CN103862168B - 飞秒激光三维微加工的紧聚焦光斑能量优化方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于飞秒激光三维微加工的紧聚焦光斑能量优化方法及装置,其方法包括:步骤1,飞秒激光器产生飞秒激光光束,经第一反射镜反射到衰减片表面使激光能量得到衰减;步骤2,通过光阑控制光斑的直径,利用激光功率计测量飞秒激光光束的平均功率、并通过旋转衰减片调节平均功率;最后经光束能量变换系统调制飞秒激光光束;步骤3,中央衰减光经第二反射镜导入至显微聚焦系统聚焦后,在样品内部产生聚焦光斑;步骤4,根据激光加工运动轨迹编写运动控制算法,并输入计算机,计算机发送指令至步进电机控制箱,步进电机控制箱控制三维电动位移台按照所需运动轨迹在样品内部实行三轴运动,最终实现利用聚焦的飞秒激光进行三维加工。
Description
技术领域
本发明属于飞秒激光应用技术及激光微加工技术领域,尤其涉及一种用于飞秒激光三维微加工的紧聚焦光斑能量优化方法及装置。
背景技术
飞秒激光三维微加工技术是精密微加工研究的一项重要研究内容。目前许多前沿科学的进步和高新技术的突破都源自于微结构加工精度的提高。随着飞秒激光微加工技术的飞速发展,飞秒激光微加工技术已广泛用于微全分析系统(μ-TAS)、微机电系统(MAMS)、微反应器(Micro-reactor)、微光学元件等领域。其中,利用飞秒激光作为加工手段从二维表面加工向三维空间加工转型也是飞秒激光微加工领域的最新发展趋势。典型的一些应用是利用飞秒激光烧蚀在透明材料中制作具有三维空间构型微通道的微流控芯片(如专利ZL201210110238.0、ZL201110007738.7以及ZL201110193072.9等);以及利用飞秒激光的双光子聚合效应在液体树脂内直写制作具有复杂三维空间结构的器件或结构(如专利ZL200710057429.4、ZL200880108078.8等)。因此优化飞秒激光聚焦区域的能量分布将有效提升飞秒激光加工的空间分辨率,这对超精细加工是有重大意义的。
飞秒激光三维加工技术一般对聚焦光斑的空间约束主要靠调整聚焦物镜的NA值(数值孔径)。当NA值较大时,光斑能量将被约束到较小的空间中(如图1所示)。然而高数值孔径的聚焦物镜一般具有加工工作距离较短的问题,而具有较小数值孔径的聚焦物镜又不能有效的将能量在沿激光传输的方向上进行有效的约束(如图2所示),这使得在进行飞秒激光三维加工时不得不将这对相互制约的因素同时考虑并权衡轻重。此外,采用聚焦物镜聚焦高斯光束时聚焦光斑多为梭型光斑,亦即聚焦光斑影响区在沿激光传输方向上的影响半径(Z轴)大于激光光束传播横截面(XY平面)的影响半径。这造成加工得到的结构往往在Z方向上达不到很好的精度。
发明内容
针对上述问题中存在的不足之处,本发明提供一种用于飞秒激光三维微加工的紧聚焦光斑能量优化方法及装置。
为实现上述目的,本发明的用于飞秒激光三维微加工的紧聚焦光斑能量优化方法包括:
步骤1,飞秒激光器产生飞秒激光光束,该飞秒激光光束经第一反射镜反射到衰减片表面使激光能量得到衰减;
步骤2,通过光阑控制所述光斑的直径,利用激光功率计测量所述飞秒激光光束的平均功率、并通过旋转衰减片调节所述平均功率;最后经光束能量变换系统调制所述飞秒激光光束,得到所需的中央能量衰减的光斑;
步骤3,经步骤2获得的中央衰减光经第二反射镜导入至显微聚焦系统,经所述显微聚焦系统聚焦后,在样品内部产生聚焦光斑;
步骤4,根据所需激光加工运动轨迹编写运动控制算法,并将该运动控制算法输入计算机,所述计算机发送指令至步进电机控制箱,所述步进电机控制箱控制三维电动位移台按照所需运动轨迹在所述样品的内部实行三轴运动,最终实现利用聚焦的飞秒激光进行三维加工。
进一步的,该方法还包括步骤5:所述样品的表面反射光经二向色镜被电荷耦合元件CCD所接收,所述电荷耦合元件CCD与所述计算机相连,通过所述计算机的图像处理获得实时图像,用于观测加工效果。
本发明还提供一种用于飞秒激光三维微加工的紧聚焦光斑能量优化装置,其包括:
产生超短脉宽的飞秒激光光束的飞秒激光器;
反射所述飞秒激光光束到衰减片的第一反射镜;
提供衰减区域的衰减片;
控制所述飞秒激光光束的光斑直径光阑;
通过调制获得中央能量衰减的光斑的光束能量变换系统;
将经调制后的中央衰减光导入至显微聚焦系统的第二反射镜;
用于聚焦的显微聚焦系统;
用于飞秒激光三维微加工、聚焦成斑的样品;
用于编写运动控制算法、并根据该运动控制算法产生运动指令的计算机;
用于接收所述运动指令控制三维电动位移台进行的三轴运动步进电机控制箱;
按照所需运动轨迹在所述样品内部实行三轴运动的三维电动位移台。
进一步的,该装置还包括:二向色镜和电荷耦合元件CCD,经所述样品的表面的反射光经所述二向色镜可被电荷耦合元件CCD所接收,所述电荷耦合元件CCD与所述计算机相连,通过所述计算机的图像处理获得实时图像,用于观测加工效果。
本发明的有益效果在于:原理简单、搭设简便,且具备激光影响区域半径可调、激光空间能量分布可调等特点。本发明可以使得采用较低NA值聚焦物镜聚焦加工时(较长工作距离)有效压缩Z轴方向的影响,从而提高加工的空间分辨率。
附图说明
图1为大数值孔径聚焦物镜聚焦后的飞秒激光能量分布示意图;
图2为小数值孔径聚焦物镜聚焦后的飞秒激光能量分布示意图;
图3为经中央光强衰减的光束变换后的飞秒激光经聚焦物镜聚焦的能量分布示意图;
图4为本发明的采用中央光强衰减的飞秒激光经高倍显微物镜紧聚焦的三维微加工装置示意图。
具体实施方式
本发明的用于飞秒激光三维微加工的紧聚焦光斑能量优化方法包括:
步骤1,飞秒激光器产生飞秒激光光束,该飞秒激光光束经第一反射镜反射到衰减片表面使激光能量得到衰减;
步骤2,通过光阑控制所述光斑的直径,利用激光功率计测量所述飞秒激光光束的平均功率、并通过旋转衰减片调节所述平均功率;最后经光束能量变换系统调制所述飞秒激光光束,得到所需的中央能量衰减的光斑;
步骤3,经步骤2获得的中央衰减光经第二反射镜导入至显微聚焦系统,经所述显微聚焦系统后,在样品内部产生聚焦光斑;
步骤4,根据所需激光加工运动轨迹编写运动控制算法,并将该运动控制算法输入计算机,所述计算机发送指令至步进电机控制箱,所述步进电机控制箱制三维电动位移台按照所需运动轨迹在所述样品的内部实行三轴运动,最终实现利用聚焦的飞秒激光进行三维加工。
进一步的,该方法还包括步骤5:所述样品的表面反射光经二向色镜被电荷耦合元件CCD所接收,所述电荷耦合元件CCD与所述计算机相连,通过所述计算机的图像处理获得实时图像,用于观测加工效果。
本发明还提供一种用于飞秒激光三维微加工的紧聚焦光斑能量优化装置,其包括:
产生超短脉宽的飞秒激光光束的飞秒激光器;
反射所述飞秒激光光束到衰减片的第一反射镜;
提供衰减区域的衰减片;
控制所述飞秒激光光束的光斑直径光阑;
通过调制获得中央能量衰减的光斑的光束能量变换系统;
将经调制后的中央衰减光导入至显微聚焦系统的第二反射镜;
用于聚焦的显微聚焦系统;
用于飞秒激光三维微加工、聚焦成斑的样品;
用于编写运动控制算法、并根据该运动控制算法产生运动指令的计算机;
用于接收所述运动指令控制三维电动位移台进行的三轴运动步进电机控制箱;
按照所需运动轨迹在所述样品内部实行三轴运动的三维电动位移台。
进一步的,该装置还包括:二向色镜和电荷耦合元件CCD,经所述样品的表面的反射光经所述二向色镜可被电荷耦合元件CCD所接收,所述电荷耦合元件CCD与所述计算机相连,通过所述计算机的图像处理获得实时图像,用于观测加工效果。
图1为大数值孔径聚焦物镜聚焦后的飞秒激光能量分布示意图。如图1所示,聚焦光斑只有能量大于材料破坏阈值时才能使材料发生破坏。图2为小数值孔径聚焦物镜聚焦后的飞秒激光能量分布示意图。而本发明的特征是将一般飞秒激光三维加工光路中采用的“高斯型光束聚焦”模式转变为“环形光或平顶光聚焦”模式(亦即“中央削弱型光斑聚焦”模式)。通过将高斯光束中央能量削弱(XY平面)而限制原聚焦光斑中央能量区在Z轴方向的影响,从而使光斑在Z方向的空间大小得到压缩,进而提高在同等聚焦条件下(特指相同聚焦物镜聚焦情况下)飞秒激光加工的空间分辨率,如图3所示。
图3为经中央光强衰减的光束变换后,飞秒激光经聚焦物镜聚焦的能量分布示意图。图3中环形光束经聚焦后能量在中央区域得到极大衰减,使得聚焦光斑在Z轴方向上的影响区大大缩小,从而提高了Z轴方向的加工空间分辨率。
此外,环形激光(或平顶激光)常被直接用来切割环形孔或冲级强化等用途,而没有利用聚焦后的环形激光(或平顶激光)作为提高飞秒激光加工空间分辨率的手段。本发明拓展了环形激光(或平顶激光)的一种新用途。
图4为本发明的采用中央光强衰减的飞秒激光经高倍显微物镜紧聚焦的三维微加工装置示意图。如图4所示,由飞秒激光器(1)产生超短脉宽的飞秒激光光束,经反射镜(2)反射到衰减片(3)表面,使光斑完全通过衰减片区域,并由光阑(4)控制所需的光斑直径。在其后放置激光功率计,测量当前激光输出的平均功率,并通过旋转衰减片调节至所需加工功率。
然后,激光经光束能量变换系统(5)的调制得到中央能量衰减的光斑,并通过准直或扩束后得到所需的直径的、中央能量衰减的光斑。值得说明的是,可以通过多种常见光路获得平顶光或环形光。常见的方法包括可以利用一对内锥面透镜和外锥面透镜实现,也可通过牛眼透镜配合透镜实现,亦可通过微光学阵列等光学方法获得等。由于本发明的特点不在于如何调制出中央衰减的环形光或平顶光,而在于利用中央衰减光经高倍物镜的紧聚焦进行三维加工,故一切可获得中央衰减的光束的光学系统都为(5)所包含的内容。
调制后的中央衰减光经反射镜(6)导入至显微聚焦系统(7)。经聚焦物镜(10)聚焦后,聚焦光斑作用于样品(11)内部。样品可以为透明玻璃类材料,也可为用于双光子聚合反应的双光子材料。根据所需构造的结构设计激光加工运动轨迹,编写运动控制算法并输入计算机(14)特定控制软件中,使其发送指令至步进电机控制箱(13),从而达到控制三维电动位移台(12)按照所需运动轨迹实行三轴运动,最终实现利用聚焦的飞秒激光进行三维加工。样品表面的反射光经二向色镜(8)被可被电荷耦合元件CCD(9)所接受,并通过计算机(14)中的图像软件获得实时图像,用于观测加工效果。
本装置具有原理简单、搭设简便、激光影响区域半径可调、激光空间能量分布可调等特点。可以使得采用较低NA值聚焦物镜聚焦加工时(较长工作距离)有效压缩Z轴方向的影响,从而提高加工的空间分辨率。
惟以上所述者,仅为本发明的较佳实施例而已,举凡熟悉此项技艺的专业人士。在了解本发明的技术手段之后,自然能依据实际的需要,在本发明的教导下加以变化。因此凡依本发明申请专利范围所作的同等变化与修饰,都应仍属本发明专利涵盖的范围内。
Claims (4)
1.一种用于飞秒激光三维微加工的紧聚焦光斑能量优化方法,其特征在于,包括:
步骤1,飞秒激光器产生飞秒激光光束,该飞秒激光光束经第一反射镜反射到衰减片表面使激光能量得到衰减;
步骤2,通过光阑控制所述光斑的直径,经光束能量变换系统调制所述飞秒激光光束,得到所需的中央能量衰减的光斑;
步骤3,经步骤2调制后的中央衰减光经第二反射镜导入至显微聚焦系统,经所述显微聚焦系统聚焦后,在样品内部产生聚焦光斑;
步骤4,根据所需激光加工运动轨迹编写运动控制算法,并将该运动控制算法输入计算机,所述计算机发送指令至步进电机控制箱,所述步进电机控制箱控制三维电动位移台按照所需运动轨迹在所述样品内部实行三轴运动,最终实现利用聚焦的飞秒激光进行三维加工。
2.如权利要求1所述的用于飞秒激光三维微加工的紧聚焦光斑能量优化方法,其特征在于,还包括步骤5:
所述样品的表面反射光经二向色镜被电荷耦合元件CCD所接收,所述电荷耦合元件CCD与所述计算机相连,通过所述计算机的图像处理获得实时图像,用于观测加工效果。
3.一种用于飞秒激光三维微加工的紧聚焦光斑能量优化装置,其特征在于,包括:
产生超短脉宽的飞秒激光光束的飞秒激光器;
反射所述飞秒激光光束到衰减片的第一反射镜;
提供衰减区域的衰减片;
控制所述飞秒激光光束的光斑直径光阑;
通过调制获得中央能量衰减的光斑的光束能量变换系统;
将经调制后的中央衰减光导入至显微聚焦系统的第二反射镜;
用于聚焦的显微聚焦系统;
用于飞秒激光三维微加工、聚焦成斑的样品;
用于编写运动控制算法、并根据该运动控制算法产生运动指令的计算机;
用于接收所述运动指令控制三维电动位移台进行的三轴运动步进电机控制箱;
按照所需运动轨迹在所述样品内部实行三轴运动的三维电动位移台。
4.如权利要求3所述的用于飞秒激光三维微加工的紧聚焦光斑能量优化装置,其特征在于,还包括:二向色镜和电荷耦合元件CCD,经所述样品的表面的反射光经所述二向色镜可被电荷耦合元件CCD所接收,所述电荷耦合元件CCD与所述计算机相连,通过所述计算机的图像处理获得实时图像,用于观测加工效果。
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