CN109623155A - 利用多光子激发进行近4π立体角飞秒激光直写加工的方法及应用 - Google Patents

利用多光子激发进行近4π立体角飞秒激光直写加工的方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用多光子激发进行近4π立体角飞秒激光直写加工的方法及应用，属于激光加工技术领域，本发明采用多光子激发替代传统的单光子激发来解决利用飞秒激光进行大埋入深度直写时的失焦问题，其主要原理是将飞秒激光分束后再聚焦于待加工材料内部，将多个光子的能量“凑足”原单光子激发的对应的能量阈值，从而达到对材料改性的加工目的。同时，调节分束后的子束激光时域同步，并使其最终近正交会聚于待加工位置，从而获得具有近4π立体角的近球型焦斑。如此，利用多光子激光解决了飞秒激光大埋入深度直写时的失焦问题，可获得不同加工深度性质均一的三维埋入式结构。

Description

利用多光子激发进行近4π立体角飞秒激光直写加工的方法及 应用
技术领域
本发明属于激光加工技术领域，具体涉及利用多光子激发进行飞秒激光大埋入深度直写加工，通过将飞秒激光分束并调节各束脉冲在时间和空间上同步，以实现基于多光子激发的三维埋入式结构的直写加工。
技术背景
量子信息技术因其具有超强的并行计算能力、大容量的信息传输和处理能力以及基于量子力学基本原理的高保密特性等，已成为当今各国重点研发的技术之一。在众多可支持量子信息技术的物理体系中，光子由于其良好的产生、操控和探测特性，已成为最重要的一种量子信息载体。进一步地，为了满足量子计算机系统稳定性的要求，需将分束器和波导耦合器等基本元件集成为光量子芯片。目前，各国课题组所构建的量子芯片主要基于二维平面波导之间的相互耦合，且仅限于相邻模式之间，而非相邻模式只能通过多个相邻模式交换来进行间接耦合。通过二维布局来实现上述模式耦合需要依赖高复杂度的布线，从而降低了光学干涉效果，增大了计算误差。而利用飞秒激光直写这一高精度的三维加工技术来制备三维扩展的量子芯片，则能够突破上述二维平面芯片的限制。具体地，需利用飞秒激光在体材料内部进行大埋入深度的直写加工。然而，现有的飞秒激光直写技术在工作距离超过200μm时(以NA＝1.45的油浸物镜为例)，存在严重的失焦问题，即焦斑沿纵向拉伸为椭球型。这会导致不同加工深度的波导性质不同，无法实现量子干涉所需要的光路对称条件。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是：提供一种利用多光子激发进行近4π立体角飞秒激光直写加工的方法。采用多光子激发替代传统的单光子激发来解决利用飞秒激光进行大埋入深度直写时的失焦问题，其主要原理是将飞秒激光分束后再聚焦于待加工材料内部，将多个光子的能量“凑足”原单光子激发的对应的能量阈值，从而达到对材料改性的加工目的。同时，调节分束后的子束激光时域同步，并使其最终近正交会聚于待加工位置，从而获得具有近4π立体角的近球型焦斑。如此，利用多光子激光解决了飞秒激光大埋入深度直写时的失焦问题，可获得不同加工深度性质均一的三维埋入式结构。
本发明通过如下技术方案实现：
一种利用多光子激发进行近4π立体角飞秒激光直写加工的方法，具体步骤如下：
(1)、时间同步脉冲产生；
具体步骤为：通过半反半透镜结合反射镜组的分光方式将飞秒激光分成光强均匀、光程相同的两束子束飞秒激光FL1和FL2，即使激光历经“扩束－等光程分束”的光路，并确保沿光路激光经过每个镜子的中心位置；经过各自的时间同步反射镜组后，两子束激光的脉冲达到时间同步，即同时到达各自的空间同步反射镜；
(2)、脉冲空间同步调节；
具体步骤为：首先，取待加工的体材料置于飞秒激光直写的样品台，前后移动样品台使两子束激光分别聚焦于样品表面，同时通过电脑端实时监控两子束飞秒激光焦点在样品表面的位置；然后，对称调节两个空间同步反射镜与竖直方向的夹角，使得两子束飞秒激光的脉冲达到空间同步，在分别历经“反射-聚焦”的光路后最终会聚于样品表面同一点，形成所需的多光子激发焦点；
(3)、三维埋入式结构直写；
具体步骤为：首先，调节样品台前后位置使得多光子激发焦斑位于体材料内部的待加工起始位置；然后，利用多光子激发焦斑对材料进行大埋入深度连续扫描，最终获得所需三维埋入式结构。
进一步地，步骤(1)所述将飞秒激光波长为1030nm，经过透镜L1和L2扩束后光斑扩大2-4倍；通过半反半透镜BS均匀分束后，分别入射至各自的时间同步反射镜组，即M1-M2-M3-M4和M6；其中M1、M2和M6与竖直方向成45°角，M3和M4与竖直方向成-45°角，整个光路呈左右对称设置；M1-M6距光路对称轴的垂直距离依次为20、0、0、40、40、40cm；光线在到达M5与M7之前与样品表面垂直，经由M5和M7反射后与样品法线的成角为82°，M5与M7距离样品表面的高度为均为5.62cm；经过时间同步反射镜组S微调调节后，两子束激光的脉冲达到时间同步，即同时到达各自的空间调节反射镜。
进一步地，步骤(2)所述脉冲空间同步调节的监控装置为CCD照相机和透镜L5，二者光轴均与整个光路对称轴重合，距样品表面的垂直距离分别为12.1cm和1.1cm；两子束飞秒激光FL1和FL2对应的空间同步反射镜分别为M5和M7，二者呈左右对称放置，到对称轴距离均为40cm。
进一步地，步骤(2)所述的对称调节两个空间同步反射镜的具体方法为：首先，遮挡经过M7的子束飞秒激光FL2，标记另一束FL1在电脑屏幕的位置S1；然后，遮挡FL1，调节M7与竖直方向的夹角，直至FL2在电脑屏幕的位置S2与S1重合，获得所需的多光子激发焦点。
进一步地，步骤(3)所述调节样品台的前后位置是指依据公式(埋入深度＝7.1×移动样品台的距离)计算出对于埋入深度d所需移动样品台的距离ΔX，然后将样品台向前移至相应位置，以保证多光子激发焦点能准确聚焦于待加工截面。所述埋入深度为200-500μm，对应所需移动样品台的距离为28.1-70.3cm。
进一步地，步骤(3)所述的利用多光子激发焦斑对材料进行大埋入深度连续扫描的速度为2mm/s。
本发明还提供了利用多光子激发进行近4π立体角飞秒激光直写加工在加工量子器件方面的应用，即进行大埋入深度的直写加工来获得在不同深度性质均一的三维埋入式波导结构，以提供量子相干所需的光路对称条件。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)、利用多光子激发代替单光子激发，突破了现有商用飞秒激光200μm的工作距离限制；
(2)、利用多光子激发获得近4π立体角的近球型焦斑，有效解决了飞秒激光在进行大埋入深度加工时的失焦问题，从而保证了加工区域的材料性质均一。
附图说明
图1为本发明的一种利用多光子激发进行近4π立体角加工的光路示意图；
图2为本发明的一种利用多光子激发进行近4π立体角加工的脉冲时间同步调节示意图；其中，图2(a1)和(b1)为未经时间同步调节的两束子束飞秒激光的时间延迟和叠加谱型，图2(a2)和(b2)为经过时间同步调节的两束子束飞秒激光的时间延迟和叠加谱型；
图3为本发明的一种利用多光子激发进行近4π立体角加工的材料内部重聚焦光路示意图；
图4为一种利用多光子激发进行近4π立体角加工的失焦校正示意图。其中图4(a)为单光子激发时单束飞秒激光在材料内部纵深处的脉冲能量分布示意图；图4(b)为多光子激发时两束正交的飞秒激光在材料内部纵深处的脉冲能量分布示意图。
具体实施方式
实施例1
通过调节子束飞秒激光脉冲的时域同步实现多光子激发。
利用多光子激发“凑”能量的方式同样能够提供材料改性所需能量。同时，正交会聚的子束飞秒激光能够形成具有近4π立体角的近球型焦斑，从而能够在校正单束飞秒激光在进行大埋入深度直写加工时的严重失焦。为了保证多个光子的能量能够有效叠加，需通过光路调节子束激光的脉冲在时间和空间上达到同步，即时域同步。先进行时间同步调节，即使分束后的子束飞秒激光走过相同光程。再进行空间同步调节，即利用反射镜控制两束子束激光左右对称入射于待聚焦平面上同一点。
通过调节子束飞秒激光脉冲的时域同步实现多光子激发，具体步骤如下：
(1)、时间同步脉冲产生：所用飞秒激光的波长为1030nm，所用产生时间同步脉冲的光路装置为半反半透镜BS和对应两子束飞秒激光的两组时间同步反射镜M1-M2-M3-M4和M6。依据半反半透镜结合反射镜的分光方式将飞秒激光分成光强均匀、光程相同的两束子束飞秒激光FL1和FL2，即使激光历经“扩束－等光程分束”的光路，并确保沿光路激光经过每个镜子的中心位置；具体地，首先，从光源出射的飞秒激光经透镜L1和L2扩束，其光斑扩大2倍；然后，飞秒激光经经过半反半透镜BS均匀分束后，分别入射至各自的时间同步反射镜组，即M1-M2-M3-M4和M6；其中M1、M2和M6与竖直方向成45°角，M3和M4与竖直方向成-45°角，整个光路呈左右对称设置；M1-M6距光路对称轴的垂直距离依次为20、0、0、40、40、40cm；光线在到达M5与M7之前与样品表面垂直，经由M5和M7反射后与样品法线的成角为θ1、θ2为82°，M5与M7距离样品表面的高度为均为5.62cm；经过时间同步反射镜组S微调调节后，两子束激光的脉冲达到时间同步，即同时到达各自的空间同步反射镜。
(2)、脉冲空间同步调节：所用脉冲空间同步调节的光路装置为两个空间同步反射镜M5和M7，所用脉冲空间同步调节的监控装置为CCD照相机和透镜L5，二者光轴均与整个光路对称轴重合，距样品表面的垂直距离分别为1.1cm和12.1cm；首先，取待加工的体材料置于飞秒激光直写的样品台，前后移动样品台使两子束激光分别聚焦于样品表面，同时通过电脑端实时监控两子束飞秒激光焦点在样品表面的位置；然后，对称调节两个空间同步反射镜的与竖直方向的夹角，具体为：先遮挡经过M7的子束飞秒激光FL2，标记另一束FL1在电脑屏幕的位置S1；随后遮挡FL1，调节M7与竖直方向的夹角，直至FL2在电脑屏幕的位置S2与S1重合；即两子束飞秒激光的脉冲达到空间同步，在待聚焦样品表面获得所需的多光子激发焦点。
由图1可知，飞秒激光经由L1和L2扩束并会聚后，首先经过半反半透镜BS，被分成光强均匀的两束子束飞秒激光FL1和FL2；然后，子束FL1和FL2分别经过各自的时间同步透镜组M1-M2-M3-M4和M6，期间走过的光程相同，随后分别到达M5和M7时两子束飞秒激光的脉冲达到同步；最后，通过将M5和M7沿虚线对称调节，使得FL1和FL2在样品表面会聚焦于同一点，即虚线对称轴与样品表面的交点。其中，两子束飞秒激光的入射角θ1、θ2为82°，折射角θ3、θ4为45°，即两子束光的焦斑在材料内部的待聚焦平面正交会聚，脉冲叠加后形成近球型的脉冲能量分布(即近球形焦斑)，最终形成能够实现近4π立体角加工的多光子激发焦点。
由图2可知，两束子束飞秒激光经过时间同步调节后，叠加得到具有高强度、窄脉宽的焦斑。
实施例2
利用具有近4π立体角多光子激发焦斑进行三维埋入式波导量子器件。
通过调节子束飞秒激光脉冲的时域同步，能够在材料内部纵深处获得具有近4π立体角的多光子激发焦斑，其能量分布具有近球型的特征，从而有效校正了失焦。利用近4π立体角多光子激发焦斑进行直写加工，可获得三维波导等三维埋入式量子器件。
利用具有近4π立体角多光子激发焦斑进行三维埋入式结构加工：
(1)、时间同步脉冲产生：同实施例1，其中飞秒激光扩束后光斑扩大4倍。
(2)、脉冲空间同步调节：同实施例1。
(3)、三维埋入式结构直写：首先，依据公式(埋入深度＝7.1×移动样品台的距离)计算出对于埋入深度200μm所需移动样品台的距离28.1cm，所用飞秒激光连续扫描的速度为2mm/s；然后将样品台向前移至相应位置，以保证多光子激发焦点能准确聚焦于待加工截面,如图3所示，其中θ1-θ4取值同实施例1；最后，利用多光子激发焦斑对材料进行大埋入深度连续扫描，按照所需波导结构在所选加工深度处沿直线进行加工，最终获得所需三维埋入式波导量子器件。
由图4可知，现有的商用飞秒激光加工均采用单束激光，当其聚焦在材料内部纵深较深处发生严重的失焦现象，焦斑由球型变为图4(a)中的长椭球型。失焦后的焦斑会使得加工出的结构在不同深度处性质不同，即对应图4(a)中从椭球顶部到底部的纵深方向的能量分布，不同脉冲能量的对材料改性效果不同，从而使得量子器件性质不均一。而时域同步的两束子束飞秒激光在待加工材料纵深处正交后，则可获得图4(b)中近球型的脉冲能量分布，从而可以加工出不同深度性质均一的器件，满足量子器件对光路对称的基本要求。

Claims (7)

1.一种利用多光子激发进行近4π立体角飞秒激光直写加工的方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)、时间同步脉冲产生；
具体步骤为:通过半反半透镜结合反射镜组的分光方式将飞秒激光分成光强均匀、光程相同的两束子束飞秒激光FL1和FL2，即使激光历经“扩束－等光程分束”的光路，并确保沿光路激光经过每个镜子的中心位置；经过各自的时间同步反射镜组后，两子束激光的脉冲达到时间同步，即同时到达各自的空间同步反射镜；
(2)、脉冲空间同步调节；
具体步骤为：首先，取待加工的体材料置于飞秒激光直写的样品台，前后移动样品台使两子束激光分别聚焦于样品表面，同时通过电脑端实时监控两子束飞秒激光焦点在样品表面的位置；然后，对称调节两个空间同步反射镜与竖直方向的夹角，使得两子束飞秒激光的脉冲达到空间同步，在分别历经“反射-聚焦”的光路后最终会聚于样品表面同一点，形成所需的多光子激发焦点；
(3)、三维埋入式结构直写；
具体步骤为：首先，调节样品台前后位置使得多光子激发焦斑位于体材料内部的待加工起始位置；然后，利用多光子激发焦斑对材料进行大埋入深度连续扫描，最终获得所需三维埋入式结构。
2.如权利要求1所述的一种利用多光子激发进行近4π立体角飞秒激光直写加工的方法，其特征在于，步骤(1)所述将飞秒激光波长为1030nm，经过透镜L1和L2扩束后光斑扩大2-4倍；通过半反半透镜BS均匀分束后，分别入射至各自的时间同步反射镜组，即M1-M2-M3-M4和M6；其中M1、M2和M6与竖直方向成45°角，M3和M4与竖直方向成-45°角，整个光路呈左右对称设置；M1-M6距光路对称轴的垂直距离依次为20、0、0、40、40、40cm；光线在到达M5与M7之前与样品表面垂直，经由M5和M7反射后与样品法线的成角为82°，M5与M7距离样品表面的高度为均为5.62cm；经过时间同步反射镜组S微调调节后，两子束激光的脉冲达到时间同步，即同时到达各自的空间调节反射镜。
3.如权利要求1所述的一种利用多光子激发进行近4π立体角飞秒激光直写加工的方法，其特征在于，步骤(2)所述脉冲空间同步调节的监控装置为CCD照相机和透镜L5，二者光轴均与整个光路对称轴重合，距样品表面的垂直距离分别为12.1cm和1.1cm；两子束飞秒激光FL1和FL2对应的空间同步反射镜分别为M5和M7，二者呈左右对称放置，到对称轴距离均为40cm。
4.如权利要求2所述的一种利用多光子激发进行近4π立体角飞秒激光直写加工的方法，其特征在于，步骤(2)所述的对称调节两个空间同步反射镜的具体方法为：首先，遮挡经过M7的子束飞秒激光FL2，标记另一束FL1在电脑屏幕的位置S1；然后，遮挡FL1，调节M7与竖直方向的夹角，直至FL2在电脑屏幕的位置S2与S1重合，获得所需的多光子激发焦点。
5.如权利要求1所述的一种利用多光子激发进行近4π立体角飞秒激光直写加工的方法，其特征在于，步骤(3)所述调节样品台的前后位置是指依据公式计算出对于埋入深度d所需移动样品台的距离ΔX，然后将样品台向前移至相应位置，以保证多光子激发焦点能准确聚焦于待加工截面；所述公式为埋入深度＝7.1×移动样品台的距离所述埋入深度为200-500μm，对应所需移动样品台的距离为28.1-70.3cm。
6.如权利要求1所述的一种利用多光子激发进行近4π立体角飞秒激光直写加工的方法，其特征在于，步骤(3)所述的利用多光子激发焦斑对材料进行大埋入深度连续扫描的速度为2mm/s。
7.如权利要求1所述的一种利用多光子激发进行近4π立体角飞秒激光直写加工的方法在加工量子器件方面的应用。
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Application publication date: 20190416

Assignee: Zhongke Jingyi Technology (Guangdong) Co.,Ltd.

Assignor: Jilin University

Contract record no.: X2022980003035

Denomination of invention: Method and application of femtosecond laser direct writing processing with near 4 p solid angle by multiphoton excitation

Granted publication date: 20200710

License type: Exclusive License

Record date: 20220323