CN111061060B - 一种紧凑型时间整形系统 - Google Patents

Abstract

为了解决现有基于光程差原理的飞秒激光脉冲时间整形器，当需要产生更长时间延迟时，空间尺寸太大的技术问题，本发明提供了一种紧凑型时间整形系统，包括分光合束镜、反射镜和SLM；入射激光经分光合束镜后分为两路：其中一路上设置所述反射镜，另一路上设置所述SLM；所述SLM的全系相位图根据所述时间整形系统所需要产生的时间延迟来确定。本发明采用SLM产生光程差，缩小了时间整形系统的空间尺寸。

Description

一种紧凑型时间整形系统

技术领域

本发明涉及飞秒激光脉冲整形技术领域，具体涉及一种紧凑型时间整形系统。

背景技术

在硅加工、集成电路(IC)后端处理、微电子封装和太阳能制造等各个行业中，随着晶圆厚度不断缩小，脆性材料加工面临着严峻的挑战，并且对其制造的精度(刻线宽度)、品质(崩边、粗糙度等)都提出了更高的要求，催生了飞秒激光脉冲整形技术的诞生。时间整形是将一个激光脉冲整形成为几个子脉冲，且子脉冲之间的时间延迟、子脉冲的数目、子脉冲的能量均可以按照实际的需要进行整形。时间整形后的飞秒激光脉冲由于能更灵活多样地进而更深刻影响材料相变等过程，因而为实现高精度、高质量、高效率的材料加工提供了更大便利，尤其在精密钻孔、划线、切割(例如玻璃、硅晶圆切割)和打标方面具有明显的优势。

如图1所示，现有的飞秒激光脉冲时间整形器主要是4F时间整形器，入射的飞秒激光脉冲以一定角度照射到第一光栅101上，在横向产生色散，不同的频率成分的激光以不同的衍射角度入射到柱面镜上，由于光栅中心到第一透镜102的中心的距离为F，则入射的激光经过第一光栅101和第一透镜102后，实现了时域到频域的傅里叶变换，且不同频率成分的光在空间上依次分布。而位于第一透镜102焦平面的位相板103能够对不同频率成分的光进行独立调制，可调控的量包括相位、振幅及偏振。通过位相板103后的激光入射到第二透镜104后聚焦到第二光栅105上，经第二光栅105压缩后射出，实现了频域到时域的转换。一般此类位相板103使用的介质材料通常是折射率受光或者声子显著影响的材料，其脉冲延时的控制精度取决于电压的控制精度。4F时间整形器在脉冲延时的控制精度、高阶色散的抑制、加工光斑的对正等方面具有优势，但其也具有明显的劣势：转换效率低(仅为60％左右)、子脉冲能量/偏振调控能力差、脉冲延时的调控范围小且价格极为昂贵(价格在八十万左右)。这对于一些重要透明材料加工造成困难，因为透明材料的加工阈值很高；此外如果提供的脉冲延时较小也极大地限制了飞秒激光对于硬脆透明材料的加工能力。

目前还有另一种基于光程差原理的飞秒激光脉冲时间整形器，例如基于迈克尔逊干涉仪的方法，其原理是通过两个平移的反射镜产生光程差，为了产生更长的时间延迟，则需要反射镜的移动距离更大，导致时间整形器的空间尺寸变大。

发明内容

为了解决现有基于光程差原理的飞秒激光脉冲时间整形器，当需要产生更长时间延迟时，空间尺寸太大的技术问题，本发明提供了一种紧凑型时间整形系统。

本发明的技术方案是：

一种紧凑型时间整形系统，其特殊之处在于：包括分光合束镜、反射镜和SLM；入射激光经分光合束镜后分为两路：其中一路上设置所述反射镜，另一路上设置所述SLM；

所述SLM的全系相位图根据所述时间整形系统所需要产生的时间延迟来确定。

进一步地，在所述分光合束镜与反射镜之间设置有光学误差补偿模块；所述光学误差补偿模块包括第一光楔和第二光楔；第一光楔和第二光楔结构、尺寸相同，且斜面对斜面设置、侧面平齐；

第一光楔和第二光楔均垂直于其所在光轴放置，且与其所在光轴之间的夹角同步可调。

进一步地，在分光合束镜与SLM之间设置有液晶。

或者，在分光合束镜与光学误差补偿模块之间，或者在光学误差补偿模块与反射镜之间设置有液晶。

或者，在分光合束镜与SLM之间、分光合束镜与光学误差补偿模块之间均设置有液晶；或者，在分光合束镜与SLM之间、光学误差补偿模块与反射镜之间均设置有液晶。

进一步地，第一光楔和第二光楔的倾角均由所需要校正的偏差△h来确定；

△h＝cos(θ₁-θ₂)d/cosθ₂,

其中：

θ₁为第一光楔和第二光楔的倾角；

θ₂＝arcsin(n₁sinθ₁/n₂)；

θ₂为激光在光楔组中产生的折射角度；

d为第一光楔和第二光楔构成的光楔组的等效厚度；

n₁、n₂分别为光楔放置的环境折射率以及光楔折射率。

进一步地，所述反射镜可由SLM替代。

本发明的优点：

1.本发明采用SLM(空间光调制器)产生光程差，缩小了时间整形系统的空间尺寸。

2.本发明由于设置了光学误差补偿模块对光束的轴向偏移量进行补偿，因而对分光合束镜、反射镜的加工及装调要求较低，更易于工程实现。

3.本发明在子脉冲一和/或子脉冲二的光路中设置了液晶，可以通过电控液晶改变液晶屏的光线透过率，从而实现脉冲一与脉冲二之间能量比例的调整，子脉冲能量调控能力好。

4.本发明结构简单、易装调。

5.SLM器件由于可以在线且灵活的根据实际时间整形延迟需求来调整全息图，因此本发明具有灵活、在线、脉冲延时调控范围大等优点。

6.本发明还可以通过对分光合束镜的分光面进行膜层比比例设计实现子脉冲序列能量比的调制。

7.本发明中光学误差补偿模块采用两个光楔组合构成，相比采用平行平板实现光学误差补偿的方案，在实现同样偏移补偿调节量的前提下，所需光楔的厚度更小，使得整体结构更紧凑。

附图说明

图1是现有的4F时间整形器的原理示意图。

图2是本发明实施例的原理示意图。

图3是当实际的平行光主光线与光轴之间没有产生偏差△h时，两个光楔的姿态示意图。

图4是当实际的平行光主光线与光轴之间产生偏差△h时，两个光楔的调整姿态示意图，其中(a)和(b)分别为偏差△h的两种情形。

附图标记说明：

101-第一光栅，102-第一透镜，103-位相板，104-第二透镜，105-第二光栅；

201-分光合束镜，202-反射镜，203-SLM(空间光调制器)，204-第一液晶，205-第二液晶，206-光学误差补偿模块，2061-第一光楔，2062-第二光楔。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图2所示，本实施例所提供的紧凑型时间整形系统，基于光程差的原理实现时间整形，主要包括分光合束镜201(其上镀制有半透半反膜)、反射镜202、SLM 203、第一液晶204、第二液晶205、和光学误差补偿模块206；飞秒激光器输出的激光脉冲序列进入分光比为1:1的分光合束镜201(在其他实施例中，可以根据实际需求设计分光比为其他值)，被分为能量相等的子脉冲一(反射光)和子脉冲二(透射光)；第一液晶204、光学误差补偿模块206和反射镜202依次设置在子脉冲一的光路上(即分光合束镜201的反射光路上)；第二液晶205和SLM 203依次设置在子脉冲二的光路上(即分光合束镜201的透射光路上)。

本发明的光程差△s主要由光路中的SLM 203实现，首先根据所需产生的时间延迟△t＝△s/c，可以求解所需要产生的光程差△s，由于△s＝△n×(L1-L2)，故可根据光程差△s编辑SLM 203的全系位相图；利用编辑好全系相位图的SLM 203对入射至其表面的子脉冲二进行光程调制，便可产生所需要的光程差△s。

子脉冲一经过固定设置的反射镜202反射后又回到分光合束镜201从分光合束镜201透射，子脉冲二经过固定设置的SLM 203反射后又回到分光合束镜201被分光合束镜201反射，从而子脉冲一与子脉冲二在分光合束镜201处实现合束，形成两列能量比为1:1、时间间隔为△t的子脉冲序列。

本发明在子脉冲一的光路上，即分光合束镜201与反射镜202之间设置了由结构和尺寸相同的第一光楔2061和第二光楔2062构成的光学误差补偿模块206的目的是为了实现光束的垂直于光轴方向的偏移补偿；若光束在分光合束镜201处进行了精准合束，则第一光楔2061与第二光楔2062均垂直于子脉冲一的光轴放置，如果产生偏差△h(△h是实际的平行光主光线与光轴之间所产生的垂直于光轴位置偏移量)，则通过调整第一光楔2061和第二光楔2062的旋转角度即实现平移补偿，从而能够降低对分光合束镜201、反射镜202的加工及装调要求，易于工程实现。

根据几何光学传播理论，两个光楔姿态如图3-4所示时，则光束不发生轴向偏移，当两个光楔朝不同方向旋转一定角度时，则光束会发生不同方向的偏移，当两个光楔在一定角度范围内倾斜，就可以实现0-h这一范围内的连续偏移量的补偿。

第一光楔2061和第二光楔2062符合光学折射定律，具体公式为：△h＝cos(θ₁-θ₂)d/cosθ₂,其中：

θ₁为光楔组倾斜角度；

θ₂＝arcsin(n₁sinθ₁/n₂)；

n₁、n₂分别为光楔放置的环境折射率以及光楔折射率；

θ₂为激光在光楔组中产生的折射角度，d为光楔组等效厚度。

当实际的平行光主光线与光轴之间没有产生偏差△h时，两个光楔的姿态应如图3所示。

如实际的平行光主光线与光轴之间产生偏差△h(例如图4中(a)图中的偏差h1、图4中(b)图中的h2)，具体根据△h的偏差方向，来进行光楔旋转角度的调整，调整方式如图4所示。在调整过程中，两个光楔同步同向调整，始终等效为一个平板；两个光楔之间的间距可以根据实际情况调节。

本发明在子脉冲一与子脉冲二的光路上分别设置第一液晶204和第二液晶205，可以通过电控液晶改变液晶屏的光线透过率，从而实现脉冲一与脉冲二之间能量比例的调整。

Claims (9)

1.一种紧凑型时间整形系统，其特征在于：包括分光合束镜(201)、反射镜(202)和SLM(203)；入射激光经分光合束镜(201)后分为两路：其中一路上设置所述反射镜(202)，另一路上设置所述SLM(203)；

所述SLM(203)的全系相位图根据所述时间整形系统所需要产生的时间延迟来确定；在所述分光合束镜(201)与反射镜(202)之间设置有光学误差补偿模块(206)；所述光学误差补偿模块(206)包括第一光楔(2061)和第二光楔(2062)；第一光楔(2061)和第二光楔(2062)结构、尺寸相同，且斜面对斜面设置、侧面平齐；

第一光楔(2061)和第二光楔(2062)均垂直于其所在光轴放置，且与其所在光轴之间的夹角同步可调；

在分光合束镜(201)与SLM(203)之间设置有液晶。

2.根据权利要求1所述的紧凑型时间整形系统，其特征在于：

第一光楔(2061)和第二光楔(2062)的倾角均由所需要校正的偏差△h来确定；

△h＝cos(θ₁-θ₂)d/cosθ₂,

其中：

θ₁为第一光楔和第二光楔的倾角；

θ₂＝arcsin(n₁sinθ₁/n₂)；

θ₂为激光在光楔组中产生的折射角度；

d为第一光楔和第二光楔构成的光楔组的等效厚度；

n₁、n₂分别为光楔放置的环境折射率以及光楔折射率。

3.根据权利要求1所述的紧凑型时间整形系统，其特征在于：所述反射镜(202)可由SLM替代。

4.一种紧凑型时间整形系统，其特征在于：包括分光合束镜(201)、反射镜(202)和SLM(203)；入射激光经分光合束镜(201)后分为两路：其中一路上设置所述反射镜(202)，另一路上设置所述SLM(203)；

所述SLM(203)的全系相位图根据所述时间整形系统所需要产生的时间延迟来确定；在所述分光合束镜(201)与反射镜(202)之间设置有光学误差补偿模块(206)；所述光学误差补偿模块(206)包括第一光楔(2061)和第二光楔(2062)；第一光楔(2061)和第二光楔(2062)结构、尺寸相同，且斜面对斜面设置、侧面平齐；

第一光楔(2061)和第二光楔(2062)均垂直于其所在光轴放置，且与其所在光轴之间的夹角同步可调；

在分光合束镜(201)与光学误差补偿模块(206)之间，或者在光学误差补偿模块(206)与反射镜(202)之间设置有液晶。

5.根据权利要求4所述的紧凑型时间整形系统，其特征在于：

第一光楔(2061)和第二光楔(2062)的倾角均由所需要校正的偏差△h来确定；

△h＝cos(θ₁-θ₂)d/cosθ₂,

其中：

θ₁为第一光楔和第二光楔的倾角；

θ₂＝arcsin(n₁sinθ₁/n₂)；

θ₂为激光在光楔组中产生的折射角度；

d为第一光楔和第二光楔构成的光楔组的等效厚度；

n₁、n₂分别为光楔放置的环境折射率以及光楔折射率。

6.根据权利要求4所述的紧凑型时间整形系统，其特征在于：所述反射镜(202)可由SLM替代。

7.一种紧凑型时间整形系统，其特征在于：包括分光合束镜(201)、反射镜(202)和SLM(203)；入射激光经分光合束镜(201)后分为两路：其中一路上设置所述反射镜(202)，另一路上设置所述SLM(203)；

所述SLM(203)的全系相位图根据所述时间整形系统所需要产生的时间延迟来确定；在所述分光合束镜(201)与反射镜(202)之间设置有光学误差补偿模块(206)；所述光学误差补偿模块(206)包括第一光楔(2061)和第二光楔(2062)；第一光楔(2061)和第二光楔(2062)结构、尺寸相同，且斜面对斜面设置、侧面平齐；

第一光楔(2061)和第二光楔(2062)均垂直于其所在光轴放置，且与其所在光轴之间的夹角同步可调；

在分光合束镜(201)与SLM(203)之间、分光合束镜(201)与光学误差补偿模块(206)之间均设置有液晶；或者，在分光合束镜(201)与SLM(203)之间、光学误差补偿模块(206)与反射镜(202)之间均设置有液晶。

8.根据权利要求7所述的紧凑型时间整形系统，其特征在于：第一光楔(2061)和第二光楔(2062)的倾角均由所需要校正的偏差△h来确定；

△h＝cos(θ₁-θ₂)d/cosθ₂,

其中：

θ₁为第一光楔和第二光楔的倾角；

θ₂＝arcsin(n₁sinθ₁/n₂)；

θ₂为激光在光楔组中产生的折射角度；

d为第一光楔和第二光楔构成的光楔组的等效厚度；

n₁、n₂分别为光楔放置的环境折射率以及光楔折射率。

9.根据权利要求7所述的紧凑型时间整形系统，其特征在于：所述反射镜(202)可由SLM替代。

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