CN108519679A - 一种超快激光脉冲长焦深空间整形方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种超快激光脉冲长焦深空间整形方法，分析微结构整形元件因光热效应引起的输出波前畸变，引入位相预补偿机制，结合激光传输能量守恒法则，研究轴向会聚光束像差分离技术，实现激光输入‑输出振幅、位相等参量精确调控和整形元件位相分割，保持长焦深范围内光束会聚状态。研究微结构整形元件设计和制作误差对输出光强分布的影响，结合误差校正与快速收敛技术，利用ST改进位相设计算法提高迭代搜索效率，实现多阶位相离散逼近，从而实现高衍射效率平顶方形均匀分布光斑的光束脉冲能量空间整形调制效果。

Description

一种超快激光脉冲长焦深空间整形方法

技术领域

本发明属于激光整形领域，涉及一种超快激光脉冲长焦深空间整形方法。用于提高雕刻材料时的去除质量，减小器件表面不规则的影响。

背景技术

20世纪60年代出现一种新型光源，具有单色性好、方向性好、相干性好、能量集中等特点。飞秒光脉冲是指持续时间为10^-12s-10^-15s的激光脉冲，这种激光脉冲具有极高的峰值功率，很宽的光谱宽度和极短的激光发射时间的特点。飞秒激光以其独特的超短持续时间和超强峰值功率开创了材料超精细、低损伤和空间三维加工处理的新领域，而且应用越来越广。根据飞秒激光超短和超强的特点，大体上可以将应用研究领域分成超快瞬态现象的研究和超强现象的研究。它们都是随着激光脉冲宽度的缩短和脉冲能量的增加而不断的得以深入和发展。飞秒脉冲激光的最直接应用是人们利用它作为光源, 形成多种时间分辨光谱技术和泵浦/探测技术。它的发展直接带动物理、化学、生物、材料与信息科学的研究进入微观超快过程领域, 并开创了一些全新的研究领域, 如飞秒化学、量子控制化学、半导体相干光谱等。飞秒脉冲激光与纳米显微术的结合, 使人们可以研究半导体的纳米结构(量子线、量子点和纳米晶体)中的载流子动力学。在生物学方面,人们正在利用飞秒激光技术所提供的差异吸收光谱、泵浦/ 探测技术, 研究光合作用反应中心的传能、转能与电荷分离过程。超短脉冲激光还被应用于信息的传输、处理与存贮方面。

第一台利用啁啾脉冲放大技术实现的台式太瓦激光的成功运转始于1988年，这一成果标志着在实验室内飞秒超强及超高强光物理研究的开始。在这一领域研究中，由于超短激光场的作用已相当于或者大大超过原子中电子所受到的束缚场，微扰论已不能成立，新的理论处理有待于发展。在1020W/cm2的光强下，可以实现模拟天体物理现象的研究。1019-1021W/ cm2的超高强激光产生的热电子（200KeV）。飞秒激光的另一个重要的应用就是微精细加工。通常，按激光脉冲标准来说，持续时间大于10皮秒（相当于热传导时间）的激光脉冲属于长脉冲，用它来加工材料，由于热效应使周围材料发生变化，从而影响加工精度。而脉冲宽度只有几千万亿分之一秒的飞秒激光脉冲则拥有独特的材料加工特性，如加工孔径的熔融区很小或者没有；可以实现多种材料，如金属、半导体、透明材料内部甚至生物组织等的微机械加工、雕刻；加工区域可以小于聚焦尺寸，突破衍射极限等等。一些汽车制造厂和重型设备加工厂目前正研究用飞秒激光加工更好的发动机喷油嘴。使用超短脉冲激光，可在金属上打出几百纳米宽的小孔。在最近于奥兰多举行的美国光学学会会议上，IBM公司的海特说，IBM已将一种飞秒激光系统用于大规模集成电路芯片的光刻工艺中。用飞秒激光进行切割，几乎没有热传递。美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的研究人员发现，这种激光束能安全地切割高爆炸药。该实验室的洛斯克说：“飞秒激光有希望作为一种冷处理工具，用于拆除退役的火箭、火炮炮弹及其他武器。”

飞秒激光能用于切割易碎的聚合物，而不改变其重要的生物化学特性。生物医学专家已将它作为超精密外科手术刀，用于视力矫正手术，既能减少组织损伤又不会留下手术后遗症，甚至可对单个细胞动精密手术或者用于基因疗法。目前人们还在研究如何将飞秒激光用于牙科治疗。有科学家发现，利用超短脉冲激光能去掉牙的一小块，而不影响周围的物质。美国Clark-MXR公司最近推出的UMW系列超快激光微加工工作台正是代表了这个领域里最前沿的商用飞秒激光微加工系统，它包括了用超短脉冲激光进行微加工所需的一切设备与配件，可用于微加工任何材料，生成亚微米精细结构，而不会对周边材料造成损害，不会造成材料飞溅，加工结果极其精确并具有高度可重复性。

飞秒脉冲的直接用途就是时间分辨光谱学。用飞秒脉冲来观测物理，化学和生物等超快过程，飞秒脉冲可作共焦显微镜的光源，来作生物样品的三维图象。用飞秒脉冲作光源的光学相干断层扫描(optical coherence tomography,简称OCT)可观察活体细胞的三维图象，此时并不是利用飞秒脉冲的时间特性，而是利用飞秒光源的宽谱线，来产生类似白光的干涉，利用飞秒脉冲在半导体中激发的声子的反射可用来实时测量半导体薄膜的厚度，以监测半导体薄膜的生长，用飞秒脉冲来作微型加工，打出的孔光滑而没有毛刺，因为飞秒脉冲不是靠热效应先熔化再蒸发，而是靠强场直接蒸发材料，飞秒脉冲用作光通信的光源，可把现有的通信速度提高几百倍，高能量的飞秒脉冲激光与等离子体相互作用可产生高次谐波及X－射线，并有可能用于受控核聚变，人们还尝试用飞秒脉冲产生的兆兆赫兹辐射，来检测集成电路的包装质量，甚至肉类制品的脂肪含量。总之，飞秒脉冲的应用很多。

随着飞秒脉冲激光器的进一步发展和完善，一定能开辟出更多的应用前景。值得注意的是，每当研究发展到一定阶段，各国的研究人员中就有一批人从研究小组分离出来，把研究成果转化为产品，当然原有的激光器公司也注意吸收新的研究成果。

在国家科技战略方面，美国的做法是支持几个重点大学和国家实验室，例如密西根大学的超快光学中心，加州大学圣迭哥分校的强场物理实验室，劳仑斯-利物莫实验室等。日本则是以通产省大型“产(产业)官(官厅，即国家实验室)学(大学)”研究项目的形式，于1996年开始了所谓“飞秒技术计划”，集中了日本几乎所有的知名大公司，国家实验室和大学，还拉上了美国的贝尔实验室，开展飞秒脉冲技术的研究，目标是在兆兆比特高速通信技术方面独占鳌头。

在飞秒激光制造领域，光束传输定位对制造精度及质量其重要，国内西安光机所采用了空间光束柔性传输技术，开发了大幅面复杂图案的激光制造技术与装备，但制造效率和稳定性不足；西安交大开发了金属表面微细织构的超快激光加工装备，但高效和实用性有待提升；大连理工采用激光、微削复合加工技术，只能实现小尺寸构件的表面图案制造；510 所主导国内航天器固面天线反射器激光制造，但目前只能依赖俄罗斯激光制造装备（价格昂贵，近1000 万）和西安光机所工程样机，且加工幅面、稳定性、效率达不到要求；针对发动机涡轮部件标印的技术与装备，国内完全空白。

航空发动机机匣类大型薄壁化铣件的激光刻型技术是新型飞机发动机制造的核心工序，关系发动机的动力性能，目前飞机减重是按照克进行计算的。良好的刻型技术对大型航空航天构件减重具有重要的意义，但是目前，国内外都没有满足要求的大型航空航天构件加工刻型的激光制造装备。例如，国外PRIMA(北美)公司开发的LASERDYNE 高精度多轴激光加工系统，已经用于解决薄壁零件表面激光刻型等加工难题。M.Torres 公司的TORRESLASER 激光刻型机与TORRESTOOL 通用柔性夹具系统首次集成，成为空客德国工厂首台刻型机。截止目前，国外激光刻型装备主要集中在化铣件的一次刻型，能够实现三维蒙皮类零件的激光刻型。国内还没有制造出满足薄壁零件化铣刻型的激光制造装备。意大利PRIMA 公司向我国黎明公司出售的CO2 激光刻型机床，只能完成第一次刻型，价格超过1000万，但刻型减重能力不足。

超快激光加工过程中离焦状态将影响雕刻的材料去除质量，器件表面的不规则微小起伏即可导致激光光束偏离焦点，需要发展长焦深激光光束长焦深空间整形精密控制技术，本发明提出一种超快激光脉冲长焦深空间整形方法，对超快激光脉冲精密控制。

发明内容

超快激光加工过程中离焦状态将影响雕刻的材料去除质量，器件表面的不规则微小起伏即可导致激光光束偏离焦点，需要发展长焦深激光光束长焦深空间整形精密控制技术，本发明提出一种超快激光脉冲长焦深空间整形方法，对超快激光脉冲精密控制。

常规光束会聚时焦深短、焦点附近变化剧烈，雕刻复杂面形器件时对机构响应速度、定位精度、结构稳定度提出很高的要求。为保证雕刻微结构的一致性与均匀性，需要研究轴向光束整形技术，实现长距离内保持光束会聚状态的精密控制。

传统小光斑高斯光束扫描雕刻方式效率低、均匀性差，因此需要研究基于折、衍射光束变换的光束能量时空调控技术，将激光光束整形为平顶方形均匀分布，防止底部锐利损伤，提高雕刻表面粗糙度。

位相调制数据离散化和整形元件设计制作精度决定光束长焦深空间整形效果，因此有必要开展整形-会聚试验研究，考察光束整形实际输出效果，反复迭代修正以达到预期效果。

首先研究激光光场调控、位相分割算法和位相预补偿方法，实现光束长焦深的位相预补偿轴向会聚光束相差分离技术；进而，搭建基于液晶空间光调制技术的检测实验光路，监测模拟得到整形位相数据的光束输出效果，研究整形输出与设计参量的关系，建立空间输出光强分布和设计各参量（如采样点数、输入输出面尺寸、间距大小等）反馈制约模型，修正影响输出整形效果的各个参数，得到整形输出为长焦深方形均匀分布的聚焦光斑。

一种超快激光光束长焦深空间整形方法，分析微结构整形元件因光热效应引起的输出波前畸变，引入位相预补偿机制，结合激光传输能量守恒法则，研究轴向会聚光束像差分离技术，实现激光输入-输出振幅、位相等参量精确调控和整形元件位相分割，保持长焦深范围内光束会聚状态。研究微结构整形元件设计和制作误差对输出光强分布的影响，结合误差校正与快速收敛技术，利用ST改进位相设计算法提高迭代搜索效率，实现多阶位相离散逼近，从而实现高衍射效率平顶方形均匀分布光斑的光束脉冲能量空间整形调制效果。设计会聚-整形检测光路，实验分析整形前后光斑位相数据与光束参量变化；研究整形输出与设计参量的关系，建立空间输出光强分布和设计参量(如：采样点数、输入输出尺寸、间距等)的反馈制约模型，多次修正各设计参量，使输出结果更加逼近理论模拟设计结果。

具体实施方式

一种超快激光脉冲长焦深空间整形方法，分析微结构整形元件因光热效应引起的输出波前畸变，引入位相预补偿机制，结合激光传输能量守恒法则，研究轴向会聚光束像差分离技术，实现激光输入-输出振幅、位相等参量精确调控和整形元件位相分割，保持长焦深范围内光束会聚状态。研究微结构整形元件设计和制作误差对输出光强分布的影响，结合误差校正与快速收敛技术，利用ST改进位相设计算法提高迭代搜索效率，实现多阶位相离散逼近，从而实现高衍射效率平顶方形均匀分布光斑的光束脉冲能量空间整形调制效果。设计会聚-整形检测光路，实验分析整形前后光斑位相数据与光束参量变化；研究整形输出与设计参量的关系，建立空间输出光强分布和设计参量(如：采样点数、输入输出尺寸、间距等)的反馈制约模型，多次修正各设计参量，使输出结果更加逼近理论模拟设计结果。

对于本领域技术人员，上述实施例仅为本发明的优选实施例，不能理解为对本发明的专利范围的限制，在不脱离本发明的构思的前提下，做出的若干改进、替代都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种超快激光脉冲长焦深空间整形方法 ，用于对激光进行整形，包括：测量微结构整形元件因光热效应引起的输出波前畸变，引入位相预补偿机制；结合激光传输能量守恒法则，使得轴向会聚光束像差分离，对激光输入-输出振幅、位相参量进行精确调控；对整形元件进行位相分割，保持长焦深范围内光束会聚状态。

2.根据权利要求1所述的超快激光脉冲长焦深空间整形方法，测量绘制微结构整形元件设计和制作误差对输出光强分布的影响的函数曲线；对函数曲线进行拟合得到拟合函数，将拟合函数结合误差校正与快速收敛利用位相设计算法提高迭代搜索效率，利用多阶位相离散逼近，进行高衍射效率平顶方形均匀分布光斑的光束脉冲能量空间整形调制。

3.根据权利要求1所述的超快激光脉冲长焦深空间整形方法，搭建会聚-整形检测光路，测量整形前后光斑位相数据与光束参量变化；测量绘制整形输出与设计参量的关系曲线，建立空间输出光强分布和设计参量的反馈制约模型。

4.根据权利要求1所述的超快激光脉冲长焦深空间整形方法，至少两次修正各设计参量，使输出结果逼近理论模拟设计结果。