式精细加工与监测同步进行，实现了激光斜入射加工的可重复性和精确性，可应用于透明材料的三维立体式加工和激光斜入射下微透镜的制备。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.飞秒激光微加工的同步监测装置，包括一台飞秒激光器（1），其特征在于，构成还包括：沿所述飞秒激光器输出的飞秒激光光路依次设有两个平行全反射镜（2、2‘）、衰减片（3）、偏振片（4）、分束棱镜（5）、两个光阑（6、6‘），快门（7）、聚焦透镜（8）和加工对象（16），所述加工对象（16）固定在旋转平移装置（9）上并使光阑（6、6‘）中心与加工对象（16）的竖直中心线在同一平面上，在所述旋转平移装置（9）上还固定有L型支架（10），所述L型支架（10）上设置有监测用的CCD（11），所述旋转平移装置（9）、所述CCD（11）和所述L型支架（10）均通过信号线与计算机（21）相连。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述分束棱镜（5）将飞秒激光分成两束能量完全相同的两束光，一束沿所述飞秒激光器输出的飞秒激光光路，用于加工，而另一束沿另一条光路进入功率计（17），作为能量的标本对飞秒激光的能量进行测量。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述旋转平移装置（9）包括精密位移台（12），旋转台（13）、上一维平移台（14）和下一维平移台（14‘），所述精密位移台（12）设在旋转台（13）上，所述旋转台（13）设在上一维平移台（14）上，所述上一维平移台（14）与下一维平移台（14‘）呈十字交叉滑动连接，上一维平移台（14）可进行左右移动、下一维平移台（14‘）可进行前后移动，所述加工对象（16）固定在旋转平移装置（9）中的精密位移台（12）上。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述旋转平移装置（9）与计算机（21）相连是指精密位移台（12）和上、下一维平移台（14、14‘）与计算机（21）相连接，以实现自动控制。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述L型支架（10）由小型平移台（15）、L型支杆（19）、固定托架（18）和旋转轴构成，所述L型支杆（19）是设有两个拐点的杆状件，其上端和下端分别与固定托架（18）和小型平移台（15）固定连接，在中部两个拐点处分别安装第一、第二旋转轴（20、20‘），所述固定托架（18）用于设置监测用的CCD（11），所述小型平移台（15）设置在旋转平移装置（9）中的上一维平移台（14）上并与计算机（21）相连，所述L型支架（10）利用其小型平移台（15）和第一、第二旋转轴（20、20‘）调节CCD（11）与激光焦点同步以及其与加工对象（16）的距离。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述L型支杆（19）是设有两个直角拐点的杆状件，其上端与固定托架（18）固定连接，其下端杆成垂直地固定在小型平移台（15）上，在中部的两个直角拐点处分别安装第一旋转轴（20）和第二旋转轴（20‘），第一旋转轴（20）实现其上段支架部分绕垂直于底面小型平移台（15）面的轴向旋转，而第二旋转轴（20‘）实现其上段支架部分绕平行于底面小型平移台（15）面的轴向旋转。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述两个光阑（6、6‘）是等高共线的，使入射光束保持固定。

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