CN109732201A - 利用三棱台棱镜进行近4π立体角飞秒激光直写加工的方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了利用三棱台棱镜进行近4π立体角飞秒激光直写加工的方法及其应用，属于激光加工技术领域，本发明通过控制三束全同激光垂直入射到三棱台的三个侧面上，使得这三束飞秒激光在样品内部的待加工平面正交会聚，得到各项同性更好的三光子激发焦点(具有近4π立体角近球型焦点)，从而在根本上解决了单束激光在进行大埋入深度直写加工时的散焦问题。同时结合压电平台和样品运动平台的控制，使得三棱台和样品在Z轴方向同步运动，实现加工深度在样品内部的连续可调，进而获得加工深度连续变化的、性质均一的三维埋入式结构。

Description

利用三棱台棱镜进行近4π立体角飞秒激光直写加工的方法及 其应用

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，具体涉及利用三棱台棱镜进行三光子激发改善飞秒激光大埋入深度直写加工的散焦问题，通过将飞秒激光分成三束并调节三束脉冲在空间和时间上同步，三束子束飞秒激光脉冲正入射到三棱台棱镜侧面改善了飞秒激光内部加工的散焦问题，以实现基于多光子激发原理的加工深度连续可变的的三维埋入式结构的直写加工。

技术背景

激光加工由于具有三维加工能力和低加工成本在微纳加工领域得到广泛应用，但是由于其工作物质是光，光由空气射入材料内部后，由于折射率发生改变，会在材料内部深处产生严重的散焦问题，这种散焦会造成激光焦点的拉长，从而造成加工的波导结构呈椭圆形或者是近乎长条状，这样的波导对于不同偏振的光会有不同的损耗，即使采用增大数值孔径的方法，如采用NA＝1.45的油浸物镜，也会在材料内部存在严重的散焦问题，散焦会导致不同加工深度的波导形状，导光特性不同，目前学术界解决飞秒激光在体材料内部加工所造成的散焦问题一般使用高重频的激光脉冲、柱形透镜光束整形、狭缝光束整形、激光多次扫描、加工应力场损伤线、空间光调制器等方法。这些方法都不能从根本上解决飞秒激光散焦的问题，所以急需一种可以从根本上解决飞秒激光大埋深加工的散焦问题。

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：提供一种利用三棱台棱镜进行近4π立体角飞秒激光直写加工的方法。通过控制三束全同激光垂直入射到三棱台的三个侧面上，使得这三束飞秒激光在样品内部的待加工平面正交会聚，得到各项同性更好的三光子激发焦点(具有近4π立体角近球型焦点)，从而在根本上解决了单束激光在进行大埋入深度直写加工时的散焦问题。同时结合压电平台和样品运动平台的控制，使得三棱台和样品在Z轴方向同步运动，实现加工深度在样品内部的连续可调，进而获得加工深度连续变化的、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：

利用三棱台棱镜进行近4π立体角飞秒激光直写加工的方法，具体步骤如下：

(1)样品台的调平：激光器经过第一凹透镜L₁和第二凸透镜L₂扩束后光斑扩大4倍,然后经过半反半透镜M，经M反射到物镜OL，最终通过物镜将飞秒激光光束聚焦在样品台上的载玻片表面；以载玻片的互相垂直的两条边分别为X轴与Y轴；

调平样品台方法为：首先，通过调节样品台在X轴方向的旋转角，直至利用物镜OL可观察到飞秒激光处于载玻片表面中心位置，利用曝光时间为1ms的激光在坐标为(0，0)，(10cm，0)的X方向扫出一条长度为10cm的线宽为2μm的损伤线；然后，调节Y轴方向的旋转角，直至利用物镜OL可观察到激光处于载玻片表面中心位置，利用曝光时间为1ms的激光在坐标为(0，0)，(0，10cm)的Y方向扫出一条长度为10cm的线宽为2μm的损伤线；在X，Y方向均直写出均匀损伤线，表明样品台已调平，固定样品台；

三棱台棱镜的调平：照明光源R发出的照明光经第三凸透镜L₃会聚，会聚光由下向上透过样品台载玻片和三棱台，第四凸透镜L₄在照相机CCD下收集透过三棱台的光，压电平台PI连接三棱台，最终将三棱台的像呈现在CCD中。

调平三棱台棱镜的的方法为：在调平样品台的基础上，利用照相机CCD观察三棱台和载玻片界面的等厚干涉现象来调平，通过调节压电平台PI高度和水平位置，使CCD视野中不出现等厚干涉纹即可，固定压电平台PI；

(2)飞秒激光扩束和分束：

激光器出射的飞秒激光依次经过第一凹透镜L₁和第二凸透镜L₂扩束后光斑扩大4倍，扩束后的飞秒激光先经过第一个分束器BS₁，分成两束飞秒激光分别经过第二个分束器BS₂和第三个分束器BS₃，在经过第二个分束器BS₂形成了第一子束飞秒激光FL₁、第二子束飞秒激光FL₂，在经过第三个分束器BS₃形成了第三子束飞秒激光FL₃和第四子束飞秒激光FL₄，最终一束飞秒激光分成四束偏振相同的飞秒激光子束称为四束全同飞秒激光子束，分别为第一子束飞秒激光FL₁、第二子束飞秒激光FL₂、第三子束飞秒激光FL₃和第四子束飞秒激光FL₄；其中，FL₁、FL₂和FL₃用于形成三光子激发焦点，FL₄所在光路终端与功率探测装置连接，用于监测整个系统功率的稳定性；

(3)三束子束飞秒激光等光程调节：

具体步骤为：取步骤(2)得到的三束全同飞秒激光子束FL₁，FL₂，FL₃，FL₃依次通过第十四反射镜M₁₄，第十五反射镜M₁₅至第十六反射镜M₁₆，以FL₃所经过的光程为参考光程；FL₁依次通过第一反射镜M₁、第二反射镜M₂、第三反射镜M₃、第四反射镜M₄、第五反射镜M₅、第十反射镜M₁₀至第十一反射镜M₁₁；FL₂依次通过第六反射镜M₆、第七反射镜M₇、第八反射镜M₈、第九反射镜M₉、第十二反射镜M₁₂至第十反射镜M₁₃，调节FL₁和FL₂所经过的反射镜位置，使FL₁和FL₂所经过的光程与FL₃所经过的参考光程相同，即实现了光路的等光程调节；在第十一反射镜M₁₁后放置第五凸透镜L₅用于会聚飞秒激光子束FL₁，在第十三反射镜M₁₃后放置第六凸透镜L₆用于会聚飞秒激光子束FL₂，在第十六反射镜M₁₆后放置第七凸透镜L₇用于会聚飞秒激光子束FL₃。

(4)三束子束飞秒激光功率一致化调节：

具体步骤为：分别在反射镜M₁₁，M₁₃，M₁₆后放置三个功率计P₁，P₂，P₃来分别用于监测FL₁经过第十一反射镜M₁₁的功率P₁，FL₂经过第十三反射镜M₁₃的功率P₂和FL₃经过第十六反射镜M₁₆的功率P₃，在第一反射镜M₁之后加装第一1/2波片W₁和第一偏振分光棱镜PBS₁，在第六反射镜M₆之前加装第二1/2波片W₂和第二偏振分光棱镜PBS₂，在第十四反射镜M₁₄之后加装第三1/2波片W₃和第三偏振分光棱镜PBS₃，1/2波片和偏振分光棱镜是用于调节三束子束飞秒激光FL₁、FL₂和FL₃的功率相等的，分别转动FL₁和FL₂和FL₃所在光路的1/2波片和偏振分光棱镜，观察FL₁和FL₂和FL₃各自的功率计，使三束子束飞秒激光功率相等，即P₁＝P₂＝P₃；在进行空间同步调节和时间同步调节时，保证P₁＝P₂＝P₃；

(5)三束子束飞秒激光脉冲空间同步调节：

具体步骤为：首先，将荧光纸贴于三棱台棱镜的底部，规定三棱台底部等边三角形的平行于Y轴方向的一边所在的侧面为第三侧面，顺时针的下一个侧面为第一侧面，再沿着第一侧面顺时针的下一个侧面为第二侧面，分别调节光路中的第十一反射镜M₁₁与第一个侧面的夹角，使FL₁垂直入射至三棱台棱镜的第一个侧面上，并通过CCD照相机电脑端实时监控，使这束激光聚焦于荧光纸面上的位置G，在电脑中标记G点位置，其中光路中的第五凸透镜L₅用于会聚FL₁；再调节光路中的第十三反射镜M₁₃与第二个侧面的夹角，使FL₂垂直入射至三棱台棱镜的第二个侧面，并通过CCD照相机电脑端实时监控，使焦点会聚在荧光纸面的标记点G，其中光路中的第六凸透镜L₆用于会聚FL₂；最后调节光路中的第十六反射镜M₁₆与第三个侧面的夹角，使FL₃垂直入射至三棱台棱镜的第三个侧面，并通过CCD照相机电脑端实时监控，使焦点会聚在荧光纸面的标记点G，其中光路中的第七凸透镜L₇用于会聚FL₃；通过上述调节，使这三束子束飞秒激光脉冲达到空间同步，形成所需的三光子激发焦点；

(6)三束子束飞秒激光脉冲时间同步脉冲调节：

具体步骤为：首先，取下三棱台棱镜下方的荧光纸，将载玻片置于样品台上，在样品台和三棱台玻璃棱镜间注射折射率匹配液，调节三棱台棱镜和样品台高度使得三束子束飞秒激光会聚形成的三光子激光焦点落在样品表面，然后设置激光器功率为1mJ，在进行时间同步脉冲调节时，使任意单一子束飞秒激光的功率不能在材料表面直写出连续长度为100μm的宽度0.3μm的损伤线；然后，以FL₃所经过的光程作为参考光程，只遮挡FL₂，子束飞秒激光FL₁入射至时间同步反射镜组Ⅰ(M₂-M₃-M₄-M₅)，其中M₂-M₃固定在步进电机K₁上，利用步进电机K₁控制M₂-M₃所在的三维平台的移动，在-5cm≤ΔX₁≤5cm的范围内往复运动进行时间同步调节，观察可否在样品表面激光直写出损伤线，如果不能，继续提高激光器功率(每次50nJ)，重复上述操作，直至当M₂-M₃往复运动到三维平台某一固定位置Q₁时，FL₁和FL₃组成的正交光束会聚后能在载玻片表面X轴方向和Y轴方向分别直写出长为5cm的线宽2μm的损伤线，此时FL₁与FL₃两束脉冲叠加能量达到了激光加工阈值，即达到了FL₁和FL₃脉冲时间同步，固定此位置Q₁；然后，只遮挡FL₁，子束飞秒激光FL₂入射至时间同步反射镜组Ⅱ(M₆-M₇-M₈-M₉)，其中M₆-M₇固定在步进电机K₂上，利用步进电机K₂控制M₆-M₇所在的三维平台的移动，在-5cm≤ΔX₂≤5cm的范围内往复运动进行光程调节，当M₆-M₇往复运动到三维平台某一固定位置Q₂时，FL₂和FL₃组成的正交光束会聚后能在载玻片表面X轴方向和Y轴方向分别直写出长为5cm的线宽2μm的损伤线，此时FL₂与FL₃两束脉冲叠加能量达到了激光加工阈值，即达到了FL₂和FL₃脉冲时间同步，固定此位置Q₂，此时FL₁、FL₂和FL₃脉冲达到时间同步；

(7)三维埋入式结构直写：

具体步骤为：首先，在样品台上放上待加工的体材料，调节样品台和三棱台高度，使得三束子束飞秒激激发焦点位于体材料内部的待加工起始位置；然后，利用样品台和三棱台的升降，改变三光子激发焦点在材料内部的位置，从而进行连续可调的不同深度激光直写加工，最终获得所需三维埋入式结构。

进一步地，步骤(1)所述飞秒激光波长为1030nm，脉冲宽度为100fs；所述三棱台棱镜是从正四面体棱镜切割而来，所述正四面体玻璃棱镜原底面为等边三角形，其边长分别为3cm、3cm、3cm，侧棱长1.6cm，并且在正四面体顶端切去平行于底面的一个小的三角形，其底面等边三角形边长分别为0.5cm、0.5cm、0.5cm，原正四面体会变成三棱台，所述三棱台棱镜放置时，底面覆盖在载玻片表面；所用调平三棱台棱镜的物镜OL的工作距离为5mm，NA＝0.7，放大倍数×40，以样品台所在平面为零平面即Z样品台＝0cm，Z_ccd＝30cm，Z_OL＝5.5cm，Z_R＝-15cm，Z_L3＝-10cm，Z_L4＝25cm，其中，Z表示高度。

进一步地，步骤(3)经过均匀分束后得到四个全同激光子束，其中的一束FL₄用于监测功率稳定性，等光程调节中所用到反射镜摆放如下，M₁、M₂、M₅、M₆和M₉与竖直方向成45°角，M₃、M₄、M₇和M₈与竖直方向成-45°角，M₁、M₂、M₃、M₄、M₅、M₆、M₇、M₈、M₉距光路对称轴的垂直距离依次为60、20、20、40、40、20、20、40、40cm。光线在经过M₅、M₉后与样品表面平行；M₁、M₂、M₃、M₄、M₅、M₆、M₇、M₈、M₉距离样品表面的高度为25cm；M₂-M₃-M₄-M₅组成时间同步反射镜组Ⅰ，其中M₄-M₅用来使经M₃反射出来的FL₁偏转180°，使出射光方向恢复到与原来入射光方向相同的方向，M₆-M₇-M₈-M₉组成时间同步反射镜组Ⅱ，其中M₈-M₉是用来使经M₇反射出来的FL₂偏转180°，使出射光方向恢复到与原来入射光方向相同的方向；M₁₀-M₁₁组成空间同步反射镜组Ⅰ，M₁₂-M₁₃组成空间同步反射镜组Ⅱ，M₁₄-M₁₅组成空间同步反射镜组Ⅲ。

进一步地，步骤(5)所述FL₁对应的空间同步反射镜为第十反射镜M₁₀和第十一反射镜M₁₁，FL₂对应的空间同步反射镜为第十二反射镜M₁₂和第十三反射镜M₁₃，FL₃对应的空间同步反射镜为第十五反射镜M₁₅和第十六反射镜M₁₆，其中，各反射镜到样品中心对称轴距离为X₁₁＝X₁₃＝X₁₆＝25cm，X₁₀＝X₁₂＝X₁₅＝15cm，M₁₀、M₁₂、M₁₅距样品表面均为25cm，M₁₁、M₁₃、M₁₆距样品表面均为15cm；第五凸透镜L₅、第六凸透镜L₆和第七凸透镜L₇，焦距均为15cm，距样品表面高度为10.606cm；脉冲空间同步调节的监控装置为CCD照相机、第四凸透镜L₄和第一物镜OL以及起照明作用的第三凸透镜L₃和光源R；第一物镜物镜OL、CCD照相机和第四凸透镜L₄，第三凸透镜L₃和光源R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Z_ccd＝30cm，Z_OL＝5.5cm，Z_R＝-15cm，Z_L3＝-10cm，Z_L4＝25cm；三束子束飞秒激光经过M₁₀-M₁₁、M₁₂-M₁₃和M₁₅-M₁₆之后与三棱台的三个侧面的呈角为90°角的竖直入射。

进一步地，步骤(6)所述折射率匹配液为美国Cargille公司生产的1.55折射率匹配液，注射剂量50-500μL，所述时间同步反射镜组Ⅰ和时间同步反射镜组Ⅱ水平左右移动的范围ΔX均为-5cm≤ΔX≤5cm，步进电机K₁和步进电机K₂移动的步长为10μm。

进一步地，所述加工埋入深度范围为0—1000μm，所需向上移动样品台和压电平台的距离与加工埋入深度的关系为2H(加工深度)＝H(压电平台系统上移高度)。

进一步地，所述的利用三棱台棱镜辅助三光子激发焦点对材料进行大埋入深度逐点扫描的速度为2mm/s。

发明还提供了利用三棱台棱镜辅助三光子激发进行近4π立体角飞秒激光直写加工在加工量子器件方面的应用，即进行大埋入深度且深度连续可变的的飞秒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。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)、利用三棱台棱镜特殊的几何形状和材料特性，棱镜和体材料可以是同一种物质，这样折射率相同，在二者相关联处加上折射率匹配液，可以实现飞秒激光近似无折射的正交会聚，这种三棱台棱镜辅助辅助三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)、利用三光子激发获得近4π立体角的近球型焦点，有效解决了飞秒激光在进行大埋入深度加工时的散焦问题，从而保证了加工区域的材料性质均一。

(3)、通过控制压电平台和样品平台在竖直方向上同步运动，实现了加工深度连续可调的功能。

附图说明

图1为本发明利用三棱台棱镜辅助三光子激发进行近4π立体角加工可加工加工台调平方式示意图；

图2三棱台调平示意图；其中，L₁-第一凹透镜，L₂-第二凸透镜，L₃-第三凸透镜，L₄-第四凸透镜，M-反射镜，OL-物镜，R-照明光源，CCD-照相机。

图3为本发明的一种利用三棱台棱镜辅助三光子激发进行近4π立体角加工的光路模块示意图；

图中：L₁-第一凹透镜，L₂-第二凸透镜，BS₁-第一分光器，BS₂-第二分光器，BS₃-第三分光器，M₁-第一反射镜，M₁₈-第十八反射镜，W₁-第一1/2波片，PBS₁-第一偏振分束器，W₂-第二1/2波片，PBS₂-第二偏振分束器，W₃-第三1/2波片，PBS₃-第三偏振分束器、时间同步控制模块Ⅰ、时间同步控制模块Ⅱ、空间同步控制模块Ⅰ、空间同步控制模块Ⅱ、空间同步控制模块Ⅲ；

图4为本发明的三棱台的结构示意图；

其中：a为正视图，b为侧视图，c为俯视图；

图5为本发明时间同步控制模块光路示意图；

图中：M₂-第二反射镜，M₃-第三反射镜，M₄-第四反射镜，M₅-第五反射镜，M₆-第六反射镜，M₇-第七反射镜，M₈-第八反射镜，M₉-第九反射镜；

图6为本发明空间同步控制模块光路示意图；

图中：M₁₀-第十反射镜，M₁₁-第十一反射镜，M₁₂-第十二反射镜，M₁₃-第十三反射镜，M₁₅-第十五反射镜，M₁₆-第十六反射镜；

图7为本发明利用三棱台棱镜辅助三光子激发进行近4π立体角加工的光路俯视图；

图8为本发明利用三棱台棱镜辅助三光子激发进行近4π立体角加工的光路正视图；

图9为本发明利用三棱台棱镜辅助三光子激发进行近4π立体角加工的成像光路正视图；

图10为本发明利用三棱台棱镜辅助三光子激发进行近4π立体角加工的成像光路侧视图；

图11为本发明利用三棱台棱镜辅助三光子激发进行近4π立体角加工可加工深度示意图。

具体实施方式

实施例1利用三棱台棱镜将三束子束飞秒激光正交形成三光子激发焦斑。

利用三光子激发“凑”能量的方式替代单一光束加工方式，通过这种方式提供令加工材料改性所需能量。利用样品表面加设三棱台棱镜和折射率匹配液，使激光正入射到三棱台棱镜的三个侧面，于是激光正入射三棱台棱镜和入射样品内部时均不发生折射，三束子束飞秒激光并呈正交会聚，形成具有近4π立体角的近球型焦点，这种方法与单束飞秒激光在进行大埋入深度直写加工时的严重散焦相比，有效克服单束激光内部加工的散焦问题。

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飞秒激光脉冲在空间和时间上达到同步，即空间同步和时间同步。先进行空间同步调节，即利用反射镜控制两束子束飞秒激光左右对称入射于待聚焦平面上同一点。再进行时间同步调节，使分束后的各子束飞秒激光在聚焦于待加工样品表面的时候所走过光程的相同，这样可以加工匀质均一的波导结构。

实现三棱台辅助三光子激发聚焦激光直写具体步骤如下：

(1)样品台和玻璃三棱台棱镜的调平：

飞秒激光波长为1030nm，脉冲宽度为100fs；所述三棱台棱镜是从正四面体棱镜切割而来，棱台底面为等边三角形ΔABC边长分别为3cm、3cm、3cm，棱台侧棱长1.6cm，切去底面等边三角形ΔDEF边长分别为0.5cm、0.5cm、0.5cm，原正四面体会变成三棱台(三棱台具体参数如图3所示)，所述三棱台棱镜放置时，ΔABC面朝下覆盖在载玻片表面。所用调平三棱台棱镜的物镜OL的工作距离为5mm，NA＝0.7，放大倍数×40。图1是样品台调平示意图。首先，使激光器出射的飞秒激光经由第一凹透镜L₁和第一凹透镜L₂进行扩束，将光斑扩大4倍，并依次经由调平反射镜M反射和调平物镜OL聚焦后入射至样品台；然后，在样品台上放上载玻片，以载玻片的互相垂直的两条边为X轴与Y轴，将载玻片固定在样品台上，通过调节样品台X轴转角，直至可观察到激光在载玻片表面的X方向扫出一条起于(10cm，0)点，止于(0，0)点的长为10cm的线宽为2μm的损伤线；然后，调节样品台Y轴转角，直至可观察到激光在载玻片表面的Y方向扫出一条起于(0，10cm)点，止于(0，0)点的长为10cm的线宽为2μm的损伤线，证明样品台调平了。图2是三棱台棱镜调平示意图，将三棱台棱镜固定于压电平台PI上并移动至载玻片上方，通过肉眼判断三棱台底部与样品台上载玻片是否平行并粗略调整角度；接着，打开照明光源R，使光通过第三凸透镜L₃后变成平行光并照亮三棱台棱镜和其下方的载玻片；然后，通过物镜OL收集透过的光并调节压电平台PI水平使CCD照相机视场中不出现等厚干涉条纹，即利用CCD照相机观察三棱台和载玻片界面的等厚干涉现象来调平三棱台，待CCD中无法观察到等候条纹时，代表三棱台已调平；此时，确定下样品台和三棱台的位置，不再调动。

(2)飞秒激光扩束和分束：

所述将1030nm飞秒激光经过第一凹透镜L₁和第二凸透镜L₂扩束后光斑扩大2-4倍，扩束后的飞秒激光先经过第一个分束器BS₁，分成两束飞秒激光分别经过第二个分束器BS₂和第三个分束器BS₃，在经过第二个分束器BS₂形成了第一子束飞秒激光FL₁、第二子束飞秒激光FL₂，在经过第三个分束器BS₃形成了第三子束飞秒激光FL₃和第四子束飞秒激光FL₄(如图2)，分成四束全同飞秒激光子束，分别为第一子束飞秒激光FL₁、第二子束飞秒激光FL₂、第三子束飞秒激光FL₃和第四子束飞秒激光FL₄；其中，FL₁、FL₂和FL₃用于形成三光子激发焦点，FL₄所在光路终端接一个功率探测装置，用于监测整个系统功率的稳定性。

(3)光路等光程调节：

具体步骤为：激光器出射的光经过L₁，L₂扩束，再经BS₁，BS₂，BS₃分束后，得到四束全同飞秒激光子束，取其中的三束全同飞秒激光子束FL₁，FL₂，FL₃，随后FL₃依次通过第十四反射镜M₁₄，第十五反射镜M₁₅至第十六反射镜M₁₆，以FL₃所经过的光程为参考光程，而FL₁依次通过第一反射镜M₁、第二反射镜M₂、第三反射镜M₃、第四反射镜M₄、第五反射镜M₅、第十反射镜M₁₀至第十一反射镜M₁₁，还有FL₂依次通过第六反射镜M₆、第七反射镜M₇、第八反射镜M₈、第九反射镜M₉、第十二反射镜M₁₂至第十反射镜M₁₃，调节FL₁和FL₂所经过的反射镜位置，使FL₁和FL₂所经过的光程与FL₃所经过的参考光程相同，即实现了光路的等光程调节。等光程调节中所用到反射镜摆放如下，M₁、M₂、M₅、M₆和M₉与竖直方向成45°角，M₃、M₄、M₇和M₈与竖直方向成-45°角，M₁、M₂、M₃、M₄、M₅、M₆、M₇、M₈、M₉距光路对称轴的垂直距离依次为60、20、20、40、40、20、20、40、40cm。光线在经过M₅、M₉后与样品表面平行；M₁、M₂、M₃、M₄、M₅、M₆、M₇、M₈、M₉距离样品表面的高度为25cm。在第十一反射镜M₁₁后放置第五凸透镜L₅用于会聚飞秒激光子束FL₁，在第十三反射镜M₁₃后放置第六凸透镜L₆用于会聚飞秒激光子束FL₂，在第十六反射镜M₁₆后放置第七凸透镜L₇用于会聚飞秒激光子束FL₃。第五凸透镜L₅、第六凸透镜L₆和第七凸透镜L₇，焦距均为15cm，距样品表面高度为10.606cm；

(4)功率一致化调节：

调节三束子束飞秒激光功率相同的方法是，首先，分别用三个功率计分别监测FL₁经过第十一个反射镜M₁₁的功率P₁，FL₂经过第十三个反射镜M₁₃的功率P₂和FL₃经过第十六个反射镜M₁₆的功率P₃，在M₂之前加装第一1/2波片W₁和第一偏振分光棱镜PBS₁，M₆之前加装第二1/2波片W₂和第二偏振分光棱镜PBS₂，M₁₄之前加装第三1/2波片W₃和第三偏振分光棱镜PBS₃，通过旋转1/2波片和偏振分光棱镜调节FL₁和FL₂和FL₃的功率，使三束子束飞秒激光功率相等，即P₁＝P₂＝P₃。在进行空间同步调节和时间同步调节的时候，P₁＝P₂＝P₃要时刻满足。

(5)脉冲空间同步调节：

具体步骤为：首先，将荧光纸贴于三棱台棱镜面S_ABC的下部，然后，分别调节光路中的第十一反射镜M₁₁与第一个侧面S_BCFE的夹角，使FL₁垂直入射至三棱台棱镜的第一个侧面S_BCFE上，并通过CCD照相机电脑端实时监控，使这束激光聚焦于荧光纸面点G，在电脑中标记G点，其中光路中的第五凸透镜L₅用于会聚FL₁；再调节光路中的第十三反射镜M₁₃与第二个侧面SACFD的夹角，使FL₂垂直入射至三棱台棱镜的第二个侧面S_ACFD，并通过CCD照相机电脑端实时监控，使焦点会聚在荧光纸面的标记点G，其中光路中的第六凸透镜L₆用于会聚FL₂；最后调节光路中的第十六反射镜M₁₆与第三个侧面S_ADEB的夹角，使FL₃垂直入射至三棱台棱镜的第三个侧面S_ADEB，并通过CCD照相机电脑端实时监控，使焦点会聚在荧光纸面的标记点G，其中光路中的第七凸透镜L₇用于会聚FL₃；通过上述调节，使这三束子束飞秒激光脉冲达到空间同步，形成所需的三光子激发焦点。其中各反射镜到样品中心对称轴距离为X₁₁＝X₁₃＝X₁₆＝25cm，X₁₀＝X₁₂＝X₁₅＝15cm，M₁₀、M₁₂、M₁₅距样品表面均为25cm，M₁₁、M₁₃、M₁₆距样品表面均为15cm；脉冲空间同步调节的监控装置为CCD照相机、第四凸透镜L₄和第一物镜OL以及起照明作用的第三凸透镜L₃和光源R；第一物镜物镜OL、CCD照相机和第四凸透镜L₄，第三凸透镜L₃和光源R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Z_ccd＝30cm，Z_OL＝5.5cm，Z_R＝-15cm，Z_L3＝-10cm，Z_L4＝25cm。三束子束飞秒激光经过M₁₀-M₁₁、M₁₂-M₁₃和M₁₅-M₁₆之后与三棱台的三个侧面的呈角为90°角的竖直入射。

(6)时间同步脉冲调节：

具体步骤为：首先，取下三棱台下方的荧光纸，将载玻片置于样品台上，在样品台和三棱台玻璃棱镜间注射折射率匹配液，调节三棱台棱镜和样品台高度使得三束子束飞秒激光会聚形成的三光子激光焦点落在样品表面，紧接着设置激光器功率为1mJ，在进行时间同步脉冲调节时，以FL₃所经过的光程作为参考光程，只遮挡FL₂，子束飞秒激光FL₁入射至时间同步反射镜组Ⅰ(M₂-M₃-M₄-M₅)，其中M₂-M₃固定在步进电机上，利用步进电机K₁精确控制M₂-M₃所在的三维平台的移动，在ΔX₁为-5cm≤ΔX₁≤5cm的范围往复运动进行光程调节，K₁步进电机移动的步长为10μm。观察可否在表面激光直写出损伤线，如果不能，说明激光功率不够，继续提高激光器功率(每次50nJ)，重复上述操作，直至当M₂-M₃往复运动到三维平台某一固定位置Q₁时，FL₁和FL₃组成的正交光束会聚后能在载玻片表面X轴方向和Y轴方向分别直写出长为10cm的线宽为2μm的损伤线，这说明FL₁与FL₃两束脉冲叠加能量达到了激光加工阈值，即达到了FL₁和FL₃脉冲时间同步，固定此位置Q₁，M₄-M₅是用来使经M₃反射出来的FL₁偏转180°，使出射光方向恢复到与原来入射光方向相同的方向；然后，只遮挡FL₁，子束飞秒激光FL₂入射至时间同步反射镜组Ⅱ(M₆-M₇-M₈-M₉)，其中M₆-M₇固定在步进电机上，利用步进电机K₂精确控制M₆-M₇所在的三维平台的移动，在ΔX₂为-5cm≤ΔX₂≤5cm的范围往复运动进行光程调节，K₂步进电机移动的步长为10μm，当M₆-M₇往复运动到三维平台某一固定位置Q₂时，FL₂和FL₃组成的正交光束会聚后能在载玻片表面X轴方向和Y轴方向分别直写出长为10cm的线宽为2μm的损伤线，这说明FL₂与FL₃两束脉冲叠加能量达到了激光加工阈值，即达到了FL₂和FL₃脉冲时间同步，固定此位置Q₂，M₈-M₉是用来使经M₇反射出来的FL₂偏转180°，使出射光方向恢复到与原来入射光方向相同的方向，通过上述一系列调节，FL₁、FL₂和FL₃脉冲达到时间同步。

这样三束子束飞秒激光经过空间同步和时间同步调节后，叠加得到具有高强度、窄脉宽的三光子激发焦点，实现内部大深度连续可控的飞秒激光加工。

实施例2利用具有近4π立体角三光子激发焦点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间同步以及利用空间同步使三束子束飞秒激光正入射到三棱台棱镜的三个侧面上，避免由于光从不同介质入射带来的折射现象导致的内部散焦问题，且能够在材料内部纵深处获得具有近4π立体角的三光子激发焦点，其能量分布具有近球型的特征，解决了激光加工内部散焦问题。

利用三棱台棱镜辅助三光子激发进行近4π立体角飞秒激光直写加工三维埋入式结构：

(1)样品台和三棱台棱镜的调平；同实施例1。

(2)飞秒激光分束和扩束；同实施例1。

(3)功率一致化调节；同实施例1。

(4)光路等光程调节：同实施例1。

(5)脉冲空间同步调节：同实施例1。

(5)脉冲时间同步调节：同实施例1。

(6)三维埋入式结构直写：首先，要加工埋入深度在200μm—1000μm的结构，需要移动样品和压电平台的距离Z轴ΔZ₁＝100μm—500μm，三束子束光线经过空间同步和时间同步后可以保证三光子激发焦点能准确聚焦于焦点处；然后，利用三光子激发焦点对材料进行大埋入深度且连续可变深度的逐点扫描，最终获得所需三维埋入式波导器件。

Claims (8)

1.利用三棱台棱镜进行近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)样品台的调平：激光器经过第一凹透镜L₁和第二凸透镜L₂扩束后光斑扩大4倍,然后经过半反半透镜M，经M反射到物镜OL，最终通过物镜将飞秒激光光束聚焦在样品台上的载玻片表面；以载玻片的互相垂直的两条边分别为X轴与Y轴；

调平样品台方法为：首先，通过调节样品台在X轴方向的旋转角，直至利用物镜OL可观察到飞秒激光处于载玻片表面中心位置，利用曝光时间为1ms的激光在坐标为(0，0)，(10cm，0)的X方向扫出一条长度为10cm的线宽为2μm的损伤线；然后，调节Y轴方向的旋转角，直至利用物镜OL可观察到激光处于载玻片表面中心位置，利用曝光时间为1ms的激光在坐标为(0，0)，(0，10cm)的的Y方向扫出一条长度为10cm的线宽为2μm的损伤线；在X，Y方向均直写出均匀损伤线，表明样品台已调平，固定样品台；

三棱台棱镜的调平：照明光源R发出的照明光经第三凸透镜L₃会聚，会聚光由下向上透过样品台载玻片和三棱台，第四凸透镜L₄在照相机CCD下收集透过三棱台的光，压电平台PI连接三棱台，最终将三棱台的像呈现在CCD中；

调平三棱台棱镜的的方法为：在调平样品台的基础上，利用照相机CCD观察三棱台和载玻片界面的等厚干涉现象来调平，通过调节压电平台PI高度和水平位置，使CCD视野中不出现等厚干涉纹即可，固定压电平台PI；

(2)飞秒激光扩束和分束：

激光器出射的飞秒激光依次经过第一凹透镜L₁和第二凸透镜L₂扩束后光斑扩大4倍，扩束后的飞秒激光先经过第一个分束器BS₁，分成两束飞秒激光分别经过第二个分束器BS₂和第三个分束器BS₃，在经过第二个分束器BS₂形成了第一子束飞秒激光FL₁、第二子束飞秒激光FL₂，在经过第三个分束器BS₃形成了第三子束飞秒激光FL₃和第四子束飞秒激光FL₄，最终一束飞秒激光分成四束偏振相同的飞秒激光子束称为四束全同飞秒激光子束，分别为第一子束飞秒激光FL₁、第二子束飞秒激光FL₂、第三子束飞秒激光FL₃和第四子束飞秒激光FL₄；其中，FL₁、FL₂和FL₃用于形成三光子激发焦点，FL₄所在光路终端与功率探测装置连接，用于监测整个系统功率的稳定性；

(3)三束子束飞秒激光等光程调节：

具体步骤为：取步骤(2)得到的三束全同飞秒激光子束FL₁，FL₂，FL₃，FL₃依次通过第十四反射镜M₁₄，第十五反射镜M₁₅至第十六反射镜M₁₆，以FL₃所经过的光程为参考光程；FL₁依次通过第一反射镜M₁、第二反射镜M₂、第三反射镜M₃、第四反射镜M₄、第五反射镜M₅、第十反射镜M₁₀至第十一反射镜M₁₁；FL₂依次通过第六反射镜M₆、第七反射镜M₇、第八反射镜M₈、第九反射镜M₉、第十二反射镜M₁₂至第十反射镜M₁₃，调节FL₁和FL₂所经过的反射镜位置，使FL₁和FL₂所经过的光程与FL₃所经过的参考光程相同，即实现了光路的等光程调节；在第十一反射镜M₁₁后放置第五凸透镜L₅用于会聚飞秒激光子束FL₁，在第十三反射镜M₁₃后放置第六凸透镜L₆用于会聚飞秒激光子束FL₂，在第十六反射镜M₁₆后放置第七凸透镜L₇用于会聚飞秒激光子束FL₃。

(4)三束子束飞秒激光功率一致化调节：

具体步骤为：分别在反射镜M₁₁，M₁₃，M₁₆后放置三个功率计P₁，P₂，P₃来分别用于监测FL₁经过第十一反射镜M₁₁的功率P₁，FL₂经过第十三反射镜M₁₃的功率P₂和FL₃经过第十六反射镜M₁₆的功率P₃，在第一反射镜M₁之后加装第一1/2波片W₁和第一偏振分光棱镜PBS₁，在第六反射镜M₆之前加装第二1/2波片W₂和第二偏振分光棱镜PBS₂，在第十四反射镜M₁₄之后加装第三1/2波片W₃和第三偏振分光棱镜PBS₃，1/2波片和偏振分光棱镜是用于调节三束子束飞秒激光FL₁、FL₂和FL₃的功率相等的，分别转动FL₁和FL₂和FL₃所在光路的1/2波片和偏振分光棱镜，观察FL₁和FL₂和FL₃各自的功率计，使三束子束飞秒激光功率相等，即P₁＝P₂＝P₃；在进行空间同步调节和时间同步调节时，保证P₁＝P₂＝P₃；

(5)三束子束飞秒激光脉冲空间同步调节：

具体步骤为：首先，将荧光纸贴于三棱台棱镜的底部，规定三棱台底部等边三角形的平行于Y轴方向的一边所在的侧面为第一侧面，顺时针的下一个侧面为第二侧面，再沿着第二侧面顺时针的下一个侧面为第三侧面，分别调节光路中的第十一反射镜M₁₁与第一个侧面的夹角，使FL₁垂直入射至三棱台棱镜的第一个侧面上，并通过CCD照相机电脑端实时监控，使这束激光聚焦于荧光纸面上的位置G，在电脑中标记G点位置，其中光路中的第五凸透镜L₅用于会聚FL₁；再调节光路中的第十三反射镜M₁₃与第二个侧面的夹角，使FL₂垂直入射至三棱台棱镜的第二个侧面，并通过CCD照相机电脑端实时监控，使焦点会聚在荧光纸面的标记点G，其中光路中的第六凸透镜L₆用于会聚FL₂；最后调节光路中的第十六反射镜M₁₆与第三个侧面的夹角，使FL₃垂直入射至三棱台棱镜的第三个侧面，并通过CCD照相机电脑端实时监控，使焦点会聚在荧光纸面的标记点G，其中光路中的第七凸透镜L₇用于会聚FL₃；通过上述调节，使这三束子束飞秒激光脉冲达到空间同步，形成所需的三光子激发焦点；

(6)三束子束飞秒激光脉冲时间同步脉冲调节：

具体步骤为：首先，取下三棱台棱镜下方的荧光纸，将载玻片置于样品台上，在样品台和三棱台玻璃棱镜间注射折射率匹配液，调节三棱台棱镜和样品台高度使得三束子束飞秒激光会聚形成的三光子激光焦点落在样品表面，然后设置激光器功率为1mJ，在进行时间同步脉冲调节时，使任意单一子束飞秒激光的功率不能在材料表面直写出连续长度为100μm的宽度0.3μm的损伤线；然后，以FL₃所经过的光程作为参考光程，只遮挡FL₂，子束飞秒激光FL₁入射至时间同步反射镜组Ⅰ(M₂-M₃-M₄-M₅)，其中M₂-M₃固定在步进电机K₁上，利用步进电机K₁控制M₂-M₃所在的三维平台的移动，在-5cm≤ΔX₁≤5cm的范围内往复运动进行时间同步调节，观察可否在样品表面激光直写出损伤线，如果不能，继续提高激光器功率(每次50nJ)，重复上述操作，直至当M₂-M₃往复运动到三维平台某一固定位置Q₁时，FL₁和FL₃组成的正交光束会聚后能在载玻片表面X轴方向和Y轴方向分别直写出长为5cm的线宽2μm的损伤线，此时FL₁与FL₃两束脉冲叠加能量达到了激光加工阈值，即达到了FL₁和FL₃脉冲时间同步，固定此位置Q₁；然后，只遮挡FL₁，子束飞秒激光FL₂入射至时间同步反射镜组Ⅱ(M₆-M₇-M₈-M₉)，其中M₆-M₇固定在步进电机K₂上，利用步进电机K₂控制M₆-M₇所在的三维平台的移动，在-5cm≤ΔX₂≤5cm的范围内往复运动进行光程调节，当M₆-M₇往复运动到三维平台某一固定位置Q₂时，FL₂和FL₃组成的正交光束会聚后能在载玻片表面X轴方向和Y轴方向分别直写出长为5cm的线宽2μm的损伤线，此时FL₂与FL₃两束脉冲叠加能量达到了激光加工阈值，即达到了FL₂和FL₃脉冲时间同步，固定此位置Q₂，此时FL₁、FL₂和FL₃脉冲达到时间同步；

(7)三维埋入式结构直写：

具体步骤为：首先，在样品台上放上待加工的体材料，调节样品台和三棱台高度，使得三束子束飞秒激激发焦点位于体材料内部的待加工起始位置；然后，利用样品台和三棱台的升降，改变三光子激发焦点在材料内部的位置，从而进行连续可调的不同深度激光直写加工，最终获得所需三维埋入式结构。

2.如权利要求1所述的利用三棱台棱镜进行近4π立体角飞秒激光直写加工的方法，其特征在于，步骤(1)所述飞秒激光波长为1030nm，脉冲宽度为100fs；所述三棱台棱镜是从正四面体棱镜切割而来，所述正四面体玻璃棱镜原底面为等边三角形，其边长分别为3cm、3cm、3cm，侧棱长1.6cm，并且在正四面体顶端切去平行于底面的一个小的三角形，其底面等边三角形边长分别为0.5cm、0.5cm、0.5cm，原正四面体会变成三棱台，所述三棱台棱镜放置时，底面覆盖在载玻片表面；所用调平三棱台棱镜的物镜OL的工作距离为5mm，NA＝0.7，放大倍数×40，以样品台所在平面为零平面即Z样品台＝0cm，Z_ccd＝30cm，ZOL＝5.5cm，ZR＝-15cm，ZL3＝-10cm，ZL4＝25cm，其中，Z表示高度。

3.如权利要求1所述的利用三棱台棱镜进行近4π立体角飞秒激光直写加工的方法，其特征在于，步骤(3)经过均匀分束后得到四个全同激光子束，其中的一束FL₄用于监测功率稳定性，等光程调节中所用到反射镜摆放如下，M₁、M₂、M₅、M₆和M₉与竖直方向成45°角，M₃、M₄、M₇和M₈与竖直方向成-45°角，M₁、M₂、M₃、M₄、M₅、M₆、M₇、M₈、M₉距光路对称轴的垂直距离依次为60、20、20、40、40、20、20、40、40cm。光线在经过M₅、M₉后与样品表面平行；M₁、M₂、M₃、M₄、M₅、M₆、M₇、M₈、M₉距离样品表面的高度为25cm；M₂-M₃-M₄-M₅组成时间同步反射镜组Ⅰ，其中M₄-M₅用来使经M₃反射出来的FL₁偏转180°，使出射光方向恢复到与原来入射光方向相同的方向，M₆-M₇-M₈-M₉组成时间同步反射镜组Ⅱ，其中M₈-M₉是用来使经M₇反射出来的FL₂偏转180°，使出射光方向恢复到与原来入射光方向相同的方向；M₁₀-M₁₁组成空间同步反射镜组Ⅰ，M₁₂-M₁₃组成空间同步反射镜组Ⅱ，M₁₄-M₁₅组成空间同步反射镜组Ⅲ。

4.如权利要求1所述的利用三棱台棱镜进行近4π立体角飞秒激光直写加工的方法，其特征在于，步骤(5)所述FL₁对应的空间同步反射镜为第十反射镜M₁₀和第十一反射镜M₁₁，FL₂对应的空间同步反射镜为第十二反射镜M₁₂和第十三反射镜M₁₃，FL₃对应的空间同步反射镜为第十五反射镜M₁₅和第十六反射镜M₁₆，其中，各反射镜到样品中心对称轴距离为X₁₁＝X₁₃＝X₁₆＝25cm，X₁₀＝X₁₂＝X₁₅＝15cm，M₁₀、M₁₂、M₁₅距样品表面均为25cm，M₁₁、M₁₃、M₁₆距样品表面均为15cm；第五凸透镜L₅、第六凸透镜L₆和第七凸透镜L₇，焦距均为15cm，距样品表面高度为10.606cm；脉冲空间同步调节的监控装置为CCD照相机、第四凸透镜L₄和第一物镜OL以及起照明作用的第三凸透镜L₃和光源R；第一物镜物镜OL、CCD照相机和第四凸透镜L₄，第三凸透镜L₃和光源R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Z_ccd＝30cm，ZOL＝5.5cm，ZR＝-15cm，ZL3＝-10cm，ZL4＝25cm；三束子束飞秒激光经过M₁₀-M₁₁、M₁₂-M₁₃和M₁₅-M₁₆之后与三棱台的三个侧面的呈角为90°角的竖直入射。

5.如权利要求1所述的利用三棱台棱镜进行近4π立体角飞秒激光直写加工的方法，其特征在于，步骤(6)所述折射率匹配液为美国Cargille公司生产的1.55折射率匹配液，注射剂量50-500μL，所述时间同步反射镜组Ⅰ和时间同步反射镜组Ⅱ水平左右移动的范围ΔX均为-5cm≤ΔX≤5cm，步进电机K₁和步进电机K₂移动的步长为10μm。

6.如权利要求1所述的利用三棱台棱镜进行近4π立体角飞秒激光直写加工的方法，其特征在于，所述加工埋入深度范围为0—1000μm，所需向上移动样品台和压电平台的距离与加工埋入深度的关系为2H(加工深度)＝H(压电平台系统上移高度)。

7.如权利要求1所述的利用三棱台棱镜进行近4π立体角飞秒激光直写加工的方法，其特征在于，所述的利用三棱台棱镜辅助三光子激发焦点对材料进行大埋入深度逐点扫描的速度为2mm/s。

8.如权利要求1所述的利用三棱台棱镜进行近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。