CN111215743A - 一种飞秒激光双光子微加工装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种飞秒激光双光子微加工装置，包括控制器；五维运动平台，与控制器通信连接；飞秒激光器，设置在五维运动平台上；光开关，设置在飞秒激光器的激光传播路径上，通过移动来阻断和打开激光传播；三维运动平台，与控制器通信连接；样品台，设置在三维运动平台，用于放置待加工的样品；激光反射镜，设置在飞秒激光器的激光传播路径上，用于改变激光的传播方向而将激光反射至样品上；聚焦透镜，设置在样品台上用于放置样品的位置上方，用于聚焦激光；摄像头，设置在聚焦透镜的上方。该飞秒激光双光子微加工装置能够控制飞秒激光器进行运动，减少反射镜片数量，降低光路调整的复杂度。
Description
技术领域
本发明涉及一种飞秒激光双光子微加工装置。
背景技术
近年来，随着微机电系统、微纳电子技术、芯片制造技术的快速发展，如何在基底上制备出稳定存在的微结构受到了广泛的关注。该技术对于未来微纳米制造技术，光刻技术，微型化、集成化、功能化等装置的制造具有一定的参考价值。
目前通用的飞秒激光双光子微加工系统大多采用钛宝石可调谐激光器，如Coherent公司的型号为Mira-900f、波长为780nm波长的飞秒激光器，配合Newport公司提供的uFAB微加工台作为微结构的加工装置，利用微加工台与激光焦点的相对运动，当两个红外光子在焦点处相遇时产生的能量刚好能够使光刻胶聚合固化，进而在光刻胶中光刻出3D微结构，制备出精细的微结构图案。但是这种钛宝石可调谐激光器由于体积较大，重量较重，通常设置在大型的工作平台上工作。同时，由于激光器与工作台之间的距离较大，需要采用多组反射镜片组对光路进行校正，增加了光路调整的复杂度及成本。此外，一般情况下，高精度的三维电动平移台在水平面X和Y轴的行程可以比较大，但在高度Z轴方向上移动行程往往很小，不易制备高度在数毫米以上的样品。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是针对上述现有技术提供一种控制飞秒激光器进行运动，减少反射镜片数量，降低光路调整的复杂度，的飞秒激光双光子微加工装置。
本发明所要解决的第二个技术问题是针对上述现有技术提供一种能制备具有较高高度微结构样品的飞秒激光双光子微加工装置。
本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种飞秒激光双光子微加工装置，其特征在于：包括
控制器；
五维运动平台，与控制器通信连接；
飞秒激光器，设置在五维运动平台上；
三维运动平台，与控制器通信连接；
样品台，设置在三维运动平台，用于放置待加工的样品；
激光反射镜，设置在飞秒激光器的激光传播路径上，用于改变激光的传播方向而将激光反射至样品上；
聚焦透镜，设置在样品台上用于放置样品的位置上方，用于聚焦激光；
摄像头，设置在聚焦透镜的上方。
为了提高工作的自动化程度，所述飞秒激光器的激光开关与控制器电连接。
为了能够在各种光线条件下更好的观察微结构的加工情况，还包括能够辅助照明样品的照明光源组。
优选地，所述照明光源组包括用于自上方照明样品的第一照明光源和自下方照明样品的第二照明光源。
优选地，所述样品台的上方设置有能将第一照明光源的照明光自样品上方反射至样品上的第一反射镜；
所述样品台为透明放置架，所述样品台内设置有能将第二照明光源的照明光自样品下方反射至样品上的第二反射镜。
为了更好的调节激光器的位置，使得激光器发射的激光能够更好的配合完成微结构的加工工作，所述五维运动平台包括能够实现三维方向上直线运动的第一运动平台和设置在第一运动平台上且能实现二维方向上转动的第二运动平台，所述第一运动平台、第二运动平台分别与控制器通信连接。
本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：所述三维运动平台包括能够驱动样品台前后运动的第一驱动机构、能够驱动样品台左右运动的第二驱动机构，能够驱动样品台上下运动的第三驱动机构；
所述第三驱动机构包括支撑体以及移动体，所述支撑体具有相对于竖直方向倾斜设置的第一导向平面，所述移动体上具有与第一导向平面相对设置且倾斜度匹配的第二导向平面，所述移动体能在第一导向平面的导向下实现上下移动。如此也能够在增加移动距离的情况下保证竖直方向上的微小位移控制，进而提高在竖直方向上微小位移的控制精度。
方便控制地，所述光开关连接在驱动器上，所述驱动器与控制器电连接。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明中的飞秒激光双光子微加工装置在能够利用五维运动平台带动激光器进行运动，使得激光器发出的激光能够更容易的聚焦在待加工的样品上，无需再设置复杂的光路调节组件来实现对激光光路的调节，提高了激光调节的灵活度，降低了光路调整的复杂度和成本。
附图说明
图1为本发明实施例中飞秒激光双光子微加工装置的结构示意图。
图2为本发明实施例中第三驱动机构的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，本实施例中的飞秒激光双光子微加工装置，包括以下部件。
控制器1，通常飞秒激光双光子微加工装置会配备使用一个计算机，该控制器1即内置在计算机的控制电路板上。
五维运动平台2，该五维运动平台2包括能够实现三维方向上直线运动的第一运动平台21和设置在第一运动平台21上且能实现二维方向上转动的第二运动平台22，第一运动平台21、第二运动平台22分别与控制器1通信连接，第一运动平台21、第二运动平台22可以采用现有技术中的各种现有的运动平台，通常第一运动平台21、第二运动平台22中采用电机进行各维方向的驱动，则各电机中的控制芯片与控制器1通信连接，进而实现对各电机运动距离的精密控制，最终实现对下述的飞秒激光器3位置的调节，以保证飞秒激光器3发射的激光路径能够达到要求。并且本实施例中第一运动平台21能够实现X、Y、Z轴上的直线运动，即实现前后、左右、上下方向上的运动。本实施例中的第二运动平台22能够实现X、Y轴形成平面上的转动运动或者Y、Z轴形成平面上的转动运动。
飞秒激光器3，设置在五维运动平台2上，进而在五维运动平台2的带动下进行X、Y、Z轴上的直线移动，还能在五维运动平台2的带动下进行X、Y轴形成平面上的转动运动或者Y、Z轴形成平面上的转动运动，最终使得飞秒激光器3能够按照设定的路径聚焦照射在代加工的样品上。
光开关31，设置在飞秒激光器3的激光传播路径上，并且该光开关31连接在控制器1电连接的驱动器的驱动端上。通过控制器对驱动器的控制，实现对光开关31的移动驱动，进而阻断和打开激光传播。其中驱动器可以采用高速电机控制器1根据微结构的加工需求同步控制驱动器，进而实现对光开关31的通断控制，无需人工进行光开关的通断操作，使得微结构的加工工作更加精密和智能化。
三维运动平台4，与控制器1通信连接。该三维运动平台4包括能够驱动样品台5前后运动的第一驱动机构、能够驱动样品台5左右运动的第二驱动机构，能够驱动样品台5上下运动的第三驱动机构41，即该三维运动平台4能够实现对样品台5在X、Y、Z轴上的运动驱动。通常各驱动机构采用电机进行驱动，则各驱动机构中的电机中的控制芯片与控制器1通信连接，进而实现三维运动平台4和控制器1的通信连接，在控制器1的控制下控制三维运动平台4进行运动，带动三维运动平台4上的样品台5进行运动，使得样品移动至激光待加工的位置。如图2所示，本实施例中的第三驱动机构41包括支撑体411以及移动体412，支撑体411具有相对于竖直方向倾斜设置的第一导向平面，移动体412上具有与第一导向平面相对设置且倾斜度匹配的第二导向平面，移动体412能在第一导向平面的导向下实现上下移动，即将上下方向上的垂直运动改变为相对于竖直方向上倾斜方向上的倾斜运动，如此能够在增加移动距离的情况下保证竖直方向上的微小位移控制，进而提高在竖直方向上微小位移的控制精度。同时本实施例中，在确保精度优于0.15um的前提下可使Z方向行程增加到10mm，克服了以往双光子微加工平台Z方向行程短、控制难度大的缺点。
样品台5，设置在三维运动平台4，用于放置待加工的样品。本实施例中的样品台5为透明放置架。
激光反射镜6，设置在飞秒激光器3的激光传播路径上，用于改变激光的传播方向而将激光反射至样品上。本实施例，控制激光器发射的激光能够以水平方向照射在激光反射镜6上，激光反射镜6的相对于竖直方向倾斜45°放置，如此可以将激光器发射的激光经反射后沿竖直方向照射在样品上。
聚焦透镜7，设置在样品台5上用于放置样品的位置上方，用于聚焦激光。该聚焦透镜7设置在激光反射镜6的下方，经激光反射镜6反射后的激光经过聚焦透镜7的聚焦作用进而聚焦在样品上。
摄像头8，设置在聚焦透镜7的上方，摄像头8能够拍摄加工中微结构样品图像，进而传输至计算机中，方便加工人员实时查看加工情况。
照明光源组，用于辅助照明样品，使得摄像头8能够清晰的拍摄加工中微结构样品图像，以方便工作人员监控微结构的加工情况。该照明光源组包括用于自上方照明样品的第一照明光源91和自下方照明样品的第二照明光源92。样品台5的上方设置有能将第一照明光源91的照明光自样品上方反射至样品上的第一反射镜911。本实施例中第一照明光源91的光线以水平方向传播，第一反射镜911设置在激光反射镜6的上方并相对于竖直方向倾斜45°放置，对水平传播的光线发射后，使得照明的光线自样品台5的上方照射在样品上。样品台5内设置有能将第二照明光源92的照明光自样品下方反射至样品上的第二反射镜921。同样，第二照明光源92的光线以水平方向传播，第二反射镜921相对于竖直方向倾斜45°放置，对水平传播的光线发射后，使得照明的光线自样品台5的下方照射在样品上。
该飞秒激光双光子微加工装置在使用时，可以先利用五维运动平台2进行飞秒激光器3位置的调节，使得飞秒激光器3发射的激光路径能够满足要求，并且使得飞秒激光器3发射的激光能够聚焦在样品台5上的样品上。然后再利用三维运动平台4带动样品台5进行移动实现微结构的加工。无需再设置复杂的光路调节组件来实现对激光光路的调节，提高了激光调节的灵活度，降低了光路调整的复杂度和成本。另外本发明中的飞秒激光双光子微加工装置中可以使用小型的飞秒激光器3，如可以使用体积小于500mm*400mm*100mm，激光器主机重量小于15公斤的飞秒激光器3。
Claims (7)
1.一种飞秒激光双光子微加工装置，其特征在于：包括
控制器(1)；
五维运动平台(2)，与控制器(1)通信连接；
飞秒激光器(3)，设置在五维运动平台(2)上；
光开关(31)，设置在飞秒激光器(3)的激光传播路径上，通过移动来阻断和打开激光传播；
三维运动平台(4)，与控制器(1)通信连接；
样品台(5)，设置在三维运动平台(4)，用于放置待加工的样品；
激光反射镜(6)，设置在飞秒激光器(3)的激光传播路径上，用于改变激光的传播方向而将激光反射至样品上；
聚焦透镜(7)，设置在样品台(5)上用于放置样品的位置上方，用于聚焦激光；
摄像头(8)，设置在聚焦透镜(7)的上方。
2.根据权利要求1所述的飞秒激光双光子微加工装置，其特征在于：还包括能够辅助照明样品的照明光源组。
3.根据权利要求2所述的飞秒激光双光子微加工装置，其特征在于：所述照明光源组包括用于自上方照明样品的第一照明光源(91)和自下方照明样品的第二照明光源(92)。
4.根据权利要求3所述的飞秒激光双光子微加工装置，其特征在于：所述样品台(5)的上方设置有能将第一照明光源(91)的照明光自样品上方反射至样品上的第一反射镜(911)；
所述样品台(5)为透明放置架，所述样品台(5)内设置有能将第二照明光源(92)的照明光自样品下方反射至样品上的第二反射镜(921)。
5.根据权利要求1至4任一权利要求所述的飞秒激光双光子微加工装置，其特征在于：所述五维运动平台(2)包括能够实现三维方向上直线运动的第一运动平台(21)和设置在第一运动平台(21)上且能实现二维方向上转动的第二运动平台(22)，所述第一运动平台(21)、第二运动平台(22)分别与控制器(1)通信连接。
6.根据权利要求1至4任一权利要求所述的飞秒激光双光子微加工装置，其特征在于：所述三维运动平台(4)包括能够驱动样品台(5)前后运动的第一驱动机构、能够驱动样品台(5)左右运动的第二驱动机构，能够驱动样品台(5)上下运动的第三驱动机构(41)；
所述第三驱动机构(41)包括支撑体(411)以及移动体(412)，所述支撑体(411)具有相对于竖直方向倾斜设置的第一导向平面，所述移动体(412)上具有与第一导向平面相对设置且倾斜度匹配的第二导向平面，所述移动体(412)能在第一导向平面的导向下实现上下移动。
7.根据权利要求1至4任一权利要求所述的飞秒激光双光子微加工装置，其特征在于：所述光开关(31)连接在驱动器上，所述驱动器与控制器(1)电连接。
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