CN104889576B - 一种高深径比微孔的制备方法及制备装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高深径比微孔的制备方法及制备装置，用以高深径比微孔。本发明的制备方法是利用双脉冲组合的方式来制备高深径比微孔，在激光光源中包含了两种脉宽不同的激光组合，利用数字信号延时发生器分别控制双脉冲组合达到样品的时间，两种激光器的激光脉冲通过光学元器件组合聚焦至样品上，直接对样品进行激光刻蚀；制备装置中包括有飞秒激光器、纳秒激光器、数字信号延时发生器、半波片、光学起偏器、分束镜、全反射镜、白光光源、电荷耦合元件、三维移动平台和电脑。本发明技术可以直接突破单脉冲所能制备的最大微孔深径比极限，很好地解决目前微孔制备中深径比不高的技术难题。

Description

一种高深径比微孔的制备方法及制备装置
技术领域
本发明专利涉及激光技术应用，特别是一种制备超高深径比微孔的方法及装置，以应用于对高深径比微孔有极大需求的高精密光电子器件。
背景技术
近年来随着光电子器件的集成化和微型化，对单位元件的小型化要求日渐增加。微孔作为单位元件的基本构型之一，其许多核心部件要求微孔孔径小、深径比大，从而有效的改善器件性能甚至有突破性的发展。
利用单飞秒脉冲激光制备微孔是目前普遍采用的技术手段，但是随着微孔深度的增加，现有技术中制备方式和制备过程中产生的残留物越来越难以排出，使得脉冲制备的微孔深度受到限制。这些微孔深度受限的情况导致该技术在航空航天、能源、生物医学、光电子微流器件、国防等等领域无法获得广泛应用。现有技术的这些缺陷迫切要求我们开发出更为直接方便的加工工艺和施工设备。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的不足，提供一种新的用于高深径比微孔的制备方法和制备装置。本发明的制备工艺和制备装置要能够直接突破脉冲所能制备的最大微孔深径比极限，解决目前微孔制备中深径比不高的技术难题。
为了达到上述发明目的，本发明专利提供的技术方案如下：
一种高深径比微孔的制备方法，其特征在于，该制备方法是利用双脉冲组合的方式来制备高深径比微孔，在激光光源中包含了两种脉宽不同的激光组合，其组合方式包括有飞秒-纳秒脉冲激光组合、皮秒-纳秒双脉冲激光组合和飞秒-皮秒双脉冲激光组合；利用数字信号延时发生器分别控制双脉冲组合达到样品的时间，两种激光器的激光脉冲通过光学元器件组合聚焦至样品上，直接对样品进行激光刻蚀，以制备高深径比微孔。
在本发明高深径比微孔的制备方法中，该制备方法具体包括有如下步骤：
第一步，采用飞秒激光器产生飞秒激光脉冲，同时采用纳秒激光器产生纳秒激光脉冲，利用数字信号延时发生器分别连接控制飞秒激光器和纳秒激光器，以严格控制飞秒激光脉冲和纳秒激光脉冲到达样品的时间延迟；
第二步，利用一组半波片和光学起偏器组合控制飞秒激光脉冲的功率和偏振，利用另一组半波片和光学起偏器组合控制纳秒激光脉冲的功率和偏振，再利用全反射镜和分束镜将纳秒激光脉冲和飞秒激光脉冲空间重合；
第三步，纳秒激光脉冲和飞秒激光脉冲经过全反射镜和聚焦物镜照射到样品上进行激光加工，该样品放置在一个三维移动平台上，该三维移动平台连接到电脑上以由电脑控制位置移动；
第四步，设计一个白光光源经过分束镜和全反射镜，由聚焦物镜照射到样品进行照明，白光经样品反射后再次经聚焦物镜、全反射镜、分束镜和全反射镜，最终由电荷耦合元件接收，该电荷耦合元件连接电脑并输入信号以在电脑上成像。
在本发明的高深径比微孔的制备方法中，所述数字信号延时发生器控制飞秒激光脉冲和纳秒激光脉冲到达样品的时间延迟，通过纳秒激光脉冲对经飞秒激光脉冲照射样品生成的等离子体进行二次加工，抑制残留物在微孔中的堆积。
一种高深径比微孔的制备装置，其特征在于，该制备装置包括有飞秒激光器、纳秒激光器、数字信号延时发生器、半波片、光学起偏器、分束镜、全反射镜、白光光源、电荷耦合元件、三维移动平台和电脑；
所述的数字信号延时发生器分别连接并输出电脉冲信号至飞秒激光器和纳秒激光器，在所述的纳秒激光器的输出光路上设有半波片、光起偏器、第一分束镜和第二全反射镜，在所述飞秒激光器述的输出光路上设有半波片、光起偏器、第一全反射镜，纳秒激光器输出的纳秒激光经过第一全反射镜和第一分束镜和飞秒激光器输出的飞秒激光空间重合，两束激光经过第二全反射镜和聚焦物镜照射至样品进行激光加工，该样品放置于所述的三维移动平台上，所述的电脑连接并控制所述的三维移动平台；
所述的白光光源经过第二分束镜和第二全反射镜，由聚焦物镜照射到样品进行照明；白光经过样品反射后再次经过聚焦物镜、第二全反射镜、第二分束镜和第三全反射镜，最终由电荷耦合元件接收，该电荷耦合元件连接并传输数据至电脑上成像。
在本发明高深径比微孔的制备装置中，作为一个具体应用，所述的飞秒激光器是脉宽200 fs的780 nm飞秒激光器 ，所述的纳秒激光器是脉宽5 ns到200 ns可调的1064 nm纳秒激光器，所述的数字信号延时发生器采用stanford research system公司的产品，型号是DG535，所述的电荷耦合元件采用allied vision technologies公司的产品，型号是StingrayF-504，所述的白光光源为光纤卤素灯，所述的聚焦物镜为放大倍数10x的物镜。
基于上述技术方案，本发明高深径比微孔的制备方法和制备装置与现有技术相比具有如下技术优点：
1、本发明的高深径比制备方法利用双脉冲组合的方式来制备高深径比微孔，采用额外引入一束纳秒激光作为辅助光的方法，有效地对飞秒激光制备微孔过程中产生的等离子体进行二次加热，同时对残留物产生更为强烈的排出作用，从而实现微孔深度的进一步增加，并且保持微孔的孔径基本无变化。
2、本发明的装置利用纳秒激光对经由飞秒激光照射生成的等离子体进行二次加热，大大增加了等离子体的喷射强度，从而有效抑制了残留物在微孔中的堆积，并通过数字信号延时发生器，可以最优化纳秒激光对微孔加工的辅助作用。
3、本发明的高深径比微孔的制备装置整体装置结构简单明了，结构布局紧凑，易于调整。
附图说明
图1是本发明高深径比微孔的制备装置的结构组成示意图。
具体实施方式
下面我们结合实施例和附图对本发明做进一步说明，以求更为清楚明了地理解其结构组成和工作过程，但不应以此限制本发明的保护范围。
本发明专利先是指出了一种高深径比微孔的制备方法，该制备方法是利用双脉冲组合的方式来制备高深径比微孔，在激光光源中包含了两种脉宽不同的激光组合，利用数字信号延时发生器分别控制双脉冲组合达到样品的时间，两种激光器的激光脉冲通过光学元器件组合聚焦至样品上，直接对样品进行激光刻蚀，以制备高深径比微孔。
在本发明高深径比微孔的制备方法中，在激光光源中包含了两种脉宽不同的激光组合，其组合方式包括有飞秒-纳秒脉冲激光组合、皮秒-纳秒双脉冲激光组合和飞秒-皮秒双脉冲激光组合，该制备方法具体包括有如下步骤：
第一步，激光光源中包含了飞秒-纳秒两种脉宽不同的激光组合，采用飞秒激光器产生飞秒激光脉冲，同时采用纳秒激光器产生纳秒激光脉冲，利用数字信号延时发生器分别连接控制飞秒激光器和纳秒激光器，以严格控制飞秒激光脉冲和纳秒激光脉冲到达样品的时间延迟；
第二步，利用一组半波片和光学起偏器组合控制飞秒激光脉冲的功率和偏振，利用另一组半波片和光学起偏器组合控制纳秒激光脉冲的功率和偏振，再利用全反射镜和分束镜将纳秒激光脉冲和飞秒激光脉冲空间重合；
第三步，纳秒激光脉冲和飞秒激光脉冲经过全反射镜和聚焦物镜照射到样品上进行激光加工，该样品放置在一个三维移动平台上，该三维移动平台连接到电脑上以由电脑控制位置移动；
第四步，设计一个白光光源经过分束镜和全反射镜，由聚焦物镜照射到样品进行照明，白光经样品反射后再次经聚焦物镜、全反射镜、分束镜和全反射镜，最终由电荷耦合元件接收，该电荷耦合元件连接电脑并输入信号以在电脑上成像。
在本发明的高深径比微孔的制备方法中，主激光为飞秒激光，直接对样品进行激光刻蚀，制备微孔；辅助激光为纳秒激光，其作用是突破单个飞秒脉冲激光能够获得的微孔深径比数值极限，从而获得单飞秒脉冲激光无法制备的超高深径比微孔。该技术同样可以扩展到皮秒-纳秒、飞秒-皮秒等多种激光组合。所述数字信号延时发生器控制飞秒激光脉冲和纳秒激光脉冲到达样品的时间延迟，通过纳秒激光脉冲对经飞秒激光脉冲照射样品生成的等离子体进行二次加工，抑制残留物在微孔中的堆积。
本发明专利还基于上述方法设计制作出来一种高深径比微孔的制备装置。先请参阅图1，图1是本发明制备超高深径比微孔的装置的整体结构示意图。由图可见，本发明制备超高深径比微孔装置的构成包括：飞秒激光器1、纳秒激光器2、数字信号延时发生器3、半波片4、半波片5、光学起偏器6、光学起偏器7、第一分束镜8、第一全反射镜9、第二全反射镜10、第二分束镜11、第三全反射镜12、电荷耦合元件13、白光光源14、聚焦物镜15、样品16、三维移动平台17和电脑18。上述元部件的连接关系如下：
所述的数字信号延时发生器3输出电脉冲信号控制飞秒激光器1和纳秒激光器2，以严格控制两种激光达到样品的时间延迟，具体是控制纳秒激光和飞秒激光之间的相对延时。
处于所述飞秒激光器1输出光路上的半波片4和光学起偏器6用于控制飞秒激光的功率和偏振，处于所述纳秒激光器2输出光路上的半波片5和光学起偏器7用以控制纳秒激光器的功率和偏振。具体来说，半波片用于调节激光的偏振方向，光学起偏器用于固定激光的偏振方向。
纳秒激光器2发出的纳秒激光经过第一全反射镜9和第一分束镜8，使得纳秒激光与飞秒激光空间重合，重合后的两束激光经过第二全反射镜10和聚焦物镜15照射样品16上，在样品16进行高深径比微孔的激光加工。
所述的白光光源14发出的白光依次经过第二分束镜11和第二全反射镜10，再经由聚焦物镜15照射到样品16进行照明，白光经过样品16反射后再次经过聚焦物镜15、第二全反射镜10、第二分束镜11和第三全反射镜12，最终由电荷耦合元件13接收，该电荷耦合元件将接收的信号传输到电脑18上以在电脑18上成像。
所述的电荷耦合元件13和三维移动平台17均与所述的电脑18的相连。所述的电荷耦合元件13用于接收样品表面反射的白光，三维移动平台17用于控制激光和样品的作用区域，电脑18用于控制三维移动平台17和接收电荷耦合元件13的信号对样品16的表面进行成像。
在实施例中：所述的飞秒激光器1是脉宽200 fs的780 nm飞秒激光器 ，所述的纳秒激光器2是脉宽5 ns到200 ns可调的1064 nm纳秒激光器，所述的数字信号延时发生器3采用stanford research system公司的产品，型号是DG535，所述的电荷耦合元件13采用allied vision technologies公司的产品，型号是StingrayF-504，所述的白光光源14为光纤卤素灯，所述的聚焦物镜为放大倍数10x的物镜。
本发明高深径比微孔的制备装置的工作过程如下：
数字信号延时发生器3首先输出电脉冲信号控制飞秒激光器1和纳秒激光器2，严格调整两种激光达到样品的时间延迟；半波片4和光学起偏器6控制飞秒激光的功率和偏振；所述的半波片5和光学起偏器7控制纳秒激光器的功率和偏振；纳秒激光经过第一全反射镜9和第一分束镜8和飞秒激光空间重合；两束激光经过第二全反射镜10和聚焦物镜15照射样品16进行激光加工。
所述的白光光源14经过第二分束镜11和第二全反射镜10，再由聚焦物镜15照射到样品16进行照明；白光经过样品16反射后再次经过聚焦物镜15、第二全反射镜10、第二分束镜11和第三全反射镜12，最终由电荷耦合元件13接收并且在电脑18上成像。
本发明专利的方法和设备在航空航天、能源、生物医学、光电子微流器件、国防等等对超高深径比微孔有极大需求的领域有广泛的应用前景，同时也是制备超高深径比微孔来突破某些核心部件技术功能瓶颈的可行方法。

Claims (3)

1.一种高深径比微孔的制备方法，其特征在于，该制备方法是利用双脉冲组合的方式来制备高深径比微孔，在激光光源中包含了两种脉宽不同的激光组合，其组合方式包括有飞秒-纳秒脉冲激光组合、皮秒-纳秒双脉冲激光组合和飞秒-皮秒双脉冲激光组合；利用数字信号延时发生器分别控制双脉冲组合达到样品的时间，两种激光器的激光脉冲通过光学元器件组合聚焦至样品上，直接对样品进行激光刻蚀，以制备高深径比微孔；该制备方法具体包括有如下步骤：
第一步，采用飞秒激光器产生飞秒激光脉冲，同时采用纳秒激光器产生纳秒激光脉冲，利用数字信号延时发生器分别连接控制飞秒激光器和纳秒激光器，以严格控制飞秒激光脉冲和纳秒激光脉冲到达样品的时间延迟；
第二步，利用一组半波片和光学起偏器组合控制飞秒激光脉冲的功率和偏振，利用另一组半波片和光学起偏器组合控制纳秒激光脉冲的功率和偏振，再利用全反射镜和分束镜将纳秒激光脉冲和飞秒激光脉冲空间重合；
第三步，纳秒激光脉冲和飞秒激光脉冲经过全反射镜和聚焦物镜照射到样品上进行激光加工，该样品放置在一个三维移动平台上，该三维移动平台连接到电脑上以由电脑控制位置移动；
第四步，设计一个白光光源经过分束镜和全反射镜，由聚焦物镜照射到样品进行照明，白光经样品反射后再次经聚焦物镜、全反射镜、分束镜和全反射镜，最终由电荷耦合元件接收，该电荷耦合元件连接电脑并输入信号以在电脑上成像；
所述数字信号延时发生器控制飞秒激光脉冲和纳秒激光脉冲到达样品的时间延迟，通过纳秒激光脉冲对经飞秒激光脉冲照射样品生成的等离子体进行二次加工，抑制残留物在微孔中的堆积。
2.一种高深径比微孔的制备装置，其特征在于，该制备装置包括有飞秒激光器、纳秒激光器、数字信号延时发生器、半波片、光学起偏器、分束镜、全反射镜、白光光源、电荷耦合元件、三维移动平台和电脑；
所述的数字信号延时发生器分别连接并输出电脉冲信号至飞秒激光器和纳秒激光器，在所述的纳秒激光器的输出光路上设有半波片、光起偏器、第一分束镜和第二全反射镜，在所述飞秒激光器的输出光路上设有半波片、光起偏器、第一全反射镜，纳秒激光器输出的纳秒激光经过第一全反射镜和第一分束镜和飞秒激光器输出的飞秒激光空间重合，两束激光经过第二全反射镜和聚焦物镜照射至样品进行激光加工，该样品放置于所述的三维移动平台上，所述的电脑连接并控制所述的三维移动平台；
所述的白光光源经过第二分束镜和第二全反射镜，由聚焦物镜照射到样品进行照明；白光经过样品反射后再次经过聚焦物镜、第二全反射镜、第二分束镜和第三全反射镜，最终由电荷耦合元件接收，该电荷耦合元件连接并传输数据至电脑上成像。
3.根据权利要求2所述的一种高深径比微孔的制备装置，其特征在于，所述的飞秒激光器是脉宽200 fs的780 nm飞秒激光器 ，所述的纳秒激光器是脉宽5 ns到200 ns可调的1064 nm纳秒激光器，所述的数字信号延时发生器采用stanford research system公司的产品，型号是DG535，所述的电荷耦合元件采用allied vision technologies公司的产品，型号是StingrayF-504，所述的白光光源为光纤卤素灯，所述的聚焦物镜为放大倍数10x的物镜。
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