CN108422111A - 利用飞秒激光在透明材料内部进行大深度结构的加工装置和加工方法 - Google Patents

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Abstract

一种在透明材料中使用飞秒激光进行大深度结构的加工装置和加工方法。本方法的核心是改变飞秒激光压缩器输出激光脉冲宽度，对加工所用飞秒激光的时空特性进行操控，使得即使在低数值孔径物镜聚焦条件下也可得到三维对称性良好的近球形焦斑，提高了低数值孔径物镜的加工精度。此外，在物镜工作距离范围内，使用该方法可以在透明材料内部任意深度进行相同高精度的加工，而无需对球差等不良效果进行附加校正。加工深度与加工精度是飞秒激光加工过程中的两个关键指标，该方法使得“大深度”与“高精度”的同时实现成为可能，有利于大尺寸、高集成度的复杂三维结构的加工，在微流器件、光子集成芯片等领域有巨大的应用价值。

Description

利用飞秒激光在透明材料内部进行大深度结构的加工装置和 加工方法
技术领域
本发明涉及飞秒激光微纳加工领域，特别是一种利用飞秒激光在透明材料内部进行大深度结构的加工装置和加工方法。
背景技术
飞秒激光加工技术以其加工精度高、加工过程热效应小、可在透明材料内部进行三维加工等优点在当代微制造领域独树一帜，为我们提供了一种全新的制备大规模、复杂三维微纳结构的方法。使用飞秒激光在透明材料内部进行三维加工时，加工结构距透明材料上表面的距离受限于聚焦物镜的工作距离，通常使用的高数值孔径物镜的工作距离较短，使得结构的加工只能进行在距表面较近的区域，无法用于较大尺寸结构的加工。低数值孔径的聚焦物镜拥有较长的工作距离，使得加工可深入透明材料内部进行，但是随着深度增大，球差对加工的影响会越来越显著。由于空气与透明材料折射率不同，经物镜聚焦后的光束经过空气与透明材料的交界面时发生折射，导致光束无法在焦点处会聚到一起，使焦斑在纵向被拉长，这就是球差的作用。球差的存在大大降低了飞秒激光在材料深处的加工精度，阻碍了精细结构的加工。自适应光学元件可用于调节光波的相位，因而在加工光路中加入这类元件可补偿界面折射产生的波前畸变，即可减弱球差带来的不良影响(参见文献：A. Jesacher and M.J.Booth,Opt.Express 18,21090-21099(2010))。然而对于低数值孔径物镜，即使将球差完全补偿，由于物镜本身数值孔径较低这一特性，天然的衍射作用也会导致焦斑纵向被拉长，使得焦斑呈纵向长于横向的椭球形，这种不对称的焦斑形状为结构的加工带来不利因素，例如某些微流器件需要由横截面为圆形的微流通道组成，这些微流通道就很难通过低数值孔径物镜加工出来。
一种提高低数值孔径物镜加工精度的方法是使用飞秒激光时空聚焦技术，该技术通过在光路中引入色散装置，将不同频率成分首先在空间上分离再通过物镜进行聚焦，使得物镜焦点处脉宽最短，焦点之外的区域脉宽迅速增大，从而降低焦点之外区域激光的功率密度(参见文献：H.Fei,X.Han,C.Ya et al.Opt.Lett.35,1106-1108 (2010).)。该方法可降低焦斑在纵向的拉长程度，但在低数值孔径物镜聚焦情况下，依然很难实现焦斑在横向与纵向完全对称的加工精度。
发明内容
本发明目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种利用飞秒激光在透明材料内部进行大深度结构的加工装置和加工方法，通过该装置和方法可在低数值孔径物镜聚焦条件下产生近球形的焦斑，同时在工作距离范围内的任意深度保持焦斑形状不变，可用于加工大尺寸的复杂三维结构。
本发明的技术解决方案如下：
一种利用飞秒激光在透明材料内部进行大深度结构的加工装置，其特点在于该装置包括飞秒激光放大器，在飞秒激光放大器的激光输出方向依次是飞秒激光压缩器、小孔、衰减片、光闸、第一光栅、第二光栅、分色镜、低数值孔径显微物镜、三维平移台，所述的光闸的控制端与所述的三维平移台的控制端分别与电脑输出端相连，光源设置在所述的三维平移台的下方，该光源发出的光经所述的三维平移台的透明窗口、所述的低数值孔径显微物镜和分色镜由CCD接收，所述的CCD的输出端与所述的电脑输入端相连。
利用上述加工装置对透明材料内部进行大深度结构的加工方法，该方法包括下列步骤：
1)将待加工的透明材料置于所述的三维平移台的透明窗口的上，调节所述的小孔使其直径为5mm，调节第一光栅和第二光栅的距离和角度，使从第二光栅出射的光束为平行光束，所述的三维平移台可沿x、y、z三个方向平移，同时带动其上的透明材料移动，其中z方向为激光脉冲传输方向，x、y方向与z方向垂直，分别为透明材料的长边方向和宽边方向，通过所述的电脑及CCD观察透明材料的位置，将所述的透明材料移动至加工起始位置；
2)打开所述的飞秒激光放大器，调节所述的飞秒激光压缩器的脉宽，改变飞秒激光压缩器输出的激光脉冲宽度；调节所述的衰减片，改变经过衰减片的飞秒激光脉冲能量，打开所述的光闸，飞秒激光脉冲照射在所述的透明材料内，通过电脑控制所述的三维平移台沿y方向移动距离L，关闭所述的光闸；
3)所述的透明材料使用镊子翻转，通过电脑及CCD观察扫描痕迹的横截面，若为圆形，则进入下一步，若不是圆形，则返回步骤2)；
4)将所述的透明材料重新固定到三维平移台上，并移动至加工起始位置，根据加工目标结构在电脑上设置三维平移台的移动程序，所述的电脑按照设置的移动程序，控制所述的三维平移台并带动透明材料移动，同时所述的电脑控制所述的光闸同步打开，在透明材料内部进行加工，加工过程通过CCD进行实时监测，并在所述的电脑(12)上实时地显示加工的全过程。
本发明的有益结果：
本发明使得飞秒激光加工同时实现了大加工深度与高加工精度，使用工作距离较长的低数值孔径物镜对加工光束进行聚焦，可以保证较大的加工深度，但普通的飞秒激光脉冲经过低数值孔径物镜聚焦后得到的焦斑尺寸较大，且呈纵向较长的椭球形，使用这样的焦斑对透明材料进行加工时加工精度较低，本发明通过结合加工装置中的飞秒激光压缩器脉宽调节功能以及加工装置中两块光栅对光束的色散效果，对飞秒激光脉冲在时域与空间上进行脉冲整形，整形后的飞秒激光脉冲再通过低数值孔径物镜进行聚焦，就会产生纵向尺寸被缩短的焦斑，使焦斑变为近球形分布，使用这样的近球形焦斑进行加工，加工精度得到了显著提高。此外，普通飞秒激光脉冲经过低数值孔径物镜聚焦在透明材料内部后，如果聚焦在透明材料内部的深度不同，聚焦得到的焦斑形状也会变化，一般聚焦深度越大，焦斑的纵向越长，这使得加工深度越大，加工精度越低，而本发明中所述的整形后的飞秒激光脉冲经由物镜聚焦至透明材料内部后，不同深度处的焦斑形状几乎保持不变，即都为近球形分布，这使得透明材料内部的高精度加工摆脱了加工深度的束缚。综上所述，本发明在保证高加工精度的同时，实现了透明材料内部各深度结构的加工，有利于透明材料内部纵向尺寸较大的精细结构的加工。
附图说明
图1是本发明利用飞秒激光在透明材料内部大深度结构的加工装置的光路图。
具体实施方式
下面结合实例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
请参阅图1，图1是本发明利用飞秒激光在透明材料内部进行大深度结构的加工装置的光路图。由图可见，该实施例装置包括飞秒激光放大器1，所述的飞秒激光放大系统1发出的飞秒激光脉冲的中心波长为800nm，重复频率为1kHz，在飞秒激光放大器1的激光输出方向依次是飞秒激光压缩器2、小孔3、衰减片4、光闸5、第一光栅6、第二光栅7、分色镜8、显微物镜9、三维平移台11，所述的光闸5的控制端与所述的三维平移台11的控制端分别与电脑12输出端相连，光源13设置在所述的三维平移台11的下方，该光源13发出的光经所述的三维平移台11的透明窗口、显微物镜9和所述的分色镜8由CCD14接收，所述的CCD14的输出端与所述的电脑12输入端相连。
利用所述的加工装置对透明材料内部进行大深度结构的加工方法，该方法包括下列步骤：
1)将待加工的熔石英玻璃材料10置于所述的三维平移台11的透明窗口的上，熔石英玻璃10长宽高尺寸为10*5*10mm，调节小孔3使其直径为5mm，调节第一光栅6和第二光栅7的距离和角度，使光束入射角均为29°，两个光栅均为刻线数为 830g/mm的闪耀光栅，它们平行放置，之间相隔21cm，从第二光栅7出射的光束为平行光束，该平行光束经分色镜8的反射后进入数值孔径为0.3的显微物镜9，三维平移台11可沿x、y、z三个方向平移，同时带动其上的熔石英玻璃材料10移动，其中z方向为激光脉冲传输方向，x、y方向与z方向垂直，分别为熔石英玻璃材料 10的长边方向和宽边方向。通过电脑12及CCD14观察熔石英玻璃材料10的位置，将所述的熔石英玻璃材料10移动至加工起始位置；
2)打开所述的飞秒激光放大器1，调节所述的飞秒激光压缩器2的脉宽至最短脉宽值40fs，按住飞秒激光压缩器2上的脉宽调节“+”按钮，使得压缩器内部电机移动2mm，调节所述的衰减片4，使经过衰减片4的飞秒激光脉冲能量为10mW，打开所述的光闸5，飞秒激光脉冲照射在所述的熔石英玻璃材料10内，通过电脑12 控制所述的三维平移台11沿y方向移动距离5mm，关闭所述的光闸5；
3)所述的熔石英玻璃材料10使用镊子翻转，通过电脑12及CCD14观察扫描痕迹的横截面，若为圆形，则进入下一步，若不是圆形则重复步骤2)；
4)将所述的熔石英玻璃材料10重新固定到三维平移台11上，并移动至加工起始位置，在电脑12上设置三维平移台11的xy平面圆形移动程序，设置圆形以加工初始位置为起点，半径为2mm，方向为顺时针，扫描速度为50μm/s，所述的电脑按照设置的移动程序，控制所述的三维平移台11并带动熔石英玻璃材料10移动，同时所述的电脑12控制所述的光闸5同步打开，在熔石英玻璃材料10内部进行加工，加工过程通过CCD14进行实时监测，并在所述的电脑(12)上实时地显示加工的全过程，加工完成后，在所述的电脑12上显示一条圆形加工痕迹。

Claims (2)

1.一种利用飞秒激光在透明材料内部进行大深度结构的加工装置，其特征在于该装置包括飞秒激光放大器(1)，在飞秒激光放大器(1)的激光输出方向依次是飞秒激光压缩器(2)、小孔(3)、衰减片(4)、光闸(5)、第一光栅(6)、第二光栅(7)、分色镜(8)、显微物镜(9)、三维平移台(11)，所述的光闸(5)的控制端与所述的三维平移台(11)的控制端分别与电脑(12)输出端相连，光源(13)设置在所述的三维平移台(11)的下方，该光源(13)发出的光经所述的三维平移台(11)的透明窗口、显微物镜(9)和所述的分色镜(8)由CCD(14)接收，所述的CCD(14)的输出端与所述的电脑(12)输入端相连。
2.利用权利要求1所述的加工装置对透明材料内部进行大深度结构的加工方法，其特征在于该方法包括下列步骤：
1)将待加工的透明材料(10)置于所述的三维平移台(11)的透明窗口的上，调节所述的小孔(3)使其直径为5mm，调节第一光栅(6)和第二光栅(7)的距离和角度，使从第二光栅(7)出射的光束为平行光束，所述的三维平移台(11)可沿x、y、z三个方向平移，同时带动其上的透明材料(10)移动，其中z方向为激光脉冲传输方向，x、y方向与z方向垂直，分别为透明材料(10)的长边方向和宽边方向，通过电脑(12)及CCD(14)观察透明材料(10)的位置，将所述的透明材料(10)移动至加工起始位置；
2)打开所述的飞秒激光放大器(1)，调节所述的飞秒激光压缩器(2)的脉宽，改变飞秒激光压缩器(2)输出的激光脉冲宽度；调节所述的衰减片(4)，改变经过衰减片(4)的飞秒激光脉冲能量，打开所述的光闸(5)，飞秒激光脉冲照射在所述的透明材料(10)内，通过电脑(12)控制所述的三维平移台(11)沿y方向移动距离L，关闭所述的光闸(5)；
3)将所述的透明材料(10)使用镊子翻转，通过电脑(12)及CCD(14)观察扫描痕迹的横截面，若为圆形，则进入下一步，若不是圆形则返回步骤2)；
4)将所述的透明材料(10)重新固定到三维平移台(11)上，并移动至加工起始位置，根据加工目标结构在电脑(12)上设置三维平移台(11)的移动程序，所述的电脑(12)按照设置的移动程序，控制所述的三维平移台(11)并带动透明材料(10)移动，同时所述的电脑(12)控制所述的光闸(5)同步打开，在透明材料(10)内部进行加工，加工过程通过CCD(14)进行实时监测，并在所述的电脑(12)上实时地显示加工的全过程。
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