CN111129916B - 一种具有调试补偿功能的时间整形系统 - Google Patents
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Abstract
为了解决现有基于迈克尔逊干涉仪的飞秒激光脉冲时间整形器装调困难、极易产生时间整形失败导致其在时间整形领域的实际应用非常困难的技术问题，本发明提供了一种具有调试补偿功能的时间整形系统，包括分光合束镜；入射激光经分光合束镜后分为两路：其中一路子脉冲光路上依次设置有光楔和第一反射镜，另一路子脉冲光路上依次设置有平板和第二反射镜；光楔的楔角α＝arcsin(n2sinθ/n1)；n1、n2分别为空气折射率和光楔的折射率，θ为光束倾斜角度偏移量；平板与其所在光轴之间夹角可调；第一反射镜和第二反射镜可沿各自光轴平移。
Description
技术领域
本发明涉及飞秒激光脉冲整形技术领域，具体涉及一种具有调试补偿功能的时间整形系统。
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。4F时间整形器中位相板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，但也具有明显的劣势：光能转换效率低(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迈克尔逊干涉仪的飞秒激光脉冲时间整形器，通过将激光分成两路光束，然后调节光路上的反射镜从而使两路光束产生不同的光程差最后再进行合束，实现时间整形；该方法能量利用率较高、且产生的脉冲延迟可以调节，但是由于其对光学元件(例如合束镜、分光镜)的加工要求和空间姿态的要求极高，装调非常困难，否则极易产生时间整形失败(空间重合破坏)或者整形品质低不能加工等问题，因此导致该方法在时间整形领域的实际应用非常困难。
发明内容
为了解决现有基于迈克尔逊干涉仪的飞秒激光脉冲时间整形器装调困难、极易产生时间整形失败导致其在时间整形领域的实际应用非常困难的技术问题，本发明提供了一种具有调试补偿功能的时间整形系统。
本发明的技术方案是：
一种具有调试补偿功能的时间整形系统，其特殊之处在于：包括分光合束镜；入射激光经分光合束镜后分为两路：其中一路子脉冲光路上依次设置有光楔和第一反射镜，另一路子脉冲光路上依次设置有平板和第二反射镜；
光楔的楔角α＝arcsin(n2sinθ/n1)；n1、n2分别为空气折射率和光楔的折射率，θ为光束倾斜角度偏移量；
平板与其所在光轴之间夹角可调；
第一反射镜和第二反射镜可沿各自光轴平移。
进一步地，在光楔与第一反射镜之间，或者光楔与分光合束镜之间设置有检偏器。
进一步地，在分光合束镜与平板之间，或者平板与第二反射镜之间设置有检偏器。
进一步地，在分光合束镜与第一反射镜之间，以及分光合束镜与第二反射镜之间均设置有检偏器。
进一步地，在所述检偏器之前还设置有与所述检偏器配合使用的起偏器。
进一步地，平板与其所在光轴之间夹角在0°～60°可调。
进一步地，平板与其所在光轴之间夹角在0°～60°可调。
进一步地，光楔可沿垂直于其所在光轴的方向平移。
进一步地，光楔可沿垂直于其所在光轴的方向平移。
与现有技术相比，本发明的有优点是：
1.本发明通过可在线调节的平板，将平板在角度0°～60°内旋转调节，可对加工装调过程中产生的轴向偏离进行校正补偿，轴向偏离补偿量为0～3mm，提高了时间整形精度。
2.本发明在其中一个子脉冲的光路中设置了小角度光楔，可对光学元件的加工、装调过程中产生的误差导致光束倾斜进行补偿，克服了传统基于迈克尔逊干涉仪的飞秒激光脉冲时间整形器存在的光学元件安装误差导致光束指向存在偏差以至于不能精准合束的问题，避免了两束子脉冲空间重合的情况发生。
3.本发明中的光楔可以相对于其所在光轴作垂轴运动，从而实现两路子脉冲时间延迟误差的微调，提高了两路子脉冲之间时间延迟的精准度，降低了实际安装调试过程导致的实际光程与理论光程之间存在的误差对两路子脉冲之间时间延迟精准度的影响，从而降低了对装调的要求。
4.本发明通过平板和光楔分别对轴偏和光束指向偏移进行补偿，提高了时间整形精度，因而对各光学元件的加工要求较低、装调难度小，易于工程实现。
5.本发明通过在各子脉冲光路中设置配合使用的起偏器与检偏器，可实现各子脉冲能量的在线调整，对子脉冲能量的可控性好。
6.由于本发明只存在光学元件间的透过率衰减，光能损失小，光能利用率(即转换效率)可以达到90％以上。
7.本发明结构简单、成本低。
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。
附图说明
图1是现有的4F时间整形器的原理示意图。
图2是本发明的原理示意图。
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-第一反射镜，203-第二反射镜，204-光楔，205-平板，206-第一起偏器，207-第一检偏器，208-第二起偏器，209-第二检偏器。
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，本发明实施例的时间整形系统基于迈克尔逊干涉仪原理，包括分光合束镜201(其上镀有半透半反膜)，在分光合束镜201的反射光路上依次设置有光楔204、第一起偏器206、第一检偏器207和第一反射镜202，在分光合束镜201的透射光路上依次设置有第二起偏器208、第二检偏器209、平板205和第二反射镜203。
考虑光学元件面型加工误差、光路的装调误差会导致子脉冲一与子脉冲二合束后不平行，本发明提前进行了光路仿真，在子脉冲一的光路中设置了一个小角度的光楔204(光楔204不能设置在第一起偏器206与第一检偏器207之间)，从而能够对光束指向进行补偿，实现时间整形误差的微调；光楔204的楔角与子脉冲一和子脉冲二之间的平行差(即两路脉冲之间的夹角)相关，假设子脉冲一和子脉冲二之间的夹角为θ，则光楔204的楔角
α＝arcsin(n2sinθ/n1)；n1、n2分别为空气折射率和光楔204的折射率。
为了补偿子脉冲一与子脉冲二之间的脉冲间隔误差，光楔204可以沿着如图2所示的垂轴方向平移；在光楔204平移过程中，脉冲一光路中光楔204的厚度会发生变化，从而可以对子脉冲一与子脉冲二之间的脉冲间隔误差实现微调；子脉冲一与子脉冲二之间的时间延迟补偿△t0＝n2×△h/c；△h为光路中光楔204的厚度变化量；c为光速，n2为光楔204折射率。
考虑到光学元件的加工误差和光路调试误差会导致子脉冲一与子脉冲二不能精准合束的问题，本发明通过在子脉冲二的光路中设置一个角度可调节的平板205(平板205不能设置在第二起偏器208与第二检偏器209之间)，平板205的角度可在0°～60°之间调节，从而对加工装调过程中产生的轴向偏离进行在线校正补偿，所能够产生的轴向偏离补偿量为0～3mm，具体根据飞秒激光的波长不一致，所产生的轴偏补偿也有区别。
本发明在子脉冲一的光路中设置第一起偏器206和第一检偏器207，在子脉冲二的光路中设置第二起偏器208和第二检偏器209，通过控制第一检偏器207和/或第二检偏器209的通光轴，可以实现子脉冲一和/或子脉冲二光路的在线能量调整。需要注意的是，如果入射激光为线偏振光，则应省略起偏器。
本发明时间整形原理：
飞秒激光器输出的激光脉冲序列进入分光合束镜201(当分光比为1:1时)，被分为能量相等的子脉冲一(反射光)和子脉冲二(透射光)，子脉冲一与子脉冲二的光程差△s由分光合束镜201与第一反射镜202之间的光程与分光合束镜201与第二反射镜203之间的光程的差值决定，即△s＝n1(L1-L2),n1为空气折射率，子脉冲一与子脉冲二之间的时间延迟通过第一反射镜202和/或第二反射镜203沿其所在光轴的平移来改变。
子脉冲一被第一反射镜202反射后又入射至分光合束镜201，并从分光合束镜201透射；子脉冲二被第二反射镜203反射后又入射至分光合束镜201，并被分光合束镜201反射；从而，子脉冲一与子脉冲二在分光合束镜201处合束，形成两列任意能量比、时间间隔为△t的子脉冲序列；△t＝×△s/c；c为光速。
Claims (9)
1.一种具有调试补偿功能的时间整形系统，包括分光合束镜(201)；入射激光经分光合束镜(201)后分为两路：其中一路子脉冲光路上设置有第一反射镜(202)，另一路子脉冲光路上设置有第二反射镜(203)；
其特征在于：在所述分光合束镜(201)与第一反射镜(202)之间的光路上设置有光楔(204)，在所述分光合束镜(201)与第二反射镜(203)之间的光路上设置有平板(205)；
光楔(204)的楔角α＝arcsin(n2sinθ/n1)；n1、n2分别为空气折射率和光楔(204)的折射率，θ为光束倾斜角度偏移量；
平板(205)与其所在光轴之间夹角可调；
第一反射镜(202)和第二反射镜(203)可沿各自光轴平移。
2.根据权利要求1所述的具有调试补偿功能的时间整形系统，其特征在于：在光楔(204)与第一反射镜(202)之间，或者光楔(204)与分光合束镜(201)之间设置有检偏器。
3.根据权利要求1所述的具有调试补偿功能的时间整形系统，其特征在于：在分光合束镜(201)与平板(205)之间，或者平板(205)与第二反射镜(203)之间设置有检偏器。
4.根据权利要求1所述的具有调试补偿功能的时间整形系统，其特征在于：在分光合束镜(201)与第一反射镜(202)之间，以及分光合束镜(201)与第二反射镜(203)之间均设置有检偏器。
5.根据权利要求2-4任一所述的具有调试补偿功能的时间整形系统，其特征在于：在所述检偏器之前还设置有与所述检偏器配合使用的起偏器。
6.根据权利要求1-4任一所述的具有调试补偿功能的时间整形系统，其特征在于：平板(205)与其所在光轴之间夹角在0°～60°可调。
7.根据权利要求5所述的具有调试补偿功能的时间整形系统，其特征在于：平板(205)与其所在光轴之间夹角在0°～60°可调。
8.根据权利要求1-4任一所述的具有调试补偿功能的时间整形系统，其特征在于：光楔(204)可沿垂直于其所在光轴的方向平移。
9.根据权利要求5所述的具有调试补偿功能的时间整形系统，其特征在于：光楔(204)可沿垂直于其所在光轴的方向平移。
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