CN107069156B - 一种低成本太赫兹频率选择表面加工系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种低成本太赫兹频率选择表面加工系统及方法,包括飞秒激光器、光阑、能量衰减模块、快门、二向色镜、CCD相机、单筒镜头、移动平台、同轴光源、物镜以及计算机；所述飞秒激光器发出的激光依次经所述光阑、能量衰减模块、快门、二向色镜、物镜聚焦在固定于所述移动平台上的样品上得到一聚焦光斑；加工过程中使用所述同轴光源发光经所述物镜聚焦照亮加工位置，其反射光经过所述单筒镜头照射到所述CCD相机上成像并在所述计算机上显示，用以辅助调整聚焦光斑质量并实时观察加工质量；所述能量衰减模块包括λ/2波片以及格兰棱镜，所述样品为铝箔；所述快门用以控制激光通断。本发明工艺简单、成本低廉。

Description

一种低成本太赫兹频率选择表面加工系统及方法
技术领域
本发明涉及太赫兹技术、飞秒激光微加工和电磁波传输领域，特别是一种低成本太赫兹频率选择表面加工系统及方法。
背景技术
太赫兹（Terahertz，THz），一般指波段位于0.1THz的毫米波和10THz的远红外线之间的电磁波。太赫兹波具有不同于微波、红外和 X 射线等电磁波的特点，太赫兹波在宽带移动通信、卫星通信、军用雷达、物体成像、环境监测、医疗诊断等方面具有显著的研究价值。相比于太赫兹理论的迅速发展，太赫兹滤波器的加工技术则进展缓慢。主要原因是太赫兹波长短（30um-3000um），而器件结构尺寸通常要比波长小一个数量级，这导致其器件对应的结构尺寸很小，难以加工。
频率选择表面（ Frequency Selective Surface），简称为FSS， 是一种二维周期阵列结构。它由在金属板上周期性排列的孔隙单元或者周期性排列的金属贴片单元组成的准平面结构，可以由单层结构或者多层结构组成。频率选择表面对于特定频段的电磁波具有较好的选择性，根据频率选择表面的通带和阻带特性，电磁波从频率选择表面的一侧入射时，通带内的电磁波将透射，通带外的电磁波将被反射。
现有的太赫兹频率选择表面加工方法主要有数控加工、纳秒激光加工、光刻加工、模板沉积技术和喷墨打印技术。然而纳秒激光加工具有较强的热效应以及机械加工产生的形变问题，这两种方法加工出来的太赫兹滤波器尺寸精度较低，性能较差。光刻技术可以获得几微米到纳米级的金属线宽度，并且样品均匀性好，但制作过程复杂，所需设备价格高昂。模板沉积技术也能获得高加工精度，金属通过模板的孔结构直接沉积在基底上，不需要光刻工艺，从而避免化学污染，但是模板的制作仍然需要采用光刻加工方法。喷墨打印不需要制作掩膜版或模板，很大程度简化加工过程，但是最小金属线宽受到限制。
随着超快激光（尤其是飞秒激光）的发展，这种情况正在逐步改善。飞秒激光由于脉宽极短，即使单脉冲能量仅为微焦量级，也很容易通过聚焦的方式获得超过1015W/cm2的功率密度，这强度足以使原子发生电离。同时飞秒激光在与材料相互作用的过程中，能在极短的时间内将能量作用在极小的区域，具有能量高度集中、热影响区小、无飞溅无熔渣、不需特殊的气体环境、无后续工艺、双光子聚合等特点。因此，与纳秒激光等主要依赖热效应的长脉冲激光加工机制不同，飞秒激光对材料的加工处理属于“冷”加工，在精密加工方面拥有得天独厚的优势，是一种性能极佳的微加工光源。
本设计提供了一种低成本太赫兹频率选择表面加工方法。本方法能用于太赫兹波段的高通滤波器、低通滤波器、带阻滤波器、带通滤波器、偏振器等器件加工。这种加工方法与已有的方法相比，具有工艺简单、成本低廉等优点。本发明将以十字结构太赫兹带通滤波器为例进行说明。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提出一种低成本太赫兹频率选择表面加工系统及方法，工艺简单、成本低廉。
本发明采用以下方案实现：一种低成本太赫兹频率选择表面加工系统，包括飞秒激光器、光阑、能量衰减模块、快门、二向色镜、CCD相机、单筒镜头、移动平台、同轴光源、物镜以及计算机；所述飞秒激光器发出的激光依次经所述光阑、能量衰减模块、快门、二向色镜、物镜聚焦在固定于所述移动平台上的样品上得到一聚焦光斑；加工过程中使用所述同轴光源发光经所述物镜聚焦照亮加工位置，其反射光经过所述单筒镜头照射到所述CCD相机上成像并在所述计算机上显示，用以辅助调整聚焦光斑质量并实时观察加工质量；所述能量衰减模块包括λ/2波片以及格兰棱镜，所述样品为铝箔；所述快门用以控制激光通断。
进一步地，所述铝箔的厚度为10μm。
进一步地，所述物镜为高数值孔径物镜。
进一步地，所述聚焦光斑的大小为10μm。
进一步地，所述铝箔先压平后粘贴在平板上，所述平板通过压板和螺钉固定在所述移动平台上，所述移动平台为三轴移动平台。
进一步地，所述激光的波长为800nm，脉宽为45fs，重复频率为1000Hz。
较佳的，本发明还提出了一种低成本太赫兹频率选择表面加工系统的方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：将所述铝箔压平并粘贴在平板上，利用压板与螺钉将平板固定在所述移动平台上；
步骤S2：利用λ/2波片配合格兰棱镜调整激光脉冲能量至所需大小，通过高数值孔径物镜将激光聚焦到铝箔表面；
步骤S3：加工过程中使用所述同轴光源发光经物镜聚焦照亮加工位置，其反射光经过单筒镜头照射到CCD相机上成像并在计算机上显示，辅助调整聚焦光斑质量并实时观察加工质量；
步骤S4：利用LabVIEW程序控制移动平台，加工出具有微米量级的周期性十字结构频率选择表面；
步骤S5：利用移动平台将样品移动到第二个待加工的频率选择表面单元，重复步骤S1至S4，直到完成整个频率选择表面的加工。
进一步地，所述步骤S4中，材料的加工方法包括挖除法以及烧蚀法；所述挖除法为：沿十字边沿切割，将十字挖掉；所述烧蚀法为：将样品表面置于偏离焦点位置，或者通过调节入射光束直径改变焦斑大小，移动平台烧蚀掉十字的一条边，随后烧蚀另外一条边。
本发明通过飞秒激光配合高精度移动平台直接在铝箔上加工出太赫兹频率选择表面。飞秒激光凭借其固有的超短和超强特性，较传统的脉冲激光在微精细加工方面具有许多不可比拟的优势，如无热扩散，非热熔性加工，可以实现超高分辨率，超高的精度，从而达到纳米尺度的加工和制造。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明具备更简单的工艺。现有光刻技术工艺复杂并且所需设备昂贵。相比于光刻技术，本发明只需利用飞秒激光直接切割，大大简化了加工工艺。
2、本发明具有更高的精度。相比于数控加工产生的受力变形问题及纳秒激光加工的热扩散问题，飞秒激光与样品之间不存在力的作用，也几乎不产生热影响区，因此能达到纳米尺度的加工。
附图说明
图1为本发明实施例中飞秒激光微加工系统结构示意图。
图2本发明实施例中样品及其显微镜图。
图3 为发明实施例中太赫兹系统测量结果。
图4为发明实施例中实验结果与仿真结果对比。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，本实施例提供了一种低成本太赫兹频率选择表面加工系统，包括飞秒激光器、光阑、能量衰减模块、快门、二向色镜、CCD相机、单筒镜头、移动平台、同轴光源、物镜以及计算机；所述飞秒激光器发出的激光依次经所述光阑、能量衰减模块、快门、二向色镜、物镜聚焦在固定于所述移动平台上的样品上得到一聚焦光斑；加工过程中使用所述同轴光源发光经所述物镜聚焦照亮加工位置，其反射光经过所述单筒镜头照射到所述CCD相机上成像并在所述计算机上显示，用以辅助调整聚焦光斑质量并实时观察加工质量；所述能量衰减模块包括λ/2波片以及格兰棱镜，所述样品为铝箔；所述快门用以控制激光通断。
在本实施例中，所述铝箔的厚度为10μm。
在本实施例中，所述物镜为高数值孔径物镜。
在本实施例中，所述聚焦光斑的大小为10μm。
在本实施例中，所述铝箔先压平后粘贴在平板上，所述平板通过压板和螺钉固定在所述移动平台上，所述移动平台为三轴移动平台。
在本实施例中，所述激光的波长为800nm，脉宽为45fs，重复频率为1000Hz。
较佳的，本实施例还提出了一种低成本太赫兹频率选择表面加工系统的方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：将所述铝箔压平并粘贴在平板上，利用压板与螺钉将平板固定在所述移动平台上；
步骤S2：利用λ/2波片配合格兰棱镜调整激光脉冲能量至所需大小，通过高数值孔径物镜将激光聚焦到铝箔表面；
步骤S3：加工过程中使用所述同轴光源发光经物镜聚焦照亮加工位置，其反射光经过单筒镜头照射到CCD相机上成像并在计算机上显示，辅助调整聚焦光斑质量并实时观察加工质量；
步骤S4：利用LabVIEW程序控制移动平台，加工出具有微米量级的周期性十字结构频率选择表面；
步骤S5：利用移动平台将样品移动到第二个待加工的频率选择表面单元，重复步骤S1至S4，直到完成整个频率选择表面的加工。
在本实施例中，所述步骤S4中，材料的加工方法包括挖除法以及烧蚀法；所述挖除法为：沿十字边沿切割，将十字挖掉；所述烧蚀法为：将样品表面置于偏离焦点位置，或者通过调节入射光束直径改变焦斑大小，移动平台烧蚀掉十字的一条边，随后烧蚀另外一条边。
本实施例通过飞秒激光配合高精度移动平台直接在铝箔上加工出太赫兹频率选择表面。飞秒激光凭借其固有的超短和超强特性，较传统的脉冲激光在微精细加工方面具有许多不可比拟的优势，如无热扩散，非热熔性加工，可以实现超高分辨率，超高的精度，从而达到纳米尺度的加工和制造。
图2为本实施例中加工完成样品及其显微镜图，图3为本实施例的太赫兹系统测量结果，图4为本实施例的实验结果与仿真结果对比。从图2上可以看出，加工出的单元边缘十分平直，边缘相交处垂直，单元之间相似程度很高，加工质量很稳定。从图3以及图4可以看出，滤波器起到了良好的滤波效果，理论仿真结果与实验结果基本符合，特别是中心频率大小和带宽与理论结果几乎一致。通过改变十字结构的周期和尺寸，可以调节滤波器中心频率和带宽。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (4)

1.一种低成本太赫兹频率选择表面加工系统，其特征在于：包括飞秒激光器、光阑、能量衰减模块、快门、二向色镜、CCD相机、单筒镜头、移动平台、同轴光源、物镜以及计算机；所述飞秒激光器发出的激光依次经所述光阑、能量衰减模块、快门、二向色镜、物镜聚焦在固定于所述移动平台上的样品上得到一聚焦光斑；加工过程中使用所述同轴光源发光经所述物镜聚焦照亮加工位置，其反射光经过所述单筒镜头照射到所述CCD相机上成像并在所述计算机上显示，用以辅助调整聚焦光斑质量并实时观察加工质量；所述能量衰减模块包括λ/2波片以及格兰棱镜，所述样品为铝箔；所述快门用以控制激光通断；
其中，所述激光的波长为800nm，脉宽为45fs，重复频率为1000Hz；
其中，所述的低成本太赫兹频率选择表面加工系统的方法，包括以下步骤：
步骤S1：将所述铝箔压平并粘贴在平板上，利用压板与螺钉将平板固定在所述移动平台上；
步骤S2：利用λ/2波片配合格兰棱镜调整激光脉冲能量至所需大小，通过高数值孔径物镜将激光聚焦到铝箔表面；
步骤S3：加工过程中使用所述同轴光源发光经物镜聚焦照亮加工位置，其反射光经过单筒镜头照射到CCD相机上成像并在计算机上显示，辅助调整聚焦光斑质量并实时观察加工质量；
步骤S4：利用LabVIEW程序控制移动平台，加工出具有微米量级的周期性十字结构频率选择表面；
步骤S5：利用移动平台将样品移动到第二个待加工的频率选择表面单元，重复步骤S1至S4，直到完成整个频率选择表面的加工；
其中，所述步骤S4中，材料的加工方法包括挖除法以及烧蚀法；所述挖除法为：沿十字边沿切割，将十字挖掉；所述烧蚀法为：将样品表面置于偏离焦点位置，或者通过调节入射光束直径改变焦斑大小，移动平台烧蚀掉十字的一条边，随后烧蚀另外一条边。
2.根据权利要求1所述的一种低成本太赫兹频率选择表面加工系统，其特征在于：所述铝箔的厚度为10μm。
3.根据权利要求1所述的一种低成本太赫兹频率选择表面加工系统，其特征在于：所述聚焦光斑的大小为10μm。
4.根据权利要求1所述的一种低成本太赫兹频率选择表面加工系统，其特征在于：所述移动平台为三轴移动平台。
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