CN106735868A - 基于反射式达曼光栅分束的激光干涉微纳加工装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于反射式达曼光栅分束的激光干涉微纳加工装置及方法，基于反射式达曼光栅的衍射分光特性，将经过准直扩束、光束整形的单束激光分成振幅强度相同的多束相干光，再经过反射镜反射后，将多束相干光会聚到待加工材料表面干涉，得到干涉激光条纹从而加工出周期性平行沟槽微纳结构，沟槽的间距可通过改变反射镜的角度与位置进行调整，加工出周期可控的微纳结构。本发明比传统的分光装置操作简单，而且固定稳定可靠，在多光束干涉时优势更加明显、且分光后的反射镜都是对称的便于加工周期的变换和调整。
Description
技术领域
本发明属于激光干涉微纳加工领域，具体涉及一种基于反射式达曼光栅进行激光干涉加工的装置和方法。
背景技术
激光干涉微纳加工技术是利用两束或多束激光在材料表面产生干涉，形成周期性强弱相间的能量分布，进而实现激光对材料的三维刻蚀。通过控制激光束的方位角、偏振方向、入射角、强度和曝光时间等工艺参数，利用多光束激光干涉加工技术在材料表面获得特定尺寸的微纳结构。这种技术与传统的激光直写微纳加工相比，具有加工面积大、效率高、低成本、高精度等优势。
现有技术中，激光干涉微纳加工的分光技术都是利用传统的半反半透分光镜进行分光，不可避免地引入光谱色散,导致脉冲发生畸变,且需要精确控制入射角，并需要多个分光镜和反射镜进行光路的搭建，一般采用可移动式固定支架进行镜片的固定和调整，这个调整过程繁琐复杂，镜片的定位不可靠、不稳定，效率很低，因此目前仍局限于实验室装置水平，不能实现移动功能，达不到产品化要求。而采用达曼光栅对作为分光器却可以避免这一现象。
达曼光栅是一种空间坐标调制型二元相位光栅,它可以按照要求把入射光分成强度均等、间隔相同的出射阵列，这就很好的避免了传统光栅0级光强最大和各级次分光不均匀存、衍射效率较低、损耗大的弊端。
相关参考文件为：
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发明内容
本发明提出基于反射式达曼光栅进行激光干涉加工的装置和方法，利用反射式达曼光栅的衍射分光特性进行激光束的等振幅分束，再由反射镜进行特定角度的反射，使分开的光束以一定的夹角重合于待加工材料的表面产生干涉，利用干涉条纹处能量强弱分布进行材料表面加工，克服了传统分光镜分光，引入光谱色散、导致脉冲发生畸变、且需要精确控制入射角的问题。
基于反射式达曼光栅分束的激光干涉微纳加工装置，该装置包括激光器、准直扩束系统、光束整形器、反射式达曼光栅、反射镜，滑道，相位调制器，待加工材料，基于反射式达曼光栅的分光特性，使用反射式达曼光栅将经过准直扩束系统、光束整形器的单束激光分成强度相同的多束相干光，再经过反射镜、相位调制器，将多束相干光会合于待加工材料表面形成微纳结构。
所述反射式达曼光栅为1x2或1x4的，可分别实现将单束激光分成强度相同的2束或4束相干光。
光束整形器对激光光斑形状进行调整，使其变为方形，便于加工区域的连续拼接。
微纳结构的特征尺寸和周期通过改变反射镜的位置和角度进行调整，其中反射镜安装在滑道上，便于移动和角度调整的操作。
采用基于反射式达曼光栅分束的激光干涉微纳加工装置进行进行微纳加工的方法，其包括如下步骤：
1)激光器所发出的激光经过准直扩束系统扩束后，由光束整形器对激光束进行能量分布的均匀化处理，将其光斑形状由圆形整形为方形；
2)整形后的光束到达1x2反射式达曼光栅，反射式达曼光栅将光束分成光强相等的+1级和-1级两束反射光，两反射束光再经过反射镜、相位调制器被分别反射到反射镜上，调整反射镜(使得两束光在待加工表面(上形成干涉条纹，从而得到周期性平行沟槽微纳结构。
所述待加工材料在第一次加工完后，可以将加工材料旋转一定的角度，实现网状沟槽的加工。
本发明相比于现有技术有以下优点：
(1)该系统通过反射式达曼光栅分光，分出的两束光的光强是相等的，比传统的分光装置操作简单，而且固定稳定可靠，在多光束干涉时优势更加明显；
(2)(2)分光后的反射镜都是对称的便于加工周期的变换和调整。
附图说明
图1为本发明的利用反射式达曼光栅进行激光干涉加工的装置结构及工作原理图。
图2为反射式达曼光栅的原理图。
图3为进行激光干涉微纳加工得到的周期性结构图片。
具体实施方式
实例一
如附图1所示，本发明的装置包括激光器1、准直扩束系统2、光束整形器3、反射式达曼光栅4、反射镜5、6、7、8、滑道9、10，相位调制器11、12、待加工材料13。
激光器1所发出的激光经过准直扩束系统2，由光束整形器3对激光呈高斯分布的能量进行均匀化处理，使其变成能量分布均匀的平顶光束，并将其光斑形状整形为方形，以便于加工区域的拼接。整形后的光束到达反射式达曼光栅4，反射式达曼光栅4将光束分成光强相等的+1级和-1级两束反射光，两束反射光再经过反射镜5、6被分别反射到反射镜7、8上，调整反射镜7、8在滑道9、10上的位置和偏转角度，使得两束反射光在待加工表面13上形成干涉条纹，利用条纹的能量强弱不同对材料表面进行加工，得到周期性平行沟槽微纳结构。相位调制器11、12对分束后的两束激光进行相位调制，保持两光束的相位差恒定以实现可靠光束干涉，反射镜7、8可在滑道9、10上进行平移和角度微调，以改变光束的夹角进而实现不同的微纳结构周期加工。
所述激光器1为高功率Nd:YAG脉冲固体激光器，波长1064nm，脉冲宽度8ns，单脉冲能量2J，出射光束直径Φ8mm，发触角3mrad。
所述准直扩束系统2的扩束倍数为2，由多片光学镜片及铝制镜筒组成，镜片材料选K9玻璃，镜片境均镀增透膜AR@1064nm，入口直径Φ10mm，出口直径Φ25mm。
所述光束整形器3为方形光束整形器，由多片光学镜片及铝制镜筒组成，镜片材料选K9玻璃，镜片均镀增透膜AR@1064nm，光束整形器3将高斯分布的圆形激光束整形为方形均匀分布的平顶光束，以解决原高斯分面的激光束中心能量强而边缘能量弱导致制备的微纳阵列结构一致性不理想的问题，并便于在大面积加工时进行无缝拼接，其入口直径为Φ25mm，出口为16mm×16mm。
所述反射式达曼光栅4的基本结构参见附图2，是按照标准的二元光学制作方法，利用已制作好的光栅模板,对镀铬玻璃板进行曝光、显影、去胶、去铬、湿法腐蚀，得到中心波长为1064nm，周期为50μm的1×2达曼光栅，光栅的刻蚀深度为0.25μm，对制作好的光栅表面镀金制成反射式光栅。反射式达曼光栅4与光束整形器3的距离为700mm。
所述反射镜5、6、7、8，选K9玻璃制造，反射面镀全反射膜HR@1064nm，全部固定在旋转台上。
所述滑道9、10为金属材料，作为对反射镜7、8的固定和移动轨道；
所述相位调制器11、12为由光学元器件和电子器件、非金属材料和金属材料等构成的器件。
所述待加工材料13为金属材料，或非金属材料，作为被加工对象。
由于+1级和-1级两束反射光的衍射角θ很小，θ≤2°，通过改变所述的反射镜5、6的角度，将两束光的夹角增大，将反射镜7、8安装到滑道上，进而可以通过改变反射镜7、8的角度和位置，将两束反射光按照加工角度反射到待加工材料上，本实施例中采用的加工角度为30°
计算过程如下：
激光器1输出波长为1064nm、直径为8mm的光束，经2倍扩束准直系统2后直径变为为25mm，再经光束整形器3后输出16mm×16mm的平顶均匀光束；
由光栅方程dsinθ＝mλ，得θ＝sin-1(λ/d)＝0.02128rad＝1.2°；
光束整形器3的口径为25mm，半高度为12.5mm，在这里取近似tanθ＝θ＝sinθ，因此光束整形器3到达曼光栅的最小距离为Lmin＝587.4mm，L＝700mm；
当γ＝30°时，加工周期
光栅深度h与反射光的衍射效率有关
其中I+1和I-1分别为+1级和-1级反射光光强，I0为入射光的总光强，h为光栅深度。可以由上面两式得出，当h＝λ/4时，两束光的具有最高的衍射效率40.5％，总的衍射效率为81％。
反射式达曼光栅可替换为1x4反射式达曼光栅，可实现将单束激光分成强度相同的4束相干光进行干涉，进而形成周期性微纳结构，在此不再赘述。
所述待加工材料13在第一次加工完后，可以将加工材料13旋转一定的角度，实现网状沟槽的加工。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (6)
1.一种基于反射式达曼光栅分束的激光干涉微纳加工装置，该装置包括激光器(1)、准直扩束系统(2)、光束整形器(3)、反射式达曼光栅(4)、反射镜(5、6、7、8)，滑道(9、10)，相位调制器(11、12)，待加工材料(13)，其特征在于：基于反射式达曼光栅的分光特性，使用反射式达曼光栅(4)将经过准直扩束系统(2)、光束整形器(3)的单束激光分成强度相同的多束相干光，再经过反射镜(5、6、7、8)、相位调制器(11、12)，将多束相干光会合于待加工材料表面形成微纳结构。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述反射式达曼光栅为1x2或1x4的，可分别实现将单束激光分成强度相同的2束或4束相干光。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：光束整形器(3)对激光光斑形状进行调整，使其变为方形，便于加工区域的连续拼接。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：微纳结构的特征尺寸和周期通过改变反射镜(7、8)的位置和角度进行调整，其中反射镜(7、8)安装在滑道(9、10)上，便于移动和角度调整的操作。
5.一种采用权利要求1所述的微纳加工装置进行微纳加工的方法，其包括如下步骤：
1)、激光器(1)所发出的激光经过准直扩束系统(2)扩束后，由光束整形器(3)对激光束进行能量分布的均匀化处理，将其光斑形状由圆形整形为方形；
2)、整形后的光束到达1x2反射式达曼光栅(4)，反射式达曼光栅(4)将光束分成光强相等的+1级和-1级两束反射光，两反射束光再经过反射镜(5、6)、相位调制器(11、12)被分别反射到反射镜(7、8)上，调整反射镜(7、8)使得两束光在待加工表面(13)上形成干涉条纹，从而得到周期性平行沟槽微纳结构。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述待加工材料(13)在第一次加工完后，可以将加工材料(13)旋转一定的角度，实现网状沟槽的加工。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Li Linwei Inventor after: Li Yongliang Inventor after: Wang Siqi Inventor after: Li Shiming Inventor after: Wang Yuanbo Inventor after: Bai Chong Inventor after: Lei Yu Inventor before: Li Yongliang Inventor before: Li Linwei Inventor before: Wang Siqi Inventor before: Li Shiming Inventor before: Wang Yuanbo Inventor before: Bai Chong Inventor before: Lei Yu |
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| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20220815 Address after: 133002 no.977 Gongyuan Road, Yanji City, Yanbian Korean Autonomous Prefecture, Jilin Province Patentee after: YANBIAN University Patentee after: CHANGCHUN University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Address before: School of Optoelectronic Engineering, Changchun University of technology, no.7089 Weixing Road, Chaoyang District, Changchun City, Jilin Province, 130022 Patentee before: CHANGCHUN University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20181023 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |