CN110727042A - 一种超快激光直写制备光栅的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超快激光直写制备光栅的装置及方法，涉及激光加工光栅领域，激光器发出的激光束经扩束系统扩束后经聚焦系统进行聚集后辐照在工件上；激光束先经凹透镜发散后再经凸透镜将光束变成平行光束；所述聚焦透镜包括数个聚焦透镜；该方法包括通过使用平凹镜和平凸镜，对激光束进行扩束，扩束后的平行激光在通过聚焦系统时，聚焦系统包括多个聚焦透镜，激光被分别聚焦，形成多个焦点；根据多个聚焦透镜的焦距相同与不同，分为两种。一种是焦距相同，焦点在同一水平线上，可以直写简单周期光栅；另一种是焦距不同，焦点不在同一水平线上，可以直写复杂周期光栅。本发明克服了多光束激光干涉不易制备微米级光栅和单光束直写效率低的问题。

Description

一种超快激光直写制备光栅的装置及方法
技术领域
本发明涉及激光加工光栅领域，尤其涉及到一种超快激光直写制备光栅的装置。
背景技术
光栅作为一种重要的衍射光学元件，广泛应用在地球地理勘测、地震观测、海洋研究、航天器测温、3D照相技术、光声成像、太阳能电池等诸多领域。目前常见的的光栅制备方法有机械刻划法、电子束曝光法、聚焦离子束刻蚀法、光学刻蚀法、激光直写法等。
机械刻划法是一种利用刻刀在材料表面进行定向加工的方法，这种方法加工光栅的时候，对刻刀的要求非常高，需要刀锋锐、高硬度、耐磨损、耐高温、抗腐蚀等，一般使用的是金刚石刀具。机械刻划法存在很多缺点，如刻刀粗糙度易受影响，精确定位困难，对温度、湿度等周围环境因素要求高。
电子束曝光法是利用计算机控制电子束成像电镜和偏转系统，得到高能的电子束流，然后轰击涂有高分辨率和高灵敏度化学抗蚀剂的基片，形成抗蚀剂图形，再将图形转移到基片上的一种制备光栅结构的方法。电子束曝光技术的缺点明显，所需要的的制备设备价格相当昂贵，运行维护费用高，效率低下，不利于大面积光栅的生产。
离子束刻蚀法是制备高质量光栅的方法之一，可用于制备闪耀光栅，该技术是利用具有一定能量的离子束轰击具有掩模图形的固体材质表面，从而将材料表面剥落，从而将掩模上面的图形转移到固体材质表面的一种光栅加工技术。离子束刻蚀过程中损伤问题严重，要求高真空环境，成本较高，加工速度较低，加工的结构面积小，设备要求高，工艺复杂，周期较长。
上述光栅制备方法存在诸多问题，光栅直写法可以克服这些问题，制备高精密光栅。激光直写法可分为单光束直写和干涉直写法，干涉直写通过激光干涉形成多个焦点，因此刻写速度较快，但干涉直写法制备的光栅周期尺寸在纳米级别，光栅尺寸较小，因此制备微米级别的光栅一般采用单光束直写。但单光束直写效率低，加工精度低，需要发展一种刻写效率高、适用于微米级光栅的直写方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多光束、快速、高效制备光栅的装置，该方法利用扩束系统和聚焦系统产生多束平行且焦点不同的激光，同时直写，形成光栅结构。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种超快激光直写制备光栅的装置，包括激光系统、扩束系统和聚焦系统；所述激光系统发出的激光束经扩束系统扩束后经聚焦系统进行聚集后辐照在工件上；所述扩束系统包括凹透镜和凸透镜，激光束先经凹透镜发散后再经凸透镜将光束变成平行光束；所述聚焦透镜包括数个聚焦透镜；所述工件可实现XYZ方向的移动。
进一步的，数个所述聚焦透镜分布在同一水平面上。
进一步的，数个所述聚焦透镜焦距相同或者不同。
进一步的，所述工件放置在精密工作台上，在计算机控制系统的控制下，精密工作台带动工件运动。
进一步的，所述激光器为皮秒激光器或者飞秒激光器。
进一步的，所述聚焦透镜有5个，5个聚焦透镜焦距相同，从而在工件上刻出深度相同的光栅。
进一步的，所述聚焦透镜有5个，5个聚焦透镜聚焦均不相同，从而在工件上刻出深度均不同的光栅。
进一步的，激光器包括超快激光光源、光闸、激光光束整形器、衰减片、偏振片和孔径光阑。
进一步的，所述凹透镜和凸透镜分别为平凹镜和平凸镜。
一种超快激光直写制备光栅的方法，包括如下步骤：
步骤一：选取波长1030nm的飞秒激光器作为光源，设计好所需光栅的参数，如周期35μm、刻槽深度20μm、刻槽形状为矩形、制备光栅面积为40mm×40mm；
步骤二：根据设计的光栅参数，选取聚焦系统：刻写简单周期光栅，考虑选择安装相同焦距的聚焦透镜个数和聚焦透镜焦距；刻写复杂周期光栅，考虑选择安装不同焦距的聚焦透镜个数、每个聚焦透镜焦距和不同聚焦透镜的排列顺序；
步骤三：根据设计，调节光束整形器，选取π—shaper整形器将高斯光转变为矩形波；选取1/4波片调节激光为线偏振光；
步骤四：选择加工材料，考虑到材料表面质量对光栅制备影响较大，选取50mm×50mm尺寸面积的抛光单晶硅片作为实验材料；
步骤五：把待加工单晶硅材料放置于微米级精密加工平台上，控制计算机，调节加工平台，使材料处于激光焦点处；
步骤六：设置刻写参数，激光脉冲能量90mW、脉冲频率50kHZ、刻写速度100mm/s；
步骤七：打开激光器和光闸，使激光依次通过π—shaper光束整形器、衰减片、1/4波片、光阑、反光镜，到达由平凹镜和平凸镜组成的光束扩束系统，扩束后得到的平行光穿过有多个聚焦透镜组成的聚焦系统后，聚焦于工件表面以100mm/s速度开始刻写；
步骤八：得到所需光栅结构。
本发明的技术效果：
本发明利用多个聚焦透镜，实现多束激光聚焦于材料表面，通过相同聚焦透镜形成多束激光同时刻写，来实现高效刻写简单结构光栅；通过不同聚焦透镜形成多束激光同时刻写，来实现高效刻写复杂结构光栅。本发明多焦点同时刻写，提高了刻写速度，缩短了刻写时间，方便复杂结构光栅的刻写。
附图说明
图1是本发明基于激光多光束直写装置结构图；
图2是扩束系统结构原理图；
图3是多光束聚焦系统平面显示图；
图4是由相同焦距的聚焦透镜下，多光束聚焦原理图；
图5是由不同焦距的聚焦透镜下，多光束聚焦原理图；
图6是由相同焦距的聚焦透镜下，多光束直写简单结构光栅原理图；
图7是由不同焦距的聚焦透镜下，多光束直写复杂结构光栅原理图。
附图标记如下：
1-超快激光光源、2-光闸、3-激光光束整形器、4-衰减片、5-偏振片、6-孔径光阑、7-反射镜、8-扩束系统、9-聚焦系统、10-工件、11-精密工作台、12-计算机控制系统；13-凹凸镜；14-凸透镜。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面首先结合附图具体描述根据本发明实施例的
一种超快激光直写制备光栅的装置，包括激光系统、扩束系统8和聚焦系统9；所述激光系统发出的激光束经扩束系统8扩束后经聚焦系统9聚集后辐照在工件10上；所述扩束系统8包括凹透镜13和凸透镜14，激光束先经凹透镜13发散后再经凸透镜14将光束变成平行光束；所述聚焦透镜9包括数个聚焦透镜；所述工件10可实现XYZ方向的移动；数个所述聚焦透镜分布在同一水平面上，数个所述聚焦透镜焦距相同或者不同；
所述聚焦透镜有5个，5个聚焦透镜焦距相同，从而在工件10上刻出深度相同的光栅；所述聚焦透镜有5个，5个聚焦透镜聚焦均不相同，从而在工件10上刻出深度均不同的光栅。
皮秒激光器或者飞秒激光器，具有脉冲时间短、峰值能量高、热影响区小等特点，在材料加工中，能有效提高加工质量；激光光束整形器3可以根据所需，改变光束形状，获得刻写光栅所需光栅的波形。使用偏振片，可以灵活改变刻写激光的偏振特性，可以选择线偏振和圆偏振。扩束系统8包括平凹镜和平凸镜，小直径的平行光束经过平凹镜被发散，然后使用平凸镜把经过平凹镜发散的光束变为大直径平行光束。激光直径通过改变平凹镜和平凸镜距离来调节。
使用激光直写技术在材料表面制备光栅，效率高、无污染、不需要掩模、不需要激光干涉。聚焦系统9采用多个焦距相同的聚焦透镜对扩束后形成的大直径光束进行聚焦，得到多个在同一水平线上的焦点，刻写形成简单周期性光栅结构；采用多个焦距不同的聚焦透镜对扩束后形成的大直径光束进行聚焦，得到多个不在同一水平线上的焦点，刻写具有复杂结构的光栅。
结合附图1所示，所述激光器为皮秒激光器或者飞秒激光器；激光系统包括超快激光光源1、光闸2、激光光束整形器3、衰减片4、偏振片5和孔径光阑6；所述凹透镜13和凸透镜14分别为平凹镜和平凸镜。
结合附图3所示，多光束聚焦系统平面显示图。图中，从左到右依次填充有JIS_LC、PLAST、ZIGZAG、HOUND、ANSI34图案的五个方框，也可以是多个，根据需要设计透镜个数，这五个方框为放置聚焦透镜的位置，未作图案填充的部分没有放置聚焦透镜，也可以设置成不透光，结合附图2所示扩束系统8扩束后得到的平行光束，经过附图3所示填充有JIS_LC、PLAST、ZIGZAG、HOUND、ANSI34图案的五个方框的聚焦系统9中的聚焦透镜，被扩束的激光分别被聚焦，形成五束彼此相对独立的激光束，五束激光分别作用在材料上。
结合附图4所示，相同焦距的聚焦透镜下，多光束聚焦原理图。在填充有JIS_LC、PLAST、ZIGZAG、HOUND、ANSI34图案的五个方框中，放置相同焦距的聚焦透镜。激光在经过附图2所示扩束系统被扩束后，平行的激光光束A经过填充有JIS_LC、PLAST、ZIGZAG、HOUND、ANSI34图案的五个方框所在的聚焦系统B，形成五个在同一水平的焦点，分别记为焦点I、II、III、IV、V。
结合附图5所示，不同焦距的聚焦透镜下，多光束聚焦原理图。在填充有JIS_LC、PLAST、ZIGZAG、HOUND、ANSI34图案的五个方框中，放置不同焦距的聚焦透镜。激光在经过附图2所示扩束系统被扩束后，平行的激光光束C经过填充有JIS_LC、PLAST、ZIGZAG、HOUND、ANSI34图案的五个方框所在的聚焦系统D，形成五个不在同一水平的焦点，分别记为焦点VI、VII、VIII、IX、X。
结合附图6所示，相同焦距的聚焦透镜下，多光束直写简单结构光栅原理图。由图4所示聚焦于同一水平线上的五个焦点I、II、III、IV、V，同时作用于材料表面，以相同速度刻写材料，相同时间内，可以刻写出五个相等间距、相同槽型刻蚀线条，即五个光栅周期，结合附图6所示虚线框①，分别记为a、b、c、d、e。图中展示了2次刻写出的10个光栅周期。相同时间下，效率是正常单焦点刻写的五倍，提高了刻写效率。
结合附图7所示，不同焦距的聚焦透镜下，多光束直写多复杂结构光栅原理图。由图5所示聚焦在不同水平线上的五个焦点VI、VII、VIII、IX、X，同时作用于材料表面，以相同速度刻写材料，相同时间内，可以刻写出五个相等间距、不同深度的线条，即1个光栅周期包括五个不同刻写线条，结合图7虚线框③,分别记为f、r、h、i、k。图中展示了2次刻写出的2个复杂结构光栅。避免了多次改变离焦量和减少了刻写时间，提高了刻写效率。
获得一种超快激光直写制备光栅，步骤为：
步骤一：选取波长1030nm的飞秒激光作为光源，设计好所需光栅的参数，如周期35μm、刻槽深度20μm、刻槽形状为矩形，制备光栅面积为40mm×40mm；
步骤二：根据设计的光栅参数，选取聚焦系统，包括：刻写简单周期光栅，考虑选择安装相同焦距的聚焦透镜个数和聚焦透镜焦距；刻写复杂周期光栅，考虑选择安装不同焦距的聚焦透镜个数、每个聚焦透镜焦距和不同聚焦透镜的排列顺序。
步骤三：根据设计，调节光束整形器，选取π—shaper整形器将高斯光转变为矩形波；选取1/4波片调节激光为线偏振光；
步骤四：选择加工材料，考虑到材料表面质量对光栅制备影响较大，选取50mm×50mm尺寸面积的抛光单晶硅片作为实验材料；
步骤五：把待加工单晶硅材料放置于微米级精密加工平台上，控制计算机，调节加工平台，使材料处于激光焦点处；
步骤六：设置刻写参数，激光脉冲能量90mW、脉冲频率50kHZ、刻写速度100mm/s；
步骤七：打开激光器和光闸，使激光依次通过π—shaper光束整形器、衰减片、1/4波片、光阑、反光镜，到达由平凹镜和平凸镜组成的光束扩束系统，扩束后得到的平行光穿过有多个聚焦透镜组成的聚焦系统后，聚焦于工件表面以100mm/s速度开始刻写，
步骤八：得到所需光栅结构。
实验中可以选择波长为1030nm的激光器作为激光光源；光闸的作用是控制激光通断；光束整形器的作用是控制激光束的形状，如π—shaper整形器可以将高斯光转变为矩形分布，保证光束光强均匀分布；偏振片控制激光的振动面只限于某一固定方向，常用1/4波片得到线偏振光；孔径光阑的作用是滤掉激光外围的能量。
具体包括以下步骤：
1)根据需要刻写的光栅面积大小，选取合适的高精度抛光材料，如制备40mm×40mm光栅，选取50mm×50mm尺寸面积的抛光单晶硅片作为实验材料；
2利用聚焦系统将激光聚焦到单晶硅材料表面；
3在计算机软件上设置好相应的激光能量、脉冲频率、扫描速度、离焦量等参数；
4)让刻写光路保持畅通，点击开关，开始出光，进行光栅结构的刻写；
5)当刻写结束，关闭出光，调节激光头到相应位置，取出光栅成品。
所述的在不同焦距的聚焦透镜下，基于激光多光束直写制备光栅的方法，具体包括以下步骤：
1)根据需要刻写的光栅面积大小，选取合适面积的高精度抛光材料，如制备40mm×40mm光栅，选取50mm×50mm尺寸面积的抛光单晶硅片作为实验材料；
2)利用聚焦系统将焦距最大透镜焦点聚焦到单晶硅材料表面；
3)在计算机软件上设置好相应的激光能量、脉冲频率、扫描速度、离焦值等参数；
4)让刻写光路保持畅通，点击开关，开始出光，进行光栅结构的刻写；
5)当刻写结束，关闭出光，调节激光头到相应位置，取出光栅成品。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种超快激光直写制备光栅的装置，其特征在于，包括激光系统、扩束系统(8)和聚焦系统(9)；所述激光系统发出的激光束经扩束系统(8)扩束后经聚焦系统(9)进行聚集后辐照在工件(10)上；所述扩束系统(8)包括凹透镜(13)和凸透镜(14)，激光束先经凹透镜(13)发散后再经凸透镜(14)将光束变成平行光束；所述聚焦系统(9)包括数个聚焦透镜；所述工件(10)可实现XYZ方向的移动。
2.根据权利要求1所述的超快激光直写制备光栅的装置，其特征在于，数个所述聚焦透镜分布在同一水平面上。
3.根据权利要求2任一项所述的超快激光直写制备光栅的装置，其特征在于，数个所述聚焦透镜焦距相同或者不同。
4.根据权利要求1所述的超快激光直写制备光栅的装置，其特征在于，所述工件(10)放置在精密工作台(11)上，在计算机控制系统(12)的控制下，精密工作台(11)带动工件(10)运动。
5.根据权利要求1所述的超快激光直写制备光栅的装置，其特征在于，所述激光器为皮秒激光器或者飞秒激光器。
6.根据权利要求3所述的超快激光直写制备光栅的装置，其特征在于，所述聚焦透镜有5个，5个聚焦透镜焦距相同，从而在工件(10)上刻出深度相同的光栅。
7.根据权利要求3所述的超快激光直写制备光栅的装置，其特征在于，所述聚焦透镜有5个，5个聚焦透镜聚焦均不相同，从而在工件(10)上刻出深度均不同的光栅。
8.根据权利要求1所述的超快激光直写制备光栅的装置，其特征在于，激光系统包括超快激光光源(1)、光闸(2)、激光光束整形器(3)、衰减片(4)、偏振片(5)和孔径光阑(6)。
9.根据权利要求1所述的超快激光直写制备光栅的装置，其特征在于，所述凹透镜(13)和凸透镜(14)分别为平凹镜和平凸镜。
10.一种超快激光直写制备光栅的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：选取波长1030nm的飞秒激光器作为光源，设计好所需光栅的参数，如周期35μm、刻槽深度20μm、刻槽形状为矩形，制备光栅面积为40mm×40mm；
步骤二：根据设计的光栅参数，选取聚焦系统(9)，包括：刻写简单周期光栅，考虑选择安装相同焦距的聚焦透镜个数和聚焦透镜焦距；刻写复杂周期光栅，考虑选择安装不同焦距的聚焦透镜个数、每个聚焦透镜焦距和不同聚焦透镜的排列顺序；
步骤三：根据设计，调节光束整形器，选取π—shaper整形器将高斯光转变为矩形波；选取1/4波片调节激光为线偏振光；
步骤四：选择加工材料，考虑到材料表面质量对光栅制备影响较大，选取50mm×50mm尺寸面积的抛光单晶硅片作为实验材料；
步骤五：把待加工单晶硅材料放置于微米级精密加工平台上，控制计算机，调节加工平台，使材料处于激光焦点处；
步骤六：设置刻写参数，激光脉冲能量90mW、脉冲频率50kHZ、刻写速度100mm/s；
步骤七：打开激光光源和光闸，使激光依次通过π—shaper光束整形器、衰减片、1/4波片、光阑、反光镜，到达由平凹镜和平凸镜组成的光束扩束系统，扩束后得到的平行光穿过有多个聚焦透镜组成的聚焦系统后，聚焦于工件表面以100mm/s速度开始刻写；
步骤八：得到所需光栅结构。
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