CN109187494A - 飞秒激光加工参数差动共焦拉曼光谱原位监测方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及飞秒激光加工参数差动共焦拉曼光谱原位监测方法与装置，属于激光精密检测技术、飞秒激光加工制造技术领域。本发明将高轴向分辨的激光差动共焦轴向监测模块与飞秒激光加工系统有机融合，利用差动共焦系统曲线零点对样品轴向位置进行纳米级监测和样品轴向加工尺寸测量，实现样品轴向位置的实时定焦和加工后微纳结构尺寸的高精度测量，解决了测量过程中的漂移问题和高精度在线检测问题；利用差动共焦拉曼光谱探测模块对飞秒激光加工后样品材料的分子结构等信息进行监测分析，并通过计算机对上述信息进行融合，实现微细结构飞秒激光高精度加工与微区形态性能原位监测分析一体化，提高微细结构飞秒激光加工精度的可控性和样品的加工质量等。

Description

飞秒激光加工参数差动共焦拉曼光谱原位监测方法与装置

技术领域

本发明涉及飞秒激光加工参数差动共焦拉曼光谱原位监测方法与装置，属于激光精密检测技术、飞秒激光加工制造技术领域，可用于微细结构飞秒激光加工微区形态性能原位在线监测与分析。

背景技术

飞秒激光加工由于具有材料适应性广、加工精细度高、加工无需掩模等显著优点，而被视为“可能引起新工业革命”的世纪性技术备受关注，并被作为宏—微跨尺度微纳制造的首选手段得到中国、美国等世界各制造大国的优先发展。

飞秒激光加工就是利用激光与材料的非线性效应，在超越光学衍射极限的纳米尺度上使材料发生成形与成性，其本质是材料形态与性能参数的同时改变与调控，因而，我们只有同时监测加工过程中材料形态、性能参数的瞬时变化状态，才能真正揭示飞秒激光非线性加工的作用机理及其演化规律。

目前飞秒激光加工还存在非线性加工使物镜轴向进给量无法精确对应样品轴向去除量这一重大瓶颈问题，但现有的基于三角光位移传感器轴向监测、背向散射相干层析监测和光学相干层析监测等方法，其分辨能力均为微米或亚微米量级，如加拿大皇后大学和德国哥廷根激光实验室利用干涉成像法(OCT)开展了在线监测技术研究，但其x-y-z方向的监测分辨能力仅达微米量级。可见，飞秒加工装备由于受现有监测技术制约，仍然缺乏高性能的原位监测手段，这就使基于点加工、长耗时的飞秒激光加工设备普遍存在：非线性去除，使轴向去除不准；长耗时漂移，使加工系统不稳；非稳定点加工，使加工尺度不大等共性问题。其根源在于加工系统轴向定焦不准，进而制约了飞秒激光在跨尺度关键元件微纳制造方面的应用。

此外，飞秒激光加工过程中，加工材质不同，飞秒脉冲激光与物质的作用机理不同，加工过程中样品产生的形态和性能变化不同；在脉冲激光的作用下，样品的分子结构、元素比例和带电离子等均会发生变化，如何对加工完成后样品的物性参数和形态参数进行精确的检测，不仅是保证加工精度的关键、也是研究飞秒激光加工机理、提升加工工艺水平的重要前提。

由此可见，随着飞秒激光加工技术的飞速发展，迫切需要研究飞秒激光加工中形态性能参数的原位监测手段。

在形态性能参数探测中，基于拉曼散射效应的激光共焦拉曼光谱探测技术，由于可通过探测样品微区拉曼光谱谱峰的强度、位置、位移、比值、半高宽等信息，来测得材料微区组分、应力、温度等参数，而被作为形态性能参数测试的重要的手段在飞秒激光加工的光致应变、晶体晶态、折射率变化、载流子密度、温度状态、成分等离线监测中得到成功应用，但现有飞秒激光加工仍然缺乏飞秒激光加工形态性能参数的一体化原位监测手段。

综上所述，现有飞秒激光加工中无法对样品进行精准的定焦和对准，无法对加工中的样品形态性能参数进行高精度的原位监测，其结果限制了飞秒激光加工效果稳定性和跨尺度加工能力，也制约了飞秒激光加工机理研究和加工工艺水平的提高。

为此，本发明提出在飞秒激光加工系统中创造性地融入激光差动共焦拉曼光谱探测技术，以期实现飞秒激光加工中形态性能参数的一体化原位监测，为飞秒激光加工形态性能参数一体化原位监测提供新手段，提升飞秒激光加工的精度性能和宏-微跨尺度加工能力等。

发明内容

本发明的目的是为解决激光微纳加工中样品易产生轴向漂移和加工完成后样品复杂形态性能参数原位检测等问题，本发明公开了一种飞秒激光加工参数差动共焦拉曼光谱原位监测方法与装置，实现了样品加工过程中的轴向漂移、倾斜的在线监控和样品结构轴向尺寸的纳米级监测，确保了加工过程中样品的精确实时定焦，并实现了加工完成后样品微区形貌结构和复杂物性参数的综合检测，为飞秒激光加工的反馈修正、机理研究和工艺改进提供了技术基础，提高了激光加工精度的可控性和样品的加工质量。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的飞秒激光加工参数差动共焦拉曼光谱原位监测方法，利用飞秒激光加工系统对样品进行微细结构加工，利用激光差动共焦轴向监测模块对样品表面形貌轮廓、加工中样品表面轴向位置进行实时监控，并对加工后样品表面的几何参数进行检测，利用差动共焦拉曼光谱探测模块对飞秒激光加工后样品材料的物性变化进行监测分析，进而实现微细结构飞秒激光高精度加工与微区形态性能原位监测分析一体化，提高微细结构飞秒激光加工精度的可控性和样品的加工质量；

飞秒激光加工参数差动共焦拉曼光谱原位监测方法包括以下步骤：

步骤一、将待加工样品置于精密工作台上，由精密工作台带动样品进行二维扫描运动，利用差动共焦轴向监测模块对样品的表面轮廓进行扫描测量，并将其测量结果反馈给计算机，用于调整样品姿态，并用于飞秒激光加工系统对加工控制参数的调整；

其中，激光差动共焦轴向监测模块由激光器、扩束器、反射镜、差动共焦探测模块组成，轴向监测平行光束经二向色镜A反射、二向色镜B透射后，进入物镜并被聚焦到样品上，经样品反射的反射轴向监测光束经反射镜后分为两路，一路经探测分光镜透射由第一探测物镜聚焦到第一强度探测器，一路经探测分光镜反射由第二探测物镜聚焦到第二强度探测器，由差动处理模块对两路探测信号处理后得到差动共焦曲线；

依据差动共焦曲线的过零点位置对样品表面位置进行纳米级检测。

步骤二、利用飞秒激光器、激光时空整形模块、二维扫描器构成的飞秒激光加工系统对样品进行微纳结构加工，加工过程中利用差动共焦轴向监测模块对加工过程中样品表面的轴向位置进行监测；依据差动共焦曲线的过零点位置对样品的轴向位置进行纳米级监测；

步骤三、计算机依据测量结果调整样品的轴向位置，实时调整精密工作台的位置，实现加工过程中样品的精确定焦；

步骤四、加工完成后，可利用激光差动共焦轴向监测模块对加工完成后的样品结构进行扫描测量，实现加工后样品形态参数的纳米级高精度原位检测；

步骤五、轴向监测平行光束经物镜聚焦到样品上，激发出拉曼散射光谱，该光谱经二向色镜B反射后由光谱探测模块探测，对加工后样品的物性参数进行原位检测分析，其中，光谱探测模块由拉曼耦合镜和光谱探测器组成；

本发明的飞秒激光加工参数差动共焦拉曼光谱原位监测方法中，所述飞秒激光加工系统发出的加工激光光束与轴向监测平行光束经物镜同轴耦合到样品表面，实现飞秒激光加工样品几何形态与性能参数的高分辨监测与原位成像。

本发明所述的飞秒激光加工参数差动共焦拉曼光谱原位监测方法，可利用显微成像模块对样品进行观察和粗对准；白光光源发出的光经照明系统、照明分光镜、二向色镜B、物镜后均匀照射到样品上，经样品返回的光经照明分光镜、第二分光镜反射后经成像物镜成像到CCD上，可判断样品的倾斜和位置。

本发明的飞秒激光加工参数差动共焦拉曼光谱原位监测装置，包括飞秒激光器、位于飞秒激光器出射方向的激光时空整形模块和二维扫描器，位于飞秒激光器出射光束垂直方向的二向色镜A、二向色镜B、物镜和精密工作台，位于二向色镜A反射方向的差动共焦轴向监测模块和位于二向色镜B反射方向的拉曼光谱探测模块，物镜由轴向扫描器驱动；分光瞳差动共焦轴向监测模块包括激光器、位于激光器出射方向的扩束器、第一分光镜和第一分光镜反射方向的差动共焦探测模块，其中轴向监测平行光束和加工激光光束经二向色镜A、物镜同轴入射到样品表面。

本发明的飞秒激光加工参数差动共焦拉曼光谱原位监测装置中，所述差动共焦探测模块可由探测分光镜、第一探测物镜、第一强度探测器、第二探测物镜、第二强度探测器、差动处理模块组成；且第一强度探测器和第二强度探测器偏离第一探测物镜和第二探测物镜焦平面的距离相等、方向相反。

本发明的飞秒激光加工参数差动共焦拉曼光谱原位监测装置中，所述激光时空整形模块可由空间整形器、时间整形器构成，对飞秒激光器发出的激光束进行时域和空域参数的联合调控，提高飞秒激光微纳加工能力。

本发明所述的飞秒激光加工参数差动共焦拉曼光谱原位监测装置，还可以利用显微成像模块对样品进行观察和粗对准，其中显微成像模块由白光光源、照明系统、照明分光镜、成像物镜、照明CCD组成；白光光源发出的光经照明系统、照明分光镜、二向色镜B、物镜后均匀照射到样品上，经样品返回的光经照明分光镜、第二分光镜反射后经成像物镜成像到照明CCD上，判断样品的倾斜和位置。

有益效果

本发明方法对比已有技术具有以下创新点：

1)采用激光差动共焦轴向监测技术，提高了加工过程中的轴向位置监测能力，解决了飞秒激光加工过程中的漂移问题和高精度实时定焦问题，这是本发明的创新点之一；

2)采用激光差动共焦轴向纳米级监测技术，实现了飞秒激光加工样品的高精度轴向尺寸检测能力，解决了飞秒激光加工样品的在线检测问题，这是本发明的创新点之二；

3)将差动共焦系统、飞秒激光加工系统的光束经同一物镜耦合到样品，实现了微纳结构加工过程中样品的在线位置监测和轴向尺寸检测，提高了加工过程的可控性和加工质量，提高了加工过程的可控性和加工质量，这是本发明的创新点之三；

本发明方法具有如下显著特点：

1.采用具有高分辨力的差动共焦技术与飞秒激光加工技术相结合，实现了加工过程中的样品轴向离焦位置的在线监测，解决了加工过程中的样品漂移问题，提高了加工过程的可控性；

2.利用差动共焦曲线的过零点进行样品轴向位置监测，使飞秒激光光束以最小聚焦光斑聚焦到样品表面，可实现样品的高精度微纳加工；

3.利用差动共焦曲线的过零点定焦测量技术，抑制了监测过程中样品表面杂散光对轴向位置监测和轴向尺寸检测的干扰，实现了纳米级分辨的在线监测，可改善飞秒激光加工技术的轴向微纳加工能力；

4.采用激光差动共焦和拉曼光谱探测技术相结合，实现了对加工后的样品微区形态和物性综合参数变化的原位监测和分析，提高了加工工艺水平和加工质量的可控性。

5.利用差动共焦拉曼光谱对飞秒激光加工后样品材料的组分分子结构变化进行原位监测，可改善现有飞秒激光加工工艺。

6.采用显微成像技术对样品进行成像，可实现样品位置的倾斜校正，提高加工过程中的位置调整效率。

附图说明

图1为本发明飞秒激光加工参数差动共焦拉曼光谱原位监测方法示意图；

图2为本发明飞秒激光加工参数差动共焦拉曼光谱原位监测方法与装置示意图；

图3为本发明飞秒激光加工参数差动共焦拉曼光谱原位监测方法示意图；

图4为本发明飞秒激光加工参数差动共焦拉曼光谱原位监测方法与装置示意图。

其中：1-差动共焦轴向监测模块、2-激光器、3—扩束器、4-轴向监测平行光束、5-二向色镜A、6-二向色镜B、7-物镜、8-轴向扫描器、9-样品、10-精密工作台、11-反射轴向监测光束、12-第一分光镜、13-差动共焦探测模块、14-探测分光镜、15-第一探测物镜、16-第一强度探测器、17-第二探测物镜、18-第二强度探测器、19-差动处理模块、20-差动共焦曲线、21-飞秒激光器、22-激光时空整形模块、23-加工激光光束、24-二维扫描器、25-光谱耦合透镜、26-光谱探测器、27-拉曼光谱探测模块、28-空间整形器、29-时间整形器、30-计算机、31-白光光源、32-照明系统、33-照明分光镜、34-第二分光镜、35-成像物镜、36-CCD、37-显微成像模块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明的基本思想是：将高轴向分辨的激光差动共焦轴向监测模块与飞秒激光加工系统有机融合，利用差动共焦系统曲线零点对样品轴向位置进行纳米级监测，实现了样品的轴向实时定焦和轴向位置监控，解决飞秒激光加工过程中的轴向漂移和在线检测，利用连续激光激发的拉曼光谱进行样品分子结构探测，通过信息的融合获得样品的微区形态和性能综合参数，实现对飞秒激光加工的效果的综合监测和分析，提高了微纳结构飞秒激光加工精度的可控性和样品的加工质量等。还可以在上述系统中融合显微成像模块，利用显微成像模块对样品进行粗对准。

实施例1

如图1所示，计算机30对二维扫描器18、精密工作台10、轴向扫描器8进行反馈控制，实现对样品9加工与监控的三维扫描和位置调整；飞秒激光加工系统由飞秒激光器21、激光时空整形模块22、二维扫描器18构成；差动共焦探测模块13可由探测分光镜14、第一探测物镜15、第一强度探测器16、第二探测物镜17、第二强度探测器18、差动处理模块19组成；且第一强度探测器16和第二强度探测器18偏离第一探测物镜15和第二探测物镜17焦平面的距离相等、方向相反。

飞秒激光加工参数差动共焦拉曼光谱原位监测方法实施步骤如下：

1)将样品9置于精密工作台10上，由精密工作台10带动样品9进行扫描运动；

2)加工前，利用差动共焦轴向监测模块1对样品9的表面进行扫描测量；轴向监测平行光束4经二向色镜A5反射、二向色镜B6透射后，由物镜7聚焦到样品9上，经样品9反射的反射轴向监测光束11经第一分光镜12后分为两路，一路经探测分光镜14透射由第一探测物镜15聚焦到第一强度探测器16，一路经探测分光镜14反射由第二探测物镜17聚焦到第二强度探测器18，由差动处理模块19对两路探测信号处理后得到样品9表面一点的差动共焦信号；

3)通过计算机30控制轴向扫描器8对样品9进行轴向扫描，得到具有绝对零点的差动共焦曲线20；

4)依据差动共焦曲线20的过零点位置对样品9的轴向位置进行纳米级监测，计算机30依据测量结果，对飞秒激光加工系统的加工控制参数进行调整；

5)经激光时空整形模块22调制的加工激光光束23经二向色镜A 5、二向色镜B 6和物镜7聚焦到样品9的表面对样品9进行激光加工，微区域的扫描加工由计算机30控制二维扫描器18完成；

6)加工过程中，利用差动共焦轴向监测模块1对加工过程中样品9的轴向位置进行监测；

7)依据差动共焦轴向监测模块1反馈的监测结果，计算机30控制精密工作台10对样品9位置进行调整，消除了样品漂移的影响；

8)通过计算机30控制轴向扫描器8和精密工作台10对样品9进行扫描，得到加工后样品微纳结构轴向尺寸，实现样品9轴向尺寸的纳米级检测；同时，通过拉曼光谱探测模块27获取加工后样品的性能参数，进而实现加工后样品9形态性能参数的高精度原位检测。

实施例2

如图2所示，激光时空整形模块22由空间整形器28和时间整形器29构成，对飞秒激光器21发出的光束分别进行时域和空域参数的调整，使飞秒激光加工性能最佳。

其余与实施例1相同。

实施例3

如图3所示，在加工前，将样品9置于精密工作台10后，利用显微成像模块37对样品9进行粗对准，白光光源31发出的光经照明系统32、照明分光镜33、二向色镜B 6、物镜7后生成平行光束均匀照射到样品9上，样品9反射的照明光经照明分光镜33、第二分光镜34反射后经成像物镜35成像到CCD36上，可得到样品9的位置和成像区域，进而可判断样品9的倾斜和位置。

其余与实施例1相同。

实施例4

如图4所示，激光时空整形模块22由空间整形器28和时间整形器29构成，对飞秒激光器21发出的光束分别进行时域和空域参数的调整，使飞秒激光加工性能最佳。

其余与实施例3相同。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims (7)

1.飞秒激光加工参数差动共焦拉曼光谱原位监测方法，其特征在于：利用飞秒激光加工系统对样品进行微细结构加工，利用激光差动共焦轴向监测模块对样品表面形貌轮廓、加工中样品表面轴向位置进行实时监控，并对加工后样品表面的几何参数进行检测，利用差动共焦拉曼光谱探测模块对飞秒激光加工后样品材料的物性变化进行监测分析，进而实现微细结构飞秒激光高精度加工与微区形态性能原位监测分析一体化，提高微细结构飞秒激光加工精度的可控性和样品的加工质量；

包括以下步骤：

步骤一、将待加工样品(9)置于精密工作台(10)上，由精密工作台(10)带动样品(9)进行二维扫描运动，利用差动共焦轴向监测模块(1)对样品(9)的表面轮廓进行扫描测量，并将测量结果反馈给计算机(30)，用于调整样品(9)姿态，并用于飞秒激光加工系统对加工控制参数的调整；

其中，激光差动共焦轴向监测模块(1)由激光器(2)、扩束器(3)、第一分光镜(12)和差动共焦探测模块(13)组成；差动共焦探测模块(13)由探测分光镜(14)、第一探测物镜(15)、第一强度探测器(16)、第二探测物镜(17)、第二强度探测器(18)和差动处理模块(19)组成；轴向监测平行光束(4)依次经第一分光镜(12)透射、二向色镜A(5)反射、二向色镜B(6)透射后，进入物镜(7)并被聚焦到样品(9)上，经样品(9)反射的反射轴向监测光束(11)经第一分光镜(12)反射后分为两路，一路经探测分光镜(14)透射后经第一探测物镜(15)聚焦到第一强度探测器(16)，一路经探测分光镜(14)反射后经第二探测物镜(17)聚焦到第二强度探测器(18)，由差动处理模块(19)对两路探测信号处理后得到差动共焦曲线(20)；

依据差动共焦曲线(20)的过零点位置对样品(9)表面位置进行纳米级监测；

步骤二、利用飞秒激光器(21)、激光时空整形模块(22)、二维扫描器(24)构成的飞秒激光加工系统对样品(9)进行微细结构加工，加工过程中利用差动共焦轴向监测模块(1)对样品(9)表面的轴向位置进行监测；依据差动共焦曲线(20)的过零点位置对样品(9)表面的轴向位置进行纳米级监测；

步骤三、计算机(30)依据测量结果调整样品(9)的轴向位置，实时调整精密工作台(10)的位置，实现加工过程中样品的轴向精确定焦；

步骤四、加工完成后，利用激光差动共焦轴向监测模块(1)对加工完成后的样品结构进行扫描测量，实现加工后样品(9)形态参数的纳米级高精度原位检测；

步骤五、轴向监测平行光束(4)经物镜(7)聚焦到样品(9)上，激发出拉曼散射光谱，该光谱经二向色镜B(6)反射后由拉曼光谱探测模块(27)探测，对加工后样品的物性参数进行原位检测分析，其中，拉曼光谱探测模块(27)由光谱耦合透镜(25)和光谱探测器(26)组成。

2.根据权利要求1所述的飞秒激光加工参数差动共焦拉曼光谱原位监测方法与装置，其特征在于：飞秒激光加工系统发出的加工激光光束(23)与轴向监测平行光束(4)经物镜(7)同轴耦合到样品(9)表面，实现飞秒激光加工样品几何形态与性能参数的高分辨监测与原位成像。

3.根据权利要求1所述的飞秒激光加工差动共焦拉曼原位监测方法，其特征在于：还包括显微成像模块(37)，利用显微成像模块(37)对样品(9)进行观察和粗对准，辅助样品姿态调整；白光光源(31)发出的光经照明系统(32)、照明分光镜(33)、二向色镜B(6)、物镜(7)后均匀照射到样品(9)上，经样品(9)返回的光经照明分光镜(33)、第二分光镜(34)反射后经成像物镜(35)成像到照明CCD(36)上，可判断样品(9)的倾斜和位置。

4.飞秒激光加工参数差动共焦拉曼光谱原位监测装置，其特征在于：飞秒激光器(21)、位于飞秒激光器(21)出射方向的激光时空整形模块(22)和二维扫描器(24)，位于飞秒激光器(21)出射光束垂直方向的二向色镜A(5)、二向色镜B(6)、物镜(7)和精密工作台(10)，位于二向色镜A(5)反射方向的差动共焦轴向监测模块(1)和位于二向色镜B(6)反射方向的拉曼光谱探测模块(27)，物镜(7)由轴向扫描器(8)驱动；分光瞳差动共焦轴向监测模块(1)包括激光器(2)、位于激光器(2)出射方向的扩束器(3)、第一分光镜(12)和第一分光镜(12)反射方向的差动共焦探测模块(13)，其中轴向监测平行光束(4)和加工激光光束(23)经二向色镜A(5)、物镜(7)同轴入射到样品(9)表面。

5.根据权利要求4所述的飞秒激光加工差动共焦拉曼原位监测一体化装置，其特征在于：差动共焦探测模块(13)由探测分光镜(14)、第一探测物镜(15)、第一强度探测器(16)、第二探测物镜(17)、第二强度探测器(18)和差动处理模块(19)组成；且第一强度探测器(16)和第二强度探测器(18)偏离第一探测物镜(15)和第二探测物镜(17)焦平面的距离相等、方向相反。

6.根据权利要求4所述的飞秒激光加工参数差动共焦拉曼光谱原位监测装置，其特征在于：激光时空整形模块(22)可由空间整形器(28)、时间整形器(29)构成，对飞秒激光器(21)发出的激光束进行时域和空域参数的联合调控，提高飞秒激光微纳加工能力。

7.根据权利要求4所述的飞秒激光加工参数差动共焦拉曼光谱原位监测装置，其特征在于：还能够利用显微成像模块(37)对样品(9)进行观察和粗对准，其中显微成像模块(37)由白光光源(31)、照明系统(32)、照明分光镜(33)、成像物镜(35)、照明CCD(36)组成；白光光源(31)发出的光经照明系统(32)、照明分光镜(33)、二向色镜B(6)、物镜(7)后均匀照射到样品(9)上，经样品(9)返回的光经照明分光镜(33)、第二分光镜(34)反射后经成像物镜(35)成像到照明CCD(36)上，判断样品(9)的倾斜和位置。