CN109648191A - 一种可实时调控能量的微米级高分辨率超快激光加工系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可实时调控能量的微米级高分辨率超快激光加工系统，包括：光路传输系统、实时观察系统、精准定位系统和激光能量调节系统。本发明所提供的系统，通过可调的指示光源、多角度调节样品固定台和实时观察系统可以达到对焦距的精准快速定位。同时具备独立于原始激光的激光能量调节系统，仅仅针对所需光路进行调节，通用性强。

Description

一种可实时调控能量的微米级高分辨率超快激光加工系统

技术领域

本发明涉及激光加工装置技术领域，具体涉及一种可实时调控能量的微米级高分辨率超快激光加工系统。

背景技术

激光加工可通过调节样品和激光的相对位置来达到“激光直写”的效果。比如可通过固定入射激光，移动样品平移台来完成。对于精细加工，此方法对于平移台的稳定度和精度要求高。有时需要气浮等辅助设备从而提高成本，而且操作繁琐。对于复杂图形的加工，对平移台之间的联动有更高要求。通常其加工时间比较长。样品在此长时间加工过程中会出现漂移现象，大大降低其加工精准度。另一种方法是基于固定的样品，移动的光斑。比如通过振镜的激光加工，可以达到快速的加工，并且精准可控。加工设备体积小，结构紧凑，适合大批量生产并在成本方面有很大优势。

振镜加工是通过场镜对激光光斑进行聚焦。场镜的选取与激光的波长有很大关系。常用场镜有应用于二氧化碳激光器的场镜，其工作波长为10.6微米。YAG/光纤激光打标场镜，其工作波长为1064纳米。此外还有532纳米场镜和355纳米场镜。可选的激光波长有限，如果所用激光器使用的激光波长不在此商业版的激光波长范围内，其加工效果受到影响甚至无法使用场镜或者对振镜镜片造成损害。就场镜本身而言，相比于小幅面的场镜，大幅面的场镜，虽然加工面积变大但其激光聚焦点会变大，其焦距也变大。当焦距变长时，所聚焦的能量密度就会越小，导致样品加工图案变浅，势必要增加激光的功率。此外，焦距越大焦深就越大，从而影响其加工精准。

振镜加工样品时对于焦距的定位很重要，其使用方法如下。将激光器固定在可调升降台上，通过焦距尺来调节升降把手，通过目测找到激光聚焦点，该方法操作繁琐，精确度低。另一种方法是外接一对红光对焦模组，首先将红光置于调节支架，然后将该调节支架固定到振镜的两侧。通过两点交汇处找到激光焦点位置，这种方法对于外接红光牢固性有很大要求，如果安装的不牢靠，外力稍微作用就会导致移动，导致不能正常聚焦。由于红光用的是激光，而且暴露在外界光路，如有操作不慎会危害到周边人员。同时操作过程比较繁琐，而且调节精度不高。在样品的固定方面，现在的通常采用二维或三维简式工作台，在两个或三个正交的方向对样品和激光的相对位置进行调节。调节维度有限，对于复杂样品无法进行调节。虽然有自动校对焦距的操作，但成本较高。

目前激光加工所用激光器如下。二氧化碳激光波长在9.2-10.6微米，脉冲频率1kHz-50kHz，激光功率30-350瓦，可用于玉石、玻璃、木材、橡胶等材料加工制备。波长1064纳米的激光，脉宽150皮秒-200纳秒，重复频率1kHz-1000kHz，激光功率10-50瓦，可以加工部分非金属和几乎所有金属材料。经过非线性晶体(KTP晶体)，可以通过1064纳米激光获得532纳米可见光(绿光)，可以用于玻璃、陶瓷、平板显示器的加工，比如激光内雕机。通过上述波长的和频可获得355纳米的紫外激光，主要用于高质量材料的加工，比如柔性印刷电路板的切割。目前用到的激光主要在纳米脉冲，高功率下使用。激光和物质的作用原理和激光的波长和激光脉宽有很大关系。材料的吸收率和激光的波长和材料性质有关。有的材料的吸收率随着激光波长的变化而急剧变化。比铜在532纳米波长时吸收率大约为40％，而在1064纳米时则不到10％。相比之下铁对不同的激光波长，其吸收率几乎不变。聚苯乙烯和透明PVC在1064纳米和532纳米激光的吸收率均很高。1064纳米波长属于红外光，易产生高温，若将其作用在对热度敏感物质时会产生烧焦等现象。但对于金属而言，1064纳米波长可以有效避免此现象。对于基于热效应的加工，由于热传导，会对激光辐照周边区域进行影响，导致其作用区域变大，适合于毫米或者厘米尺度级别的加工。水晶内雕主要基于激光导致的材料微裂痕，会对光进行散射，因而加工的样本呈现白色。紫外光子的高能量，可以直接打断物质的分子链。而且其聚焦光斑极小。可以一定程度上降低材料的机械变形并且加工加工过程产生的热效应低，可以用于精细加工。相较于上述其他激光，其能量相对较低，同时对于材料有一定的要求：除铜材质以外的材质。但紫外的光波辐射相较于其他波长激光较大。因而如何提高激光在其他波长加工的精准度(微米级别)，并且降低对材料的选择性是激光加工中是亟待解决的问题。

激光能量是激光加工过程中的重要参数。以融石英为例，随着超快激光能量的提高，在其材料改性方面有三个区域。在第一个区域是折射率的变化(能量阈值大约100纳焦，100飞秒激光，800纳米波长)。相对于周边未加工的区域，辐照区域的样品折射率升高。可用于制备光波导。随着激光能量的提高(能量阈值大约150-500纳焦，100飞秒激光，800纳米波长)，即第二个区域，会出现周期性的微纳结构。其周期性的朝向和所用线性偏振激光的偏振方向垂直。可用于制备基于双折射相关的光学器件。第三区域，即高能量区域(大于500纳焦，100飞秒激光，800纳米波长)，会出现损伤性破坏，比如孔。可用于数据存储材料的制备。可见，仅仅通过调节激光的能量就可以对材料进行不同的改性从而获得不同的应用。以多组分的玻璃(比如Li₂O–Nb₂O₅–SiO₂玻璃)析晶为例，随着激光能量的升高可分为非析晶区的析晶区。当能量低于一定能量，激光可对其玻璃态进行改变，同时伴随着样品折射率的变化。可用于制备光波导。当激光能量继续提高，达到材料的析晶阈值时候(大约0.5微焦/脉冲，300kHz，300飞秒激光，1030纳米波长)，出现析晶。可用于非线性材料的制备(如二次倍频晶体)。对于析晶区，在初始能量阶段会出现纳米级别的析晶。随着激光能量的进一步提高(大约1.0微焦/脉冲，300kHz，300飞秒激光，1030纳米波长)，可出现微米级别的大面积析晶。可见通过简单的调节能量，可对析出多组分材料析出晶体的尺寸以及析晶面积进行有效调控。通过上面的例子我们可以看到激光能量的变化直接影响到材料的改性种类，从而对于其后期应用产生重要影响。因而如何控制对加工过程中激光的能量是激光加工的重要的问题。

由于外界环境的变化(比如温度)，激光在使用过程中存在能量的波动。同时随着激光的使用，其自身的能量也在衰减(比如元件的老化)。目前调节激光能量的方法基本如下。对于加工光路，可通过单点测量能量，加入不同的衰减片从而得到所需激光能量。或者通过计算调节不同玻片(如λ/2玻片)的旋转角度来达到激光能量的控制。但是这些都需要通过功率计对激光的能量进行现场测量，而且当激光出现能量波动时候也无法得到实时体现。当下次再进行加工时仍需要重复上述过程，操作比较繁琐。对于市面的内雕机，打标机等加工系统主要是通过控制原始激光器的能量进行调控。只有一路激光进行加工。如何在有限的时间进行多路加工有很重要的实际应用。因而需要设计一种独立于原始激光的能量调节，可以放置于任何激光器，或者同一激光器多光路加工的能量控制单元。为了更有效的进行激光加工，需要精准的控制激光和物质的作用区域及其所产生的材料变化。控激光能量，尤其是实时控制激光能量是非常重要的。但是，目前市面上激光加工系统缺乏独立的激光的实时能量调控能力。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种可实时调控能量的微米级高分辨率超快激光加工系统，基于超快激光的非线性吸收，通过可调的指示光源、多角度调节样品固定台和实时观察系统可以达到对焦距的精准快速定位。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种可实时调控能量的微米级高分辨率超快激光加工系统，包括：光路传输系统、实时观察系统、精准定位系统和激光能量调节系统；

所述光路传输系统用于将超快激光通过反射以及抬高进入二向色性镜，再次反射后经物镜聚焦于样品的不同位置；

所述实时观察系统用于将照明光源发出的照明光照射到样品上，生成的反射光经过所述物镜收集后再次反射，穿过所述二向色性镜到达分束镜，经过聚焦反射后进入所述相机；

所述精准定位系统用于将指示光源发出的指示光依次进行多次反射，进入所述分束镜、所述二向色性镜，再次反射后进入所述物镜，快速指示定位样品所需改性部位，通过多角度调节样品固定台上的多个调节钮调节倾斜的角度并进行三维空间的微米级调节，与成像系统配合，快速精准定位焦距于所需加工样品处；

所述激光能量调节系统用于将所述超快激光通过所述第一高反镜时的一部分激光从光强信号转换成电流信号，再转换成电压信号并进行放大，经过峰值采样后进入单片机进行检测，通过输入值与检测值进行对比控制激光能量变化。

进一步，如上所述的一种可实时调控能量的微米级高分辨率超快激光加工系统，所述光路传输系统包括：第一高反镜、第二高反镜、第三高反镜，以及设置在控制台上的所述二向色性镜、第四高反镜和第五高反镜，所述第一高反镜与所述第二高反镜的镜面平行相对设置，所述第三高反镜与所述第二高反镜的镜面相对设置，所述二向色性镜设置在所述第三高反镜正上方且镜面相对；

所述光路传输系统用于将超快激光通过所述第一高反镜反射到所述第二高反镜，通过所述第三高反镜抬高进入所述二向色性镜，通过所述第四高反镜和所述第五高反镜后经物镜聚焦于样品的不同位置；

所述超快激光到所述第一高反镜之间的光路与所述第一高反镜到所述第二高反镜之间的光路垂直，所述第一高反镜到所述第二高反镜之间的光路与所述第二高反镜到所述第三高反镜之间的光路垂直，所述第二高反镜到所述第三高反镜之间的光路与所述第三高反镜到所述二向色性镜之间的光路垂直，所述第三高反镜到所述二向色性镜之间的光路与所述二向色性镜到所述第四高反镜之间的光路垂直。

进一步，如上所述的一种可实时调控能量的微米级高分辨率超快激光加工系统，所述实时观察系统包括：

设置在所述控制台上的照明光源、所述第四高反镜、所述第五高反镜、所述二向色性镜、分束镜，设置在所述分束镜正下方的聚焦镜和第六高反镜，以及相机，所述第六高反镜的镜面与所述相机的镜头相对设置；

所述实时观察系统用于将所述照明光源发出的照明光照射到样品上，生成的反射光经过所述物镜收集后依次经过所述第五高反镜和所述第四高反镜，穿过所述二向色性镜到达所述分束镜，经所述聚焦镜聚焦，经所述第六高反镜反射进入所述相机；

所述二向色性镜到所述分束镜之间的光路与所述分束镜到所述聚焦镜之间的光路垂直，所述聚焦镜到所述第六高反镜之间的光路与所述第六高反镜到所述相机之间的光路垂直。

进一步，如上所述的一种可实时调控能量的微米级高分辨率超快激光加工系统，所述精准定位系统包括：设置在所述控制台上的指示光源、所述第四高反镜、所述第五高反镜、所述二向色性镜、所述分束镜、第七高反镜和第八高反镜，所述第七高反镜与所述第八高反镜的镜面平行相对设置，所述第七高反镜的镜面与所述指示光源的输出端相对设置；

所述精准定位系统用于将所述指示光源发出的指示光依次通过所述第七高反镜、所述第八高反镜、所述分束镜、所述二向色性镜、所述第四高反镜和所述第五高反镜进入所述物镜，快速指示定位样品所需改性部位，通过多角度调节样品固定台上的多个调节钮调节倾斜的角度并实现三维空间的微米级调节，与成像系统配合，快速精准定位焦距于所需加工样品处；

所述指示光到所述第七高反镜之间的光路与所述第七高反镜到所述第八高反镜之间的光路垂直，所述第七高反镜到所述第八高反镜之间的光路与所述第八高反镜到所述分束镜之间的光路垂直。

进一步，如上所述的一种可实时调控能量的微米级高分辨率超快激光加工系统，所述多角度调节样品固定台上设有第一调节钮、第二调节钮、第三调节钮、第四调节钮、第五调节钮和第六调节钮，所述第一调节钮、所述第二调节钮和所述第三调节钮通过弹力被固定在两个转接板之间，所述第四调节钮、所述第五调节钮和所述第六调节钮所调节的方向两两正交；

通过所述第一调节钮、所述第二调节钮和所述第三调节钮的相对位置移动调节倾斜的角度，通过所述第四调节钮、所述第五调节钮和所述第六调节钮进行三维空间的微米级调节，与成像系统配合，快速精准定位焦距于所需加工样品处。

进一步，如上所述的一种可实时调控能量的微米级高分辨率超快激光加工系统，所述激光能量调节系统包括：依次电连接的光电二极管、集成运算放大器、峰值采样电路模块、单片机、步进电机驱动器和步进电机；

所述激光能量调节系统用于将所述超快激光通过所述第一高反镜时的一部分激光进入所述光电二极管，将光强信号转换成电流信号，通过所述集成运算放大器转换成电压信号并进行放大，经过所述峰值采样电路模块的峰值采样后进入所述单片机进行检测，将输入值与检测值进行对比，输出脉冲控制信号到所述步进电机驱动器，驱动所述步进电机转动旋转台，通过所述旋转台上的偏振片的角度变化控制激光能量变化。

进一步，如上所述的一种可实时调控能量的微米级高分辨率超快激光加工系统，所述系统还包括:安全防护系统，所述安全防护系统包括：总电子快门和激光控制联动电子快门，所述总电子快门设置在所述旋转台前方，用于在遇到紧急情况时关闭快门，挡住所述超快激光，实现急停；所述激光控制联动电子快门设置在所述第一高反镜和所述第二高反镜之间，用于在进行激光加工时保持开启状态，其他情况为关闭状态。

进一步，如上所述的一种可实时调控能量的微米级高分辨率超快激光加工系统，所述安全防护系统还包括：依次电连接的所述单片机、光耦和场效应管；

所述安全防护系统用于将逻辑信号输入所述单片机，通过所述光耦控制所述场效应管驱动所述总电子快门和所述激光控制联动电子快门的开启状态或关闭状态。

进一步，如上所述的一种可实时调控能量的微米级高分辨率超快激光加工系统，所述安全防护系统还包括护目镜。

进一步，如上所述的一种可实时调控能量的微米级高分辨率超快激光加工系统，所述激光能量调节系统和所述安全防护系统均包括：三端稳压管，所述三端稳压管设置在所述单片机与电源之间。

本发明的有益效果在于：本发明所提供的系统，通过可调的指示光源、多角度调节样品固定台和实时观察系统可以达到对焦距的精准快速定位。同时具备独立于原始激光的激光能量调节系统，仅仅针对所需光路进行调节，通用性强。

附图说明

图1为本发明实施例中提供的一种可实时调控能量的微米级高分辨率超快激光加工系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中提供的一种可实时调控能量的微米级高分辨率超快激光加工系统的透视图；

图3为本发明实施例中提供的一种可实时调控能量的微米级高分辨率超快激光加工系统的正面透视图；

图4为本发明实施例中提供的多角度调节样品固定台的结构示意图；

图5为本发明实施例中提供的激光能量调节系统原理图；

图6为本发明实施例中提供的电子快门系统原理图。

附图中，M1-第一高反镜，M2-第二高反镜，M3-第三高反镜，M4-二向色性镜，M5-第四高反镜，M6-第五高反镜，M7-分束镜，M8-第六高反镜，M9-第七高反镜，M10-第八高反镜，L1-超快激光，L2-照明光源，L3-指示光源，R-旋转台，D-光电二极管，C-相机，S1-总电子快门，S2-激光控制联动电子快门，P1-第一调节钮，P2-第二调节钮，P3-第三调节钮，P4-第四调节钮，P5-第五调节钮，P6-第六调节钮，S-样品，O-物镜，T-多角度调节样品固定台的台面，A-中心通孔，B-弹力支架，Z1-第一支柱，Z2-第二支柱，J-聚焦镜。

具体实施方式

下面结合说明书附图与具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

针对目前市面上激光加工系统的单一激光波长要求，样品固定台的调节限制，焦距的精准简单定位和缺乏独立的激光的实时能量调控能力。本系统的目的是，提供一种基于非线性吸收，可以在微米级对玻璃、陶瓷、织物面料、木材、塑料、皮革、金属和特殊材料的高精准(微米级别)超快激光加工装置。对加工材料和激光波长几乎没有要求。通过空间定位和成像系统，精准快速控制激光和样品的相对位置，达到快速加工的效果。同时具备实时控制激光能量的功能，相对原始激光独立，兼容性强，可用于任何激光器，或者同一台激光器的多光路加工。可用于晶体和光学元件的制备和激光防伪等。

如图1所示，一种可实时调控能量的微米级高分辨率超快激光加工系统，包括：光路传输系统、实时观察系统、精准定位系统和激光能量调节系统。

(1)光路传输系统

光路传输系统用于将超快激光通过反射以及抬高进入二向色性镜，再次反射后经物镜聚焦于样品的不同位置；

光路传输系统包括：第一高反镜、第二高反镜、第三高反镜，以及设置在控制台上的二向色性镜、第四高反镜和第五高反镜，第一高反镜与第二高反镜的镜面平行相对设置，第三高反镜与第二高反镜的镜面相对设置，二向色性镜设置在第三高反镜正上方且镜面相对；

光路传输系统用于将超快激光通过第一高反镜反射到第二高反镜，通过第三高反镜抬高进入二向色性镜，通过第四高反镜和第五高反镜后经物镜聚焦于样品的不同位置；

超快激光到第一高反镜之间的光路与第一高反镜到第二高反镜之间的光路垂直，第一高反镜到第二高反镜之间的光路与第二高反镜到第三高反镜之间的光路垂直，第二高反镜到第三高反镜之间的光路与第三高反镜到二向色性镜之间的光路垂直，第三高反镜到二向色性镜之间的光路与二向色性镜到第四高反镜之间的光路垂直。

如图2所示，控制台通过第一支柱Z1支撑，对于激光加工光路(实线所示)，超快激光L1通过高反镜M1反射到高反镜M2然后通过高反镜M3抬高进入二向色性镜M4。通过高反镜M5和高反镜M6后通过物镜O的聚焦可到达样品S不同位置。通过调节高反镜M5和高反镜M6的相对振动可以对激光光斑和样品S的相对位置进行调节，从而完成不同图案的加工。

(2)实时观察系统

实时观察系统用于将照明光源发出的照明光照射到样品上，生成的反射光经过物镜收集后再次反射，穿过二向色性镜到达分束镜，经过聚焦反射后进入相机；

实时观察系统包括：设置在控制台上的照明光源、第四高反镜、第五高反镜、二向色性镜、分束镜，设置在分束镜正下方的聚焦镜和第六高反镜，以及相机，第六高反镜的镜面与相机的镜头相对设置；

实时观察系统用于将照明光源发出的照明光照射到样品上，生成的反射光经过物镜收集后依次经过第五高反镜和第四高反镜，穿过二向色性镜到达分束镜，经聚焦镜聚焦，经第六高反镜反射进入相机；

二向色性镜到分束镜之间的光路与分束镜到聚焦镜之间的光路垂直，聚焦镜到第六高反镜之间的光路与第六高反镜到相机之间的光路垂直。

如图2所示，对于照明光源光路(点划线所示)，外接照明光源L2发出的光打到样品S上，其反射光，经过物镜O收集后依次经过高反镜M6，高反镜M5，穿过二向色性镜M4到达分束镜M7，然后依次通过聚焦镜J和高反镜M8进入相机C。通过调节分束镜M7，高反镜M8和相机C的位置可以实现激光加工和成像的同步。同时可以根据加工结果实时调控下一步加工方案。

(3)精准定位系统

精准定位系统用于将指示光源发出的指示光依次进行多次反射，进入分束镜、二向色性镜，再次反射后进入物镜，快速指示定位样品所需改性部位，通过多角度调节样品固定台上的多个调节钮调节倾斜的角度并进行三维空间的微米级调节，与成像系统配合，快速精准定位焦距于所需加工样品处；

精准定位系统包括：设置在控制台上的指示光源、第四高反镜、第五高反镜、二向色性镜、分束镜、第七高反镜和第八高反镜，第七高反镜与第八高反镜的镜面平行相对设置，第七高反镜的镜面与指示光源的输出端相对设置；

精准定位系统用于将指示光源发出的指示光依次通过第七高反镜、第八高反镜、分束镜、二向色性镜、第四高反镜和第五高反镜进入物镜，快速指示定位样品所需改性部位，通过多角度调节样品固定台上的多个调节钮调节倾斜的角度并实现三维空间的微米级调节，与成像系统配合，快速精准定位焦距于所需加工样品处；

指示光到第七高反镜之间的光路与第七高反镜到第八高反镜之间的光路垂直，第七高反镜到第八高反镜之间的光路与第八高反镜到分束镜之间的光路垂直。

多角度调节样品固定台上设有第一调节钮、第二调节钮、第三调节钮、第四调节钮、第五调节钮和第六调节钮，第一调节钮、第二调节钮和第三调节钮通过弹力被固定在两个转接板之间，第四调节钮、第五调节钮和第六调节钮所调节的方向两两正交；

通过第一调节钮、第二调节钮和第三调节钮的相对位置移动调节倾斜的角度，通过第四调节钮、第五调节钮和第六调节钮进行三维空间的微米级调节，与成像系统配合，快速精准定位焦距于所需加工样品处。

如图2所示，对于指示光源光路(右侧虚线所示)，指示光源L3依次通过高反镜M9，高反镜M10，分束镜M7，和二向色性镜M4，高反镜M5和高反镜M6进入物镜O，用于快速指示定位样品S所需改性部位。由于指示光源L3有自己的调节光路M9和M10，并且在封闭的光路中，大大提高安全性和调节灵活性。

如图3所示，由第二支柱Z2支撑的多角度调节样品固定台的台面T下方，调节钮P1、调节钮P2、调节钮P3通过弹力被固定在两个转接板之间，通过该三个钮的相对位置移动达到不同倾斜的角度调节，尤其适应于有坡度的样品。关于调节钮P1、调节钮P2、调节钮P3的具体细节如图4所示，周边的圆角设计有效的避免刮伤。中心通孔A可以用于需要光线通过调节台的加工情况。P1、P2、P3呈对称分布在孔A的周边。B为固定上下两块板的弹力支架。任意调节调节钮P1、调节钮P2、调节钮P3可以达到不同倾斜的角度调节。当同时调节调节钮P1、调节钮P2、调节钮P3时，可在激光传播方向上精准调节，结构简单高效紧凑，成本低。其他调节钮P4、调节钮P5和调节钮P6可以达到在三维空间的微米级调节。并与成像系统配合，可快速精准定位焦距于所需加工样品处。

(4)激光能量调节系统

激光能量调节系统用于将超快激光通过第一高反镜时的一部分激光从光强信号转换成电流信号，再转换成电压信号并进行放大，经过峰值采样后进入单片机进行检测，通过输入值与检测值进行对比控制激光能量变化。

激光能量调节系统包括：依次电连接的光电二极管、集成运算放大器、峰值采样电路模块、单片机、步进电机驱动器和步进电机；

激光能量调节系统用于将超快激光通过第一高反镜时的一部分激光进入光电二极管，将光强信号转换成电流信号，通过集成运算放大器转换成电压信号并进行放大，经过峰值采样电路模块的峰值采样后进入单片机进行检测，将输入值与检测值进行对比，输出脉冲控制信号到步进电机驱动器，驱动步进电机转动旋转台，通过旋转台上的偏振片的角度变化控制激光能量变化。

如图2所示，超快激光L1通过高反镜M1有一部分微弱激光进入光电二极管D。通过设计电路和旋转台R形成反馈回来。考虑到所使用的激光为线偏振光。通过转动旋转台R上的偏振片的角度达到对激光能量的调控。其能量控制原理如图5所示。激光通过光电二极管将光强信号转换成电流信号。然后通过集成运算放大器转换成电压信号并进行放大。只需一次峰值采样就可以完成对能量的标定。然后进入单片机进行检测。最后输入值与检测值对比来控制激光能量变化。此设计对原始激光器能量无影响仅仅是控制所入射光路，兼容性强。可以应用在任何激光器或者同一台激光器的多光路加工。

(5)安全防护系统

该系统还包括:安全防护系统，安全防护系统包括：总电子快门和激光控制联动电子快门，总电子快门设置在旋转台前方，用于在遇到紧急情况时关闭快门，挡住超快激光，实现急停；激光控制联动电子快门设置在第一高反镜和第二高反镜之间，用于在进行激光加工时保持开启状态，其他情况为关闭状态。

安全防护系统还包括：依次电连接的单片机、光耦和场效应管；

安全防护系统用于将逻辑信号输入单片机，通过光耦控制场效应管驱动总电子快门和激光控制联动电子快门的开启状态或关闭状态。

安全防护系统还包括护目镜。

激光能量调节系统和安全防护系统均包括：三端稳压管，三端稳压管设置在单片机与电源之间。

在激光加工过程中需佩戴护目镜。同时为了保护操作人员和提高激光加工效果。在光路中安装了2个电子快门。如图2所示，S1为总的电子快门，当遇到紧急情况可以关闭达到急停效果。S2为和激光控制联动电子快门。当进行激光加工时处于开启状态，其他情况处于关闭状态。其电子快门控制原理如图6所示，将逻辑信号输入到单片机，然后通过光耦控制场效应管驱动电子快门的开启或关闭状况。该激光通过控制单元独立，可以放置于光路所需任何位置。

采用本系统，至少具有以下明显效果和优点:

(1)基于超快激光和物质的强场电离，即使对于激光所用波长透明的样品，也可以通过非线性吸收作用，仅仅在聚焦位置进行改性，可达到微米级分辨的加工。

(2)相比于单一固定激光波长的加工，本装置对激光波长放宽。

(3)相比于通过单一的二维或三维样品固定调节平移台。本样品固定台加入了多角度调节，结果简单高效，低成本。

(4)通过激光能量实时调节系统，可以有效的控制激光加工中激光能量。由于只是针对入射光进行调节，对初始激光能量无影响，通用性强，可以用于任何激光器或同一激光器的多光路加工，提高加工效率。

(5)本系统可以通过相机实时观测作用区域，随时调整加工方案。达到所见即所的效果。

(6)配合相机成像、多角度调节样品固定台和可调节指示光可快速定位焦距在所需改性的样品区域。

本系统之所以具有上述显著效果，正是利用强场激光和物质的相互作用；同时利用空间精准定位系统，配合多角度调节样品固定平台、相机实时定位系统和可调节指示光源，在微米级别进行高精准的加工。并且能量控制单元针对入射光路而非原始激光器调节，因为通用性强，可以用于任何激光或者同一激光的多光路加工。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种可实时调控能量的微米级高分辨率超快激光加工系统，其特征在于，包括：光路传输系统、实时观察系统、精准定位系统和激光能量调节系统；

所述光路传输系统用于将超快激光通过反射以及抬高进入二向色性镜，再次反射后经物镜聚焦于样品的不同位置；

所述实时观察系统用于将照明光源发出的照明光照射到样品上，生成的反射光经过所述物镜收集后再次反射，穿过所述二向色性镜到达分束镜，经过聚焦反射后进入所述相机；

所述精准定位系统用于将指示光源发出的指示光依次进行多次反射，进入所述分束镜、所述二向色性镜，再次反射后进入所述物镜，快速指示定位样品所需改性部位，通过多角度调节样品固定台上的多个调节钮调节倾斜的角度并进行三维空间的微米级调节，与成像系统配合，快速精准定位焦距于所需加工样品处；

所述激光能量调节系统用于将所述超快激光通过所述第一高反镜时的一部分激光从光强信号转换成电流信号，再转换成电压信号并进行放大，经过峰值采样后进入单片机进行检测，通过输入值与检测值进行对比控制激光能量变化。

2.根据权利要求1所述的一种可实时调控能量的微米级高分辨率超快激光加工系统，其特征在于，所述光路传输系统包括：第一高反镜、第二高反镜、第三高反镜，以及设置在控制台上的所述二向色性镜、第四高反镜和第五高反镜，所述第一高反镜与所述第二高反镜的镜面平行相对设置，所述第三高反镜与所述第二高反镜的镜面相对设置，所述二向色性镜设置在所述第三高反镜正上方且镜面相对；

所述光路传输系统用于将超快激光通过所述第一高反镜反射到所述第二高反镜，通过所述第三高反镜抬高进入所述二向色性镜，通过所述第四高反镜和所述第五高反镜后经物镜聚焦于样品的不同位置；

所述超快激光到所述第一高反镜之间的光路与所述第一高反镜到所述第二高反镜之间的光路垂直，所述第一高反镜到所述第二高反镜之间的光路与所述第二高反镜到所述第三高反镜之间的光路垂直，所述第二高反镜到所述第三高反镜之间的光路与所述第三高反镜到所述二向色性镜之间的光路垂直，所述第三高反镜到所述二向色性镜之间的光路与所述二向色性镜到所述第四高反镜之间的光路垂直。

3.根据权利要求2所述的一种可实时调控能量的微米级高分辨率超快激光加工系统，其特征在于，所述实时观察系统包括：设置在所述控制台上的照明光源、所述第四高反镜、所述第五高反镜、所述二向色性镜、分束镜，设置在所述分束镜正下方的聚焦镜和第六高反镜，以及相机，所述第六高反镜的镜面与所述相机的镜头相对设置；

所述实时观察系统用于将所述照明光源发出的照明光照射到样品上，生成的反射光经过所述物镜收集后依次经过所述第五高反镜和所述第四高反镜，穿过所述二向色性镜到达所述分束镜，经所述聚焦镜聚焦，经所述第六高反镜反射进入所述相机；

所述二向色性镜到所述分束镜之间的光路与所述分束镜到所述聚焦镜之间的光路垂直，所述聚焦镜到所述第六高反镜之间的光路与所述第六高反镜到所述相机之间的光路垂直。

4.根据权利要求3所述的一种可实时调控能量的微米级高分辨率超快激光加工系统，其特征在于，所述精准定位系统包括：设置在所述控制台上的指示光源、所述第四高反镜、所述第五高反镜、所述二向色性镜、所述分束镜、第七高反镜和第八高反镜，所述第七高反镜与所述第八高反镜的镜面平行相对设置，所述第七高反镜的镜面与所述指示光源的输出端相对设置；

所述精准定位系统用于将所述指示光源发出的指示光依次通过所述第七高反镜、所述第八高反镜、所述分束镜、所述二向色性镜、所述第四高反镜和所述第五高反镜进入所述物镜，快速指示定位样品所需改性部位，通过多角度调节样品固定台上的多个调节钮调节倾斜的角度并实现三维空间的微米级调节，与成像系统配合，快速精准定位焦距于所需加工样品处；

所述指示光到所述第七高反镜之间的光路与所述第七高反镜到所述第八高反镜之间的光路垂直，所述第七高反镜到所述第八高反镜之间的光路与所述第八高反镜到所述分束镜之间的光路垂直。

5.根据权利要求4所述的一种可实时调控能量的微米级高分辨率超快激光加工系统，其特征在于，所述多角度调节样品固定台上设有第一调节钮、第二调节钮、第三调节钮、第四调节钮、第五调节钮和第六调节钮，所述第一调节钮、所述第二调节钮和所述第三调节钮通过弹力被固定在两个转接板之间，所述第四调节钮、所述第五调节钮和所述第六调节钮所调节的方向两两正交；

通过所述第一调节钮、所述第二调节钮和所述第三调节钮的相对位置移动调节倾斜的角度，通过所述第四调节钮、所述第五调节钮和所述第六调节钮进行三维空间的微米级调节，与成像系统配合，快速精准定位焦距于所需加工样品处。

6.根据权利要求1所述的一种可实时调控能量的微米级高分辨率超快激光加工系统，其特征在于，所述激光能量调节系统包括：依次电连接的光电二极管、集成运算放大器、峰值采样电路模块、单片机、步进电机驱动器和步进电机；

所述激光能量调节系统用于将所述超快激光通过所述第一高反镜时的一部分激光进入所述光电二极管，将光强信号转换成电流信号，通过所述集成运算放大器转换成电压信号并进行放大，经过所述峰值采样电路模块的峰值采样后进入所述单片机进行检测，将输入值与检测值进行对比，输出脉冲控制信号到所述步进电机驱动器，驱动所述步进电机转动旋转台，通过所述旋转台上的偏振片的角度变化控制激光能量变化。

7.根据权利要求6所述的一种可实时调控能量的微米级高分辨率超快激光加工系统，其特征在于，所述系统还包括:安全防护系统，所述安全防护系统包括：总电子快门和激光控制联动电子快门，所述总电子快门设置在所述旋转台前方，用于在遇到紧急情况时关闭快门，挡住所述超快激光，实现急停；所述激光控制联动电子快门设置在所述第一高反镜和所述第二高反镜之间，用于在进行激光加工时保持开启状态，其他情况为关闭状态。

8.根据权利要求7所述的一种可实时调控能量的微米级高分辨率超快激光加工系统，其特征在于，所述安全防护系统还包括：依次电连接的所述单片机、光耦和场效应管；

所述安全防护系统用于将逻辑信号输入所述单片机，通过所述光耦控制所述场效应管驱动所述总电子快门和所述激光控制联动电子快门的开启状态或关闭状态。

9.根据权利要求7所述的一种可实时调控能量的微米级高分辨率超快激光加工系统，其特征在于，所述安全防护系统还包括护目镜。

10.根据权利要求8所述的一种可实时调控能量的微米级高分辨率超快激光加工系统，其特征在于，所述激光能量调节系统和所述安全防护系统均包括：三端稳压管，所述三端稳压管设置在所述单片机与电源之间。