CN106166643A - 一种提高飞秒激光加工精度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高飞秒激光加工精度的方法，将测量平台与微纳结构加工平台集成在一起，利用样品距离检测装置与旋转矩阵法相结合，利用该检测装置获得四个待加工区域的位置数据代入旋转矩阵后，计算获得修正后的微纳结构位置数据，并将该数据代入加工系统，精确地将激光光斑中心定位在样品上，优点在于不需要在不同平台间互相切换，表面高度数据测量后可以直接输入到计算机，利用旋转矩阵法消除待加工样品、衬底及三维移动平台表面等的倾斜造成的误差，精确定位被加工样品的位置，使得待加工样品准确设置在激光光斑的中心处，进而提高激光微纳加工的精度，使飞秒激光加工的精度可以达到300nm左右，并保证实际获得的结构与预设的结构相同。

Description

一种提高飞秒激光加工精度的方法

技术领域

本发明涉及一种飞秒激光加工的方法，尤其是涉及一种提高飞秒激光加工精度的方法。

背景技术

与CO₂激光、Nd:YAG激光和KrF₂紫外准分子激光相比，飞秒激光直写微纳结构具有热效应小、精度高和真三维加工能力，它是微纳光器件制备的理想工具，可以广泛应用于光流控芯片、光子晶体、微腔激光器及高密度光存储等领域。飞秒激光能够在短于晶格热扩散时间内，将能量注入材料中具有高度空间选择的区域。聚焦后激光功率密度可高达10¹⁵W/cm²，即使材料本身在该波长处不存在本征吸收，也会因激光诱导的多光子电离、雪崩电离与碰撞电离等非线性过程，实现纳秒或皮秒激光都难以实现的微纳结构调控，赋予材料独特的光电功能。为了获得预设的光功能微纳结构，除了要求飞秒激光功率稳定、三维平台位移精确及聚焦物镜高数值孔径以外，被加工材料表平面的精确定位尤其重要。

利用飞秒激光加工样品时，使用的激光波长是800nm，由于其利用非线性效应，仅仅在光强最强的聚焦光斑中心才能使得被加工材料改性，形成特定的结构。实际加工过程中，聚焦光斑的纵向长度仅有1μm左右，为了得到预设的微纳结构，整个待加工区域的纵向高度误差必须小于1μm，在大面积加工时此条件很难满足，尤其是被加工区域长度大于50μm时，由于三维移动平台、薄膜及衬底等的倾斜造成的高度差常常都大于1μm，这样就会导致实际加工的结果与预设的情况有较大差异。实际加工过程中需要对预设的微纳结构数据进行修正才能保证加工的精度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种简单有效地提高飞秒激光加工精度的方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种提高飞秒激光加工精度的方法，在加工设备上设置样品距离检测装置，通过所述的样品距离检测装置在飞秒激光加工前对放置在加工设备上的待加工样品的距离进行检测，从而提高飞秒激光加工的精度；所述的样品距离检测装置包括沿主光路顺序排列的用于发出加工光束的飞秒激光器、激光功率调谐机构、快门、第一偏振分光棱镜、全反镜、激光光束直径调整系统、第二偏振分光棱镜、物镜和用于放置样品的三维移动平台，所述的三维移动平台背面设置有对样品进行背景照明的LED光源，所述的第二偏振分光棱镜的分光路上设置有成像CCD，所述的第一偏振分光棱镜的分光路上设置有聚焦透镜和光电倍增管，所述的光电倍增管与放置在所述的三维移动平台上的样品表面处在共聚焦位置，所述的激光器、所述的三维移动平台、所述的快门、所述的激光功率调谐机构和所述的光电倍增管分别与控制计算机连接，对样品的距离进行检测的具体步骤为：

(1)顺序调节光路中涉及的各个光学元器件，使得全部光学元件中心等高且同轴；

(2)控制计算机调谐激光功率，使得飞秒激光输出功率为10μW；

(3)打开背景照明LED光源，调节三维移动平台的上下、前后及左右位置，使得感兴趣的目标区域移动到物镜的焦平面上，通过共焦的CCD观察样品表面，直至形成清晰的图像；

(4)上下扫描三维移动平台，通过调节全反镜的角度以及光电倍增管的电压，直到在控制计算机屏幕上观察到随着三维移动平台上下扫描光强由小到大，然后又由大到小变化的图像，最后通过调节三维移动平台的参考位置及扫描范围，将光强最强的位置移动到屏幕的中心并且整个变化的波形正好充满整个屏幕；

(5)控制计算机控制三维移动平台在待加工区域的四个角选取四个不同的测试点，重复步骤(4)，分别扫描测量光强随着垂直扫描位置不同而变化的图像，得到四个最强光强所对应的位置数据，定义为P1(x₁ y₁ z₁),P2(x₂ y₂ z₂),P3(x₃ y₃ z₃)和P4(x₄ y₄ z₄)，选取其中三个位置P1(x₁ y₁ z₁),P2(x₂ y₂ z₂),P3(x₃ y₃ z₃)的数据计算旋转所需要的角度，并定义为利用另外一个位置P4(x₄ y₄ z₄)的数据对计算所得的角度进行校验，若校验通过则进行下一步，否则重复步骤(4)；

(6)将步骤(5)得到的校验合格的数据，通过旋转矩阵法进行修正，使得每一个加工点都精确定位在飞秒激光的焦斑中心。

所述的激光功率调谐机构由第一偏振片、波片和第二偏振片组成，所述的波片与所述的控制计算机连接，所述的控制计算机控制波片旋转使得飞秒激光输出功率为10μW。

所述的激光光束直径调整系统由一组透镜组成，从所述的激光光束直径调整系统出射后的光束直径为5mm。

所述的物镜的数值孔径为1.4。

通过旋转矩阵法对待加工的微纳结构原始数据进行修正，包括四个步骤：平移三维移动平台对称中心到旋转中心、三维移动平台绕X轴旋转、三维移动平台绕Y轴旋转、平移三维移动平台对称中心到初始位置，对应的四个矩阵分别是M1、M2、M3和M4：

$M1=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& v_x\\ 0& 1& 0& v_y\\ 0& 0& 1& v_z\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right],$ $M2=\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{cos\θ}}_y& 0& {\mathrm{sin\θ}}_y& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ -{\mathrm{sin\θ}}_y& 0& {\mathrm{cos\θ}}_y& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

$M3=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& {\mathrm{cos\θ}}_x& -{\mathrm{sin\θ}}_x& 0\\ 0& {\mathrm{sin\θ}}_x& {\mathrm{cos\θ}}_x& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right],$ $M4=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& -v_x\\ 0& 1& 0& -v_y\\ 0& 0& 1& -v_z\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

v_x,v_y,v_z为理论计算得到的微纳结构的初始坐标，定义初始向量为P₀＝[v_x v_y v_z1]，通过平移、旋转、旋转及平移四个操作获得最终的向量为：

P＝M4×M3×M2×M1×P₀

对于校验合格的三个位置P1(x₁ y₁ z₁),P2(x₂ y₂ z₂),P3(x₃ y₃ z₃)，旋转角度为将该数据代入最终向量P的计算公式中即得到校正后的微纳结构的位置数据。

步骤(5)中的角度校验方法为：利用第4个测试点数据P4(x₄ y₄ z₄)与另外三个测试点P1(x₁ y₁ z₁),P2(x₂ y₂ z₂),P3(x₃ y₃ z₃)中的任意两个的数据组合计算出另外一组旋转角度如果该数据与θ_x，θ_y之间的误差小于1％，则校验合格。

样品在安装固定在三维移动平台前要检测其表面粗糙度，采用激光干涉仪检测其表面粗糙度小于20nm。

与现有技术相比，本发明的优点在于测量平台与微纳结构加工平台集成在一起，不需要在不同平台间互相切换。表面高度数据测量后可以直接输入到计算机，利用旋转矩阵法修正待加工的微纳结构位置数据，然后直接控制飞秒激光进行微纳结构加工。本发明的检测装置结构简单，测量精度高，测量中使用的成像CCD、光电倍增管PMT等关键器件价格都较便宜，故成本低容易实现。在本发明的方法中，利用旋转矩阵法可以消除待加工样品、衬底及三维移动平台表面等的倾斜造成的误差，精确定位被加工样品的位置，使得待加工样品准确设置在激光光斑的中心处，进而提高激光微纳加工的精度，使得飞秒激光加工的精度可以达到300nm左右，同时能保证实际加工获得的结构与预设的结构相同。

附图说明

图1为本发明使用的样品距离检测装置的结构示意图；

图2为充满整个控制计算机屏幕的光强变化曲线的示意图；

图3为共聚焦显微镜得到使用本发明方法加工的微纳光栅的照片。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例一：一种提高飞秒激光加工精度的方法，在加工设备上设置如图1所示的样品距离检测装置，通过样品距离检测装置在飞秒激光加工前对放置在加工设备上的待加工样品14的距离进行检测，从而提高飞秒激光加工的精度；，样品距离检测装置包括沿主光路顺序排列的用于发出加工光束的激光器1、激光功率调谐机构2、快门3、第一偏振分光棱镜4、全反镜5、激光光束直径调整系统6、第二偏振分光棱镜7、物镜8和用于放置样品的三维移动平台9，激光功率调谐机构2由第一偏振片21、波片22和第二偏振片23组成，功率调谐精度为1μW，激光光束直径调整系统6由一组透镜组成，从激光光束直径调整系统6出射后的光束直径为5mm，物镜8的数值孔径为1.4，三维移动平台9背面放置有对样品进行背景照明的LED光源10，第二偏振分光棱镜7的分光路上设置有成像CCD 11，第一偏振分光棱镜4的分光路上设置有聚焦透镜12和光电倍增管13，光电倍增管13与放置在三维移动平台9上的待加工样品14表面处在共聚焦位置，激光器1、三维移动平台9、快门3、激光功率调谐机构2中的波片22和光电倍增管13分别与控制计算机15连接。对样品的距离进行检测的具体步骤为：

(1)顺序调节光路中涉及的各个光学元器件，使得全部光学元件中心等高且同轴；

(2)控制计算机调谐激光功率，使得飞秒激光输出功率为10μW；

(3)打开背景照明LED光源，调节三维移动平台的上下、前后及左右位置，使得感兴趣的目标区域移动到物镜的焦平面上，通过共焦的CCD观察样品表面，直至形成清晰的图像；

(4)上下扫描三维移动平台，通过调节全反镜的角度以及光电倍增管的电压，直到在控制计算机屏幕上观察到随着三维移动平台上下扫描光强由小到大，然后又由大到小变化的图像，最后通过调节三维移动平台的参考位置及扫描范围，将光强最强的位置移动到屏幕的中心并且整个变化的波形正好充满整个屏幕；

(5)控制计算机控制三维移动平台在待加工区域的四个角选取四个不同的测试点，重复步骤(4)，分别扫描测量光强随着垂直扫描位置不同而变化的图像，得到四个最强光强所对应的位置数据，定义为P1(x₁ y₁ z₁),P2(x₂ y₂ z₂),P3(x₃ y₃ z₃)和P4(x₄ y₄ z₄)，选取其中三个位置P1(x₁ y₁ z₁),P2(x₂ y₂ z₂),P3(x₃ y₃ z₃)的数据计算旋转所需要的角度，并定义为利用第4个测试点数据P4(x₄ y₄ z₄)与另外三个测试点数据P1(x₁ y₁ z₁),P2(x₂ y₂ z₂),P3(x₃ y₃ z₃)中的任意两个组合计算出另外一组旋转角度如果该数据与θ_x，θ_y之间的误差小于1％，则校验合格，进行下一步，否则重复步骤(4)；

(6)将步骤(5)得到的校验合格的数据，通过旋转矩阵法进行修正，使得每一个加工点都精确定位在飞秒激光的焦斑中心。

通过旋转矩阵法对待加工的微纳结构原始数据进行修正，包括四个步骤：平移三维移动平台对称中心到旋转中心、三维移动平台绕X轴旋转、三维移动平台绕Y轴旋转、平移三维移动平台对称中心到初始位置，对应的四个矩阵分别是M1、M2、M3和M4：

$M1=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& v_x\\ 0& 1& 0& v_y\\ 0& 0& 1& v_z\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right],$ $M2=\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{cos\θ}}_y& 0& {\mathrm{sin\θ}}_y& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ -{\mathrm{sin\θ}}_y& 0& {\mathrm{cos\θ}}_y& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

$M3=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& {\mathrm{cos\θ}}_x& -{\mathrm{sin\θ}}_x& 0\\ 0& {\mathrm{sin\θ}}_x& {\mathrm{cos\θ}}_x& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right],$ $M4=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& -v_x\\ 0& 1& 0& -v_y\\ 0& 0& 1& -v_z\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

v_x,v_y,v_z为理论计算得到的微纳结构的初始坐标，定义初始向量为P₀＝[v_x v_y v_z1]，通过平移、旋转、旋转及平移四个操作获得最终的向量为：

P＝M4×M3×M2×M1×P₀

对于校验合格的三个位置P1(x₁ y₁ z₁),P2(x₂ y₂ z₂),P3(x₃ y₃ z₃)，旋转角度为将该数据代入最终向量P的计算公式中即得到校正后的微纳结构的位置数据。

本发明的工作原理如下：

待加工的样品14为表面平整度良好的薄膜或块体材料。在此使用的待加工样品14是在厚度为1mm的二氧化硅玻璃衬底上，通过磁控溅射法镀上的厚度为1.2μm的硫系玻璃薄膜。打开激光器1的电源，将待加工样品14固定安装到三维移动平台9上，待加工样品14在安装固定在三维移动平台9前9采用激光干涉仪检测其表面粗糙度小于20nm。顺序开启照明LED光源10、光电倍增管13、成像CCD 11。调节三维移动平台9的Z轴，使得待加工样品14表面在成像CCD 11的焦平面上。然后调节三维移动平台9的X轴与Y轴，定位在加工区域的边缘一个角。开启激光器1并调节其功率到10μW。驱动三维移动平台9沿着Z轴方向在±200μm的大范围内扫描，扫描速度100μm/s。同时手动微调固定三维移动平台的基座高低，直到观察到成像CCD 11中出现由大变小，然后又由小变大的光斑。缩小Z轴方向的扫描范围为±100μm，同时调节扫描中心的参考位置，将扫描速度调低为50μm/s，依然清晰地看到由小变大，然后又由大变小的光斑。调节入射到光电倍增管13表面光斑的位置以及光电倍增管13的驱动电压，直到在控制计算机15屏幕上清晰地观察到光强随着扫描位置由小变大然后又变小的图像，调节Z轴扫描范围与扫描中心的参考位置，直到光强变化曲线填充满整个控制计算机15屏幕，如图2所示。读出光强最强处所对应的Z轴位置数据P1。然后分别移动三维移动平台9，定位到加工区域的另外三个角附近，利用相同的方法，重复前面的操作步骤，依次获得另外三个角落处的Z轴位置数据P2、P3和P4。

获得四个数据P1、P2、P3和P4后，选取其中三个位置数据计算旋转所需要的角度并利用另外一个位置数据对计算所得的角度进行校验，校验方法为利用第4个测试点数据P4(x₄ y₄ z₄)与另外三个测试点数据P1(x₁ y₁ z₁),P2(x₂ y₂ z₂),P3(x₃ y₃ z₃)中的任意两个组合计算出另外一组旋转角度如果该数据与θ_x，θ_y之间的误差小于1％，则校验合格，校验合格后将该旋转角度代入旋转矩阵对待加工的微纳结构原始数据进行修正。

采用旋转矩阵法由四个步骤构成：平移三维移动平台对称中心到旋转中心、三维移动平台绕X轴旋转、三维移动平台绕Y轴旋转、平移三维移动平台对称中心到初始位置，对应的四个矩阵分别是M1、M2、M3和M4：

$M1=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& v_x\\ 0& 1& 0& v_y\\ 0& 0& 1& v_z\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right],$ $M2=\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{cos\θ}}_y& 0& {\mathrm{sin\θ}}_y& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ -{\mathrm{sin\θ}}_y& 0& {\mathrm{cos\θ}}_y& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

$M3=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& {\mathrm{cos\θ}}_x& -{\mathrm{sin\θ}}_x& 0\\ 0& {\mathrm{sin\θ}}_x& {\mathrm{cos\θ}}_x& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right],$ $M4=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& -v_x\\ 0& 1& 0& -v_y\\ 0& 0& 1& -v_z\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

v_x,v_y,v_z为理论计算得到的微纳结构的初始坐标，定义初始向量为P₀＝[v_x v_y v_z1]，通过平移、旋转、旋转及平移四个操作获得最终的向量为：

P＝M4×M3×M2×M1×P₀

对于校验合格的三个位置P1(x₁y₁z₁),P2(x₂y₂z₂),P3(x₃y₃z₃)，旋转角度为将该数据代入最终向量P的计算公式中即得到校正后的微纳结构的位置数据。将该位置数据代入加工系统后将飞秒激光光斑中心精确地定位在待加工样品上，加工出微纳光栅，如图3所示，由图可知该方法可以获得间距为1μm，加工线宽为300nm的精度，而常规方法下使用800nm的激光波长能够达到的加工线宽为1μm，本发明提出的方法显著提高了激光加工精度。

Claims (7)

1.一种提高飞秒激光加工精度的方法，其特征在于在加工设备上设置样品距离检测装置，通过所述的样品距离检测装置在飞秒激光加工前对放置在加工设备上的待加工样品的距离进行检测，从而提高飞秒激光加工的精度；所述的样品距离检测装置包括沿主光路顺序排列的用于发出加工光束的飞秒激光器、激光功率调谐机构、快门、第一偏振分光棱镜、全反镜、激光光束直径调整系统、第二偏振分光棱镜、物镜和用于放置样品的三维移动平台，所述的三维移动平台背面设置有对样品进行背景照明的LED光源，所述的第二偏振分光棱镜的分光路上设置有成像CCD，所述的第一偏振分光棱镜的分光路上设置有聚焦透镜和光电倍增管，所述的光电倍增管与放置在所述的三维移动平台上的样品表面处在共聚焦位置，所述的激光器、所述的三维移动平台、所述的快门、所述的激光功率调谐机构和所述的光电倍增管分别与控制计算机连接，对样品的距离进行检测的具体步骤为：

(1)顺序调节光路中涉及的各个光学元器件，使得全部光学元件中心等高且同轴；

(2)控制计算机调谐激光功率，使得飞秒激光输出功率为10μW；

(3)打开背景照明LED光源，调节三维移动平台的上下、前后及左右位置，使得感兴趣的目标区域移动到物镜的焦平面上，通过共焦的CCD观察样品表面，直至形成清晰的图像；

(4)上下扫描三维移动平台，通过调节全反镜的角度以及光电倍增管的电压，直到在控制计算机屏幕上观察到随着三维移动平台上下扫描光强由小到大，然后又由大到小变化的图像，最后通过调节三维移动平台的参考位置及扫描范围，将光强最强的位置移动到屏幕的中心并且整个变化的波形正好充满整个屏幕；

(5)控制计算机控制三维移动平台在待加工区域的四个角选取四个不同的测试点，重复步骤(4)，分别扫描测量光强随着垂直扫描位置不同而变化的图像，得到四个最强光强所对应的位置数据，定义为P1(x₁y₁z₁),P2(x₂y₂z₂),P3(x₃y₃z₃)和P4(x₄y₄z₄)，选取其中三个位置P1(x₁y₁z₁),P2(x₂y₂z₂),P3(x₃y₃z₃)的数据计算旋转所需要的角度，并定义为利用另外一个位置P4(x₄y₄z₄)的数据对计算所得的角度进行校验，若校验通过则进行下一步，否则重复步骤(4)；

(6)将步骤(5)得到的校验合格的数据，通过旋转矩阵法进行修正，使得每一个加工点都精确定位在飞秒激光的焦斑中心。

2.如权利要求1所述的一种提高飞秒激光加工精度的方法，其特征在于所述的激光功率调谐机构由第一偏振片、波片和第二偏振片组成，所述的波片与所述的控制计算机连接，所述的控制计算机控制波片旋转使得飞秒激光输出功率为10μW。

3.如权利要求1所述的一种提高飞秒激光加工精度的方法，其特征在于所述的激光光束直径调整系统由一组透镜组成，从所述的激光光束直径调整系统出射后的光束直径为5mm。

4.如权利要求1所述的一种提高飞秒激光加工精度的方法，其特征在于所述的物镜的数值孔径为1.4。

5.如权利要求1所述的一种提高飞秒激光加工精度的方法，其特征在于通过旋转矩阵法对待加工的微纳结构原始数据进行修正，包括四个步骤：平移三维移动平台对称中心到旋转中心、三维移动平台绕X轴旋转、三维移动平台绕Y轴旋转、平移三维移动平台对称中心到初始位置，对应的四个矩阵分别是M1、M2、M3和M4：

$M1=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& v_x\\ 0& 1& 0& v_y\\ 0& 0& 1& v_z\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right],M2=\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{cos\θ}}_y& 0& {\mathrm{sin\θ}}_y& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ -{\mathrm{sin\θ}}_y& 0& {\mathrm{cos\θ}}_y& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

$M3=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& {\mathrm{cos\θ}}_x& -{\mathrm{sin\θ}}_x& 0\\ 0& {\mathrm{sin\θ}}_x& {\mathrm{cos\θ}}_x& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right],M4=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& -v_x\\ 0& 1& 0& -v_y\\ 0& 0& 1& -v_z\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

v_x,v_y,v_z为理论计算得到的微纳结构的初始坐标，定义初始向量为P₀＝[v_x v_y v_z 1]，通过平移、旋转、旋转及平移四个操作获得最终的向量为：

P＝M4×M3×M2×M1×P₀

对于校验合格的三个位置P1(x₁ y₁ z₁),P2(x₂ y₂ z₂),P3(x₃ y₃ z₃)，旋转角度为将该数据代入最终向量P的计算公式中即得到校正后的微纳结构的位置数据。

6.如权利要求5所述的一种提高飞秒激光加工精度的方法，其特征在于步骤(5)中的角度校验方法为：利用第4个测试点数据P4(x₄ y₄ z₄)与另外三个测试点P1(x₁ y₁ z₁),P2(x₂y₂ z₂),P3(x₃ y₃ z₃)中的任意两个的数据组合计算出另外一组旋转角度如果该数据与θ_x，θ_y之间的误差小于1％，则校验合格。

7.如权利要求1所述的一种提高飞秒激光加工精度的方法，其特征在于样品在安装固定在三维移动平台前要检测其表面粗糙度，采用激光干涉仪检测其表面粗糙度小于20nm。