CN110966930B - 飞秒激光加工形态参数时间分辨差动共焦测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种飞秒激光加工形态参数时间分辨差动共焦测量方法及装置，属于飞秒激光加工检测领域。本发明利用连续激光差动共焦光路对材料表面进行轴向精确定位，利用飞秒激光对材料进行加工，并利用不同延迟时间的飞秒激光对材料的形态参数进行探测，使用差动共焦光路探测该不同延迟时间的飞秒激光反射信号，对该信号解调得到轴向位置。重复上述“连续激光差动共焦定位‑飞秒激光加工‑延迟飞秒激光差动共焦探测”过程，能够获得飞秒激光加工中材料的轴向去除量随时间的变化量，实现飞秒激光高精度加工材料形态参数的时间分辨测量，提高飞秒激光加工的可控性和样品的加工质量，对于提高飞秒加工精度、加工质量和加工过程的可控性具有重要意义。

Description

飞秒激光加工形态参数时间分辨差动共焦测量方法及装置

技术领域

本发明涉及一种飞秒激光加工形态参数时间分辨差动共焦测量方法及装置,属于飞秒激光加工检测领域。

背景技术

飞秒激光加工技术，利用激光脉冲的紧聚焦“焦点”与材料发生非线性作用，诱导光物理、光化学变化，实现了微纳器件结构的加工制造，因其具有加工精细度高、材料适应性广等显著优势而备受关注。

在飞秒激光对材料进行去除加工时，对材料的瞬时形态变化中的非线性效应、尺度效应等缺乏有效监测手段，例如：当飞秒加工的工艺参数尺度、时间尺度和空间几何尺度减小时，其加工特性与按比例推导出的预测值存在较大偏差，即“尺度效应”。对飞秒激光加工中的尺度效应等形态变化过程认识的不足严重制约了加工形状精度、尺寸精度和表面质量提高。因此，监测飞秒加工中材料去除时的瞬时形态变化、研究飞秒激光与材料相互作用的去除过程，对于揭示飞秒激光非线性加工的作用机理及其演化规律、提高微细结构飞秒激光加工精度的可控性具有重要意义。

然而，飞秒激光对材料的去除加工时间过程极短，目前测量手段无法获得瞬时的材料形态变化，现有测量手段仍然基于传统测量技术，如：基于激光三角位移传感器轴向监测、背向相干层析监测、光学相干层析监测等方法，其分辨力均在亚微米级；基于共焦的测量技术在飞秒激光加工中具有极高的应用潜力，共焦或差动共焦轴向监测手段具有纳米级的轴向分辨力，且具备较高的定焦精度和测量稳定性，例如专利CN108286936A公开的一种激光微纳加工差动共焦在线监测一体化方法与装置，解决了飞秒激光加工过程中的漂移问题、高精度实时定焦问题以及飞秒激光加工样品的在线检测问题，但该发明的测量对象仍然是宏观时间尺度上的样品形态，无法监测材料去除时的瞬时形态变化过程。

发明内容

本发明的目的是为了获得飞秒加工中材料去除时的瞬时形态参数变化过程并由此提高飞秒加工过程的可控性，提出一种飞秒激光加工形态参数时间分辨差动共焦测量方法及装置。本发明将飞秒脉冲激光分束为加工光和探测光，利用差动共焦技术对探测光的反射信号进行探测和解调，实现飞秒加工中样品形态参数的时间分辨测量。

本发明所述的飞秒激光加工形态参数时间分辨差动共焦测量方法，利用连续激光差动共焦光路对材料表面进行轴向精确定位，利用飞秒激光对材料进行加工，并利用不同延迟时间的飞秒激光对材料的形态参数进行探测，使用差动共焦光路探测该不同延迟时间的飞秒激光反射信号，对该信号解调得到轴向位置。重复上述“连续激光差动共焦定位-飞秒激光加工-延迟飞秒激光差动共焦探测”过程，能够获得飞秒激光加工中材料的轴向去除量随时间的变化量，实现飞秒激光高精度加工材料形态参数的时间分辨测量，提高飞秒激光加工的可控性和样品的加工质量。

本发明所述的飞秒激光加工形态参数时间分辨差动共焦测量装置，包括飞秒脉冲激光器，位于飞秒脉冲激光器出射方向的A分光镜，在A分光镜的反射光束传播方向上依次布置有A快门、A反射镜、B反射镜、C反射镜、D反射镜、频率调制器、二向色镜，其中，B反射镜和C反射镜位于A直线运动模块上，安装保证B反射镜的光束入射方向、C反射镜的光束出射方向、A直线运动模块的运动方向三者平行。

在A分光镜的透射光束传播方向上，依次布置有B快门、E反射镜、F反射镜、G反射镜、B分光镜，其中，E反射镜和F反射镜位于B直线运动模块上，安装保证E反射镜的光束入射方向、F反射镜的光束出射方向、B直线运动模块的运动方向三者平行。

二向色镜和B分光镜，二者的反射光束共轴且沿同方向传播，在反射光束传播方向上配置有物镜、样品、三维精密位移台，物镜的光轴与二向色镜和B分光镜的反射光束同轴，样品安装在三维精密位移台上。

与物镜光轴同轴放置的准直镜、连续光激光器，其中，连续光激光器经准直镜准直后的光束与二向色镜和B分光镜的反射光束同轴，且三者经过物镜汇聚于同一焦点。

在准直镜与B分光镜之间配置有C分光镜，在C分光镜的反射光束方向上配置有收集透镜和D分光镜，在D分光镜的透射光束方向上配置有A针孔、A光电探测器，在D分光镜的反射光束方向上配置有B针孔、B光电探测器。

A针孔和B针孔分别位于D分光镜的透射和反射光束焦点的前后距离d处，A光电探测器和B光电探测器的安装位置，须保证其能够收集透过A针孔和B针孔的全部光强，构成差动共焦探测模块。

计算机用于控制飞秒激光器发出脉冲激光，同步控制A快门、B快门，并控制B直线运动模块进行光程延迟。同时，计算机控制精密位移台进行三维运动，控制连续光激光器发出连续激光，A光电探测器、B光电探测器的光强信号进入计算机。

上述装置的测量步骤如下：

步骤一：将待加工样品置于三维精密位移台上，计算机控制连续光激光器发出连续激光经准直镜准直后，由物镜汇聚于待加工样品表面，反射光经C分光镜由差动共焦探测模块进行轴向位置探测，计算机根据差动共焦探测模块的位置反馈控制三维精密位移台对样品进行调整，以确保飞秒激光加工轴向位置的准确性。

其中，差动共焦探测模块由收集透镜、D分光镜，以及分别放置于收集透镜焦面前后的A针孔和B针孔、A光电探测器和B光电探测器组成。计算机控制精密位移台对样品进行轴向位置扫描，并同步采集A光电探测器与B光电探测器的信号，计算机通过差动处理得到差动共焦轴向响应曲线，据此进行轴向定位。

步骤二：关闭连续光激光器，飞秒激光器发出高功率飞秒加工激光对样品进行去除加工，并使用时间延迟的低功率飞秒探测激光对样品表面去除后的轴向位置进行时间分辨探测，飞秒探测激光反射光经C分光镜反射后，仍然由差动共焦探测模块进行轴向位置测量。

其中，计算机控制飞秒激光器发出飞秒脉冲激光，经过A分光镜分为加工光和探测光，在加工光部分，计算机控制A快门将加工光截取为单个脉冲或有限个脉冲，由A反射镜、B反射镜、C反射镜、D反射镜和A直线运动模块实现光程延迟，再经过频率调制器件降低加工光的频率，经二向色镜反射后，通过物镜对样品进行加工。在探测光部分，计算机控制B快门将探测光截取为单个脉冲，由E反射镜、F反射镜、G反射镜和B直线运动模块实现光程延迟，A直线运动模块和计算机控制的B直线运动模块使探测光相对于加工光的延迟时间为τ，探测光经过B分光镜反射后，通过物镜对样品进行探测。

步骤三：计算机控制三维精密位移台移动样品，使激光加工位置处于样品表面的未加工处再进行步骤一、步骤二，重复上述步骤，直至差动共焦探测模块中的A光电探测器和B光电探测器获得足够的光强信号，在计算机的控制下完成轴向扫描位置测量，即获得飞秒脉冲加工延迟了τ时间的材料形态参数。

步骤四：改变延迟时间τ，重复步骤一、步骤二、步骤三，测量不同延迟时间下的材料轴向位置，获得材料的形态参数随时间的变化过程。

有益效果

本发明对比已有技术具有以下优势：

1、采用飞秒脉冲激光测量样品的轴向位置，获得飞秒加工瞬时的材料形态参数变化，解决了材料飞秒加工去除时的瞬时形态参数时间分辨测量问题；

2、采用差动共焦技术对样品轴向位置进行精确测量，提高了轴向测量精度，实现了材料轴向位置变化的高精度测量；

3、对材料进行周期性的“扫描-飞秒去除加工-飞秒延迟探测”过程，提高了光强探测的信噪比，实现了飞秒加工中材料瞬时形态参数的稳定测量。

附图说明

图1为本发明示意图。

图2为飞秒激光对材料的去除加工示意图。

其中，1-飞秒激光器，2-A分光镜，3-A快门，4-A反射镜，5-A直线运动模块，6-B反射镜，7-C反射镜，8-D反射镜，9-频率调制器，10-二向色镜，11-物镜，12-样品，13-三维精密位移台，14-B快门，15-B直线运动模块，16-E反射镜，17-F反射镜，18-G反射镜，19-B分光镜，20-C分光镜，21-收集透镜，22-D分光镜，23-A针孔，24-A光电探测器，25-B针孔，26-B光电探测器，27-连续光激光器，28-准直镜，29-计算机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。

实施例

一种飞秒激光加工形态参数时间分辨差动共焦测量方法，利用连续激光差动共焦光路对材料表面进行轴向精确定位，利用飞秒激光对材料进行加工，并利用不同延迟时间的飞秒激光对材料的形态参数进行探测，使用差动共焦光路探测该不同延迟时间的飞秒激光反射信号，对该信号解调得到轴向位置。重复上述“连续激光差动共焦定位-飞秒激光加工-延迟飞秒激光差动共焦探测”过程，可获得飞秒激光加工中材料的轴向去除量随时间的变化量，实现飞秒激光高精度加工材料形态参数的时间分辨测量，提高飞秒激光加工的可控性和样品的加工质量。如图2所示，飞秒脉冲激光在时间t内对材料进行去除加工，本发明的目的为获得在上述t时间内材料去除时的瞬时形态参数变化过程。

一种飞秒激光加工形态参数时间分辨差动共焦测量装置，如图1所示，包括飞秒脉冲激光器1，位于飞秒脉冲激光器1出射方向的A分光镜2，在A分光镜2的反射光束传播方向上依次布置有A快门3、A反射镜4、B反射镜6、C反射镜7、D反射镜8、频率调制器9、二向色镜10，其中，B反射镜6和C反射镜7位于A直线运动模块5上，安装保证B反射镜6的光束入射方向、C反射镜7的光束出射方向、A直线运动模块5的运动方向三者平行。

在A分光镜2的透射光束传播方向上，依次布置有B快门14、E反射镜16、F反射镜17、G反射镜18、B分光镜19，其中，E反射镜16和F反射镜17位于B直线运动模块15上，安装保证E反射镜16的光束入射方向、F反射镜17的光束出射方向、B直线运动模块15的运动方向三者平行。

二向色镜10和B分光镜19，二者的反射光束共轴且沿同方向传播，在反射光束传播方向上，配置有物镜11、样品12、三维精密位移台13，物镜11的光轴与二向色镜10和B分光镜19的反射光束同轴，样品12安装在三维精密位移台13上。

与物镜11光轴同轴放置的准直镜28、连续光激光器27，其中，连续光激光器27经准直镜28准直后的光束与二向色镜10和B分光镜19的反射光束同轴，且三者经过物镜11汇聚于同一焦点。

在准直镜28与B分光镜19之间配置有C分光镜20，在C分光镜20的反射光束方向上配置有收集透镜21和D分光镜22，在D分光镜22的透射光束方向上配置有A针孔23、A光电探测器24，在D分光镜22的反射光束方向上配置有B针孔25、B光电探测器26。

A针孔23和B针孔25分别位于D分光镜22的透射和反射光束焦点的前后距离d处，A光电探测器24和B光电探测器26的安装位置，须保证其能够收集透过A针孔23和B针孔25的全部光强，构成差动共焦探测模块。

计算机29用于控制飞秒激光器1发出脉冲激光，同步控制A快门3、B快门14，并控制B直线运动模块15进行光程延迟。同时，计算机29控制精密位移台13进行三维运动，控制连续光激光器27发出连续激光，A光电探测器24、B光电探测器26的光强信号进入计算机29。

上述装置测量过程包括以下步骤：

步骤一：将待加工样品12置于三维精密位移台13上，计算机29控制连续光激光器27发出连续激光经准直镜28准直后，由物镜11汇聚于待加工样品12表面，反射光经C分光镜20由差动共焦探测模块进行轴向位置探测，计算机29根据差动共焦探测模块的位置反馈控制三维精密位移台13对样品12进行调整，以确保飞秒激光加工轴向位置的准确性。

其中，差动共焦探测模块由收集透镜21、D分光镜22、分别放置于收集透镜21焦面前后的A针孔23和B针孔25、A光电探测器24和B光电探测器26组成。计算机29控制精密位移台13对样品12进行轴向位置扫描，并同步采集A光电探测器24与B光电探测器26的信号，计算机29通过差动处理得到差动共焦轴向响应曲线，据此进行轴向定位。

步骤二：关闭连续光激光器27，飞秒激光器1发出高功率飞秒加工激光对样品12进行去除加工，并使用时间延迟的低功率飞秒探测激光对样品12表面去除后的轴向位置进行时间分辨探测，飞秒探测激光反射光经C分光镜20反射后，仍然由差动共焦探测模块进行轴向位置测量。

其中，计算机29控制飞秒激光器1发出飞秒脉冲激光，经过A分光镜2分为加工光和探测光，在加工光部分，计算机29控制A快门3将加工光截取为单个脉冲或有限个脉冲，由A反射镜4、B反射镜6、C反射镜7、D反射镜8和A直线运动模块5实现光程延迟，再经过频率调制器件9降低加工光的频率，经二向色镜10反射后，通过物镜11对样品12进行加工。在探测光部分，计算机29控制B快门14将探测光截取为单个脉冲，由E反射镜16、F反射镜17、G反射镜18和B直线运动模块15实现光程延迟，A直线运动模块5和计算机29控制的B直线运动模块15使探测光相对于加工光的延迟时间为τ，探测光经过B分光镜19反射后，通过物镜11对样品12进行探测。

步骤三：计算机29控制三维精密位移台13移动样品12，使激光加工位置处于样品12表面的未加工处再进行步骤一、步骤二，重复上述步骤足够次数直至差动共焦探测模块中的A光电探测器24和B光电探测器26获得足够的光强信号，在计算机29的控制下完成轴向扫描位置测量，即获得飞秒脉冲加工延迟了τ时间的材料形态参数。

步骤四：改变延迟时间τ，重复步骤一、步骤二、步骤三，测量不同延迟时间下的材料轴向位置，获得材料的形态参数随时间的变化过程。

Claims (3)

1.飞秒激光加工形态参数时间分辨差动共焦测量方法，其特征在于：

利用连续激光差动共焦光路对材料表面进行轴向精确定位，利用飞秒激光对材料进行加工，并利用不同延迟时间的飞秒激光对材料的形态参数进行探测，使用差动共焦光路探测该不同延迟时间的飞秒激光反射信号，对该信号解调得到轴向位置；

重复上述“连续激光差动共焦定位-飞秒激光加工-延迟飞秒激光差动共焦探测”过程，获得飞秒激光加工中材料的轴向去除量随时间的变化量，实现飞秒激光高精度加工材料形态参数的时间分辨测量。

2.飞秒激光加工形态参数时间分辨差动共焦测量装置，其特征在于，包括飞秒脉冲激光器(1)，位于飞秒脉冲激光器(1)出射方向的A分光镜(2)，在A分光镜(2)的反射光束传播方向上，依次布置有A快门(3)、A反射镜(4)、B反射镜(6)、C反射镜(7)、D反射镜(8)、频率调制器(9)、二向色镜(10)，其中，B反射镜(6)和C反射镜(7)位于A直线运动模块(5)上，安装保证B反射镜(6)的光束入射方向、C反射镜(7)的光束出射方向、A直线运动模块(5)的运动方向三者平行；

在A分光镜(2)的透射光束传播方向上，依次布置有B快门(14)、E反射镜(16)、F反射镜(17)、G反射镜(18)、B分光镜(19)，其中，E反射镜(16)和F反射镜(17)位于B直线运动模块(15)上，安装保证E反射镜(16)的光束入射方向、F反射镜(17)的光束出射方向、B直线运动模块(15)的运动方向三者平行；

二向色镜(10)和B分光镜(19)，二者的反射光束共轴且沿同方向传播，在反射光束传播方向上配置有物镜(11)、样品(12)、三维精密位移台(13)，物镜(11)的光轴与二向色镜(10)和B分光镜(19)的反射光束同轴，样品(12)安装在三维精密位移台(13)上；

与物镜(11)光轴同轴放置的准直镜(28)、连续光激光器(27)，其中，连续光激光器(27)经准直镜(28)准直后的光束与二向色镜(10)和B分光镜(19)的反射光束同轴，且三者经过物镜(11)汇聚于同一焦点；

在准直镜(28)与B分光镜(19)之间，配置有C分光镜(20)，在C分光镜(20)的反射光束方向上，配置有收集透镜(21)和D分光镜(22)，在D分光镜(22)的透射光束方向上，配置有A针孔(23)、A光电探测器(24)，在D分光镜(22)的反射光束方向上，配置有B针孔(25)、B光电探测器(26)；

A针孔(23)和B针孔(25)，分别位于D分光镜(22)的透射和反射光束焦点的前后距离d处，A光电探测器(24)和B光电探测器(26)的安装位置须保证其能够收集透过A针孔(23)和B针孔(25)的全部光强，构成差动共焦探测模块；

计算机(29)用于控制飞秒激光器(1)发出脉冲激光，同步控制A快门(3)、B快门(14)，并控制B直线运动模块(15)进行光程延迟；同时，计算机(29)控制精密位移台(13)进行三维运动，控制连续光激光器(27)发出连续激光，A光电探测器(24)、B光电探测器(26)的光强信号进入计算机(29)。

3.如权利要求2所述的飞秒激光加工形态参数时间分辨差动共焦测量装置，其特征在于，测量过程包括以下步骤：

步骤一：将待加工样品(12)置于三维精密位移台(13)上，计算机(29)控制连续光激光器(27)发出连续激光经准直镜(28)准直后，由物镜(11)汇聚于待加工样品(12)表面，反射光经C分光镜(20)由差动共焦探测模块进行轴向位置探测，计算机(29)根据差动共焦探测模块的位置反馈控制三维精密位移台(13)对样品(12)进行调整，以确保飞秒激光加工轴向位置的准确性；

其中，差动共焦探测模块由收集透镜(21)、D分光镜(22)，以及分别放置于收集透镜(21)焦面前后的A针孔(23)和B针孔(25)、A光电探测器(24)和B光电探测器(26)组成；计算机(29)控制精密位移台(13)对样品(12)进行轴向位置扫描，并同步采集A光电探测器(24)与B光电探测器(26)的信号，计算机(29)通过差动处理得到差动共焦轴向响应曲线，据此进行轴向定位；

步骤二：关闭连续光激光器(27)，飞秒激光器(1)发出高功率飞秒加工激光对样品(12)进行去除加工，并使用时间延迟的低功率飞秒探测激光对样品(12)表面去除后的轴向位置进行时间分辨探测，飞秒探测激光反射光经C分光镜(20)反射后仍然由差动共焦探测模块进行轴向位置测量；

其中，计算机(29)控制飞秒激光器(1)发出飞秒脉冲激光，经过A分光镜(2)分为加工光和探测光，在加工光部分，计算机(29)控制A快门(3)将加工光截取为有限个脉冲，由A反射镜(4)、B反射镜(6)、C反射镜(7)、D反射镜(8)和A直线运动模块(5)实现光程延迟，再经过频率调制器件(9)降低加工光的频率，经二向色镜(10)反射后，通过物镜(11)对样品(12)进行加工；在探测光部分，计算机(29)控制B快门(14)将探测光截取为单个脉冲，由E反射镜(16)、F反射镜(17)、G反射镜(18)和B直线运动模块(15)实现光程延迟，A直线运动模块(5)和计算机(29)控制的B直线运动模块(15)使探测光相对于加工光的延迟时间为τ，探测光经过B分光镜(19)反射后，通过物镜(11)对样品(12)进行探测；

步骤三：计算机(29)控制三维精密位移台(13)移动样品(12)，使激光加工位置处于样品(12)表面的未加工处再进行步骤一、步骤二，重复上述步骤，直至差动共焦探测模块中的A光电探测器(24)和B光电探测器(26)获得足够的光强信号，在计算机(29)的控制下完成轴向扫描位置测量，即获得飞秒脉冲加工延迟了τ时间的材料形态参数；

步骤四：改变延迟时间τ，重复步骤一、步骤二、步骤三，测量不同延迟时间下的材料轴向位置，获得材料的形态参数随时间的变化过程。

Images