CN111438438A - 一种激光高效大面积动态干涉加工装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于激光加工领域，公开了一种激光高效大面积动态干涉加工装置及方法，该装置包括整形激光输出组件，以及二维扫描组件、聚焦扫描场镜(6)和激光干涉系统(7)；激光干涉系统用于对激光进行衍射分光处理，得到包括至少两束第1级衍射激光在内的衍射激光，并对衍射激光的传输进行控制，使至少两束第1级衍射激光能够在目标区域重合进而发生光的干涉效应；该光的干涉效应能够用于在待加工工件(10)的目标加工区域上加工形成微纳结构。本发明通过对装置的激光干涉加工的原理、相应各组件的设置及配合工作关系等进行分析与设计，能够有效利用现有的振镜扫描组件控制激光干涉区域形成的位置，能够灵活、高效、经济地实现微纳结构的制备。
Description
技术领域
本发明属于激光加工应用技术领域，更具体地，涉及一种激光高效大面积动态干涉加工装置及方法，通过振镜等高效率的扫描装置控制干涉区域形成的位置，将激光干涉区域直接作用于材料表面，对材料表面进行高效率、低成本、灵活可控的微纳结构制备，尤其是亚微米级的周期性结构，并可广泛适用于各种电子材料及金属等常用材料。
背景技术
在材料表面构建周期性微纳结构可以有效地改变材料表面的性能，如摩擦性能、光学性能、抗腐蚀性能、防污性能等，从而获得所需的减阻、陷光、耐腐蚀、防污垢或自清洁等表面功能，这在生物医学、航空航天、船舶制造、光伏发电、极端制造、微电子等领域具有巨大的应用潜力。
传统机械方法制造表面周期性微纳结构的主要问题是加工效率极低，如单点金刚石车削，在材料表面加工微米量级的周期性条纹结构时，每平方厘米需要耗时30小时以上，而且成本昂贵。此外，由于该方法属于接触式加工，在材料表面具有一定的压力和摩擦力，很难用于超薄和超脆材料表面加工制作。
激光加工具有高精度、高效率、柔性度高、非接触、材料适用范围广等优势，因而，常用于材料表面周期性微纳结构的制备，如激光扫描刻蚀、超快激光诱导、光刻、激光干涉等技术。
激光扫描刻蚀一般采用扫描振镜和场镜，通过路径扫描的方式将聚焦后的激光对材料表面进行刻蚀加工，获得周期性结构。但受衍射限制，一般只能将激光聚焦到几微米至几十微米。因此，通过激光扫描刻蚀所能得到的结构周期只能达到微米量级，无法获得亚微米或者更小量级的周期性结构。
超快激光诱导是利用超快激光在材料表面的诱导作用，形成与激光波长量级相当的周期性条纹结构，但所得条纹结构的周期、形貌、取向均具有随机性，无法实现良好的控制。并且，此方法的作用机理尚存在很大的争论，难以获得高质量的可控周期性微纳结构，因此目前尚不适用于产业化的应用。
光刻技术一般利用光-化学反应原理方法，虽能进行大面积微纳结构的制备，但需通过图形掩模板等方式对材料表面涂覆的光敏材料进行选择性曝光，再通过化学腐蚀的方法，对材料表面进行选择性去除，以获得所需图形。该方法适用的加工材料有限，制造工艺复杂，灵活性差，对工艺水平及整体设备精度要求较高，而且使用的化学液会严重污染环境，一般用于单一结构的大批量产。
激光干涉法一般是通过将两束或多束相干激光按某种固定的光路进行叠加，产生具有周期性光强分布的干涉区域，对材料表面涂覆的光敏材料进行曝光，再通过化学腐蚀方法，对材料表面进行选择性去除，制备周期性微纳结构。专利号为CN104176700A的发明专利公开了一种利用激光干涉制备微结构的方法，将光刻技术进行延伸，省略了光刻技术对掩模板的要求，但仍存在较多限制，包括制造工艺复杂，灵活性差，对工艺水平及整体设备精度要求较高，使用的化学液会严重污染环境等问题。
采用激光干涉直接对工件表面进行刻蚀也是一种周期性微纳结构制备的手段，但需要将干涉用的激光束进行聚焦，提高干涉光斑的功率密度。因此，此种方法在材料表面形成的干涉光斑尺寸较小，在大面积微纳结构的制备中，需要通过移动加工工件表面，对干涉光斑进行逐个拼接，导致加工效率极低，且要求移动精度达到纳米量级，从而限制了此种方法的有效应用。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种激光高效大面积动态干涉加工装置及方法，其中通过对装置的激光干涉加工的原理、相应各组件的设置及配合工作关系等进行分析与设计，与现有微纳结构的制备工艺及装置相比，能够有效利用现有的振镜扫描组件控制激光干涉区域形成的位置，将激光干涉区域直接作用于材料表面，能够灵活、高效、经济地在各种常用材料表面实现微纳结构的制备，尤其适用于大面积制备亚微米量级周期性微纳结构。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种激光干涉加工装置，其特征在于，包括整形激光输出组件，以及依次沿光路设置的二维扫描组件、聚焦扫描场镜和激光干涉系统；其中，
所述整形激光输出组件用于输出整形激光束，该整形激光束依次通过所述二维扫描组件和所述聚焦扫描场镜后记为激光束；
所述激光干涉系统用于先对所述激光束进行衍射分光处理，得到包括至少两束第1级衍射激光在内的衍射激光，并对所述衍射激光的传输进行控制，使至少两束第1级衍射激光能够在目标区域重合进而发生光的干涉效应；该光的干涉效应能够用于在待加工工件的目标加工区域上加工形成微纳结构。
作为本发明的进一步优选，所述激光干涉系统包括一维透射光栅、第一反射镜、第二反射镜和挡光板，其中，所述一维透射光栅所在平面垂直于所述激光束的入射方向，该一维透射光栅能够对所述激光束进行衍射分光，得到第0级衍射激光和两束第1级衍射激光；所述挡光板用于吸收所述第0级衍射激光；所述第一反射镜和所述第二反射镜相互平行且相对设置，这些反射镜的反射面均垂直于所述一维透射光栅的所在平面以及由两束第1级衍射激光所形成的平面，能够使这两束第1级衍射激光各发生1次反射，并使反射后的第1级衍射激光能够在目标区域重合。
作为本发明的进一步优选，所述激光干涉系统包括一维透射光栅、第一反射镜、第二反射镜和挡光板，其中，所述一维透射光栅所在平面垂直于所述激光束的入射方向，该一维透射光栅能够对所述激光束进行衍射分光，得到第0级衍射激光和两束第1级衍射激光；所述挡光板用于吸收所述第0级衍射激光；所述第一反射镜和所述第二反射镜相互平行且相对设置，这些反射镜的反射面均垂直于所述一维透射光栅的所在平面以及由两束第1级衍射激光所形成的平面，能够使这两束第1级衍射激光各发生2次反射，并使反射后的第1级衍射激光能够在目标区域重合。
作为本发明的进一步优选，所述激光干涉系统包括一维透射光栅、第一反射镜、第二反射镜和激光透射块，其中，所述一维透射光栅所在平面垂直于所述激光束的入射方向，该一维透射光栅能够对所述激光束进行衍射分光，得到第0级衍射激光和两束第1级衍射激光；所述第一反射镜和所述第二反射镜相互平行且相对设置，这些反射镜的反射面均垂直于所述一维透射光栅的所在平面以及由两束第1级衍射激光所形成的平面，能够使这两束第1级衍射激光各发生2次反射，并使反射后的第1级衍射激光能够在目标区域重合；所述激光透射块用于在不影响所述第0级衍射激光传输方向的前提下，补偿所述第0级衍射激光的光程，使所述第0级衍射激光能够在所述目标区域与所述第1级衍射激光重合、且与任意一束第1级衍射激光的光程相同。
作为本发明的进一步优选，所述激光干涉系统包括二维透射光栅、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜和挡光板，其中，所述二维透射光栅所在平面垂直于所述激光束的入射方向，该二维透射光栅能够对所述激光束进行衍射分光，得到第0级衍射激光和四束第1级衍射激光；所述挡光板用于吸收所述第0级衍射激光；所述第一反射镜和所述第二反射镜为一组，相互平行且相对设置，这一组反射镜的反射面均垂直于所述二维透射光栅的所在平面以及由沿第0级衍射激光对称的两束第1级衍射激光所形成的平面，能够使这两束第1级衍射激光各发生2次反射，并使反射后的第1级衍射激光能够在目标区域重合；
所述第三反射镜和所述第四反射镜为另一组，相互平行且相对设置，这一组反射镜的反射面均垂直于所述二维透射光栅的所在平面以及由沿第0级衍射激光对称的另外两束第1级衍射激光所形成的平面，能够使这两束第1级衍射激光也各发生2次反射，并使反射后的第1级衍射激光同样能够在目标区域重合。
作为本发明的进一步优选，所述激光干涉系统包括二维透射光栅、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜和激光透射块，其中，所述二维透射光栅所在平面垂直于所述激光束的入射方向，该二维透射光栅能够对所述激光束进行衍射分光，得到第0级衍射激光和四束第1级衍射激光；所述第一反射镜和所述第二反射镜为一组，相互平行且相对设置，这一组反射镜的反射面均垂直于所述二维透射光栅的所在平面以及由沿第0级衍射激光对称的两束第1级衍射激光所形成的平面，能够使这两束第1级衍射激光各发生2次反射，并使反射后的第1级衍射激光能够在目标区域重合；
所述第三反射镜和所述第四反射镜为另一组，相互平行且相对设置，这一组反射镜的反射面均垂直于所述二维透射光栅的所在平面以及由沿第0级衍射激光对称的另外两束第1级衍射激光所形成的平面，能够使这两束第1级衍射激光也各发生2次反射，并使反射后的第1级衍射激光同样能够在目标区域重合；
所述激光透射块用于在不影响所述第0级衍射激光传输方向的前提下，补偿所述第0级衍射激光的光程，使所述第0级衍射激光能够在所述目标区域与所述第1级衍射激光重合、且与任意一束第1级衍射激光的光程相同。
作为本发明的进一步优选，所述激光干涉系统包括光隔离器、总导光镜、一维反射光栅、第三反射镜和第四反射镜，其中，
所述光隔离器用于单向传输激光，并在所述总导光镜的配合作用下使所述激光束能够垂直的入射至所述一维反射光栅；该一维反射光栅能够对所述激光束进行衍射分光，在入射激光的同侧产生反射的第0级衍射激光和两束第1级衍射激光；所述第三反射镜和所述第四反射镜相互平行且相对设置，这些反射镜的反射面均垂直于所述一维反射光栅的所在平面以及由两束第1级衍射激光所形成的平面，能够使这两束第1级衍射激光各发生1次反射，并使反射后的第1级衍射激光能够在目标区域重合；
所述第0级衍射激光沿原光路返回至所述光隔离器从而被该光隔离器吸收。
作为本发明的进一步优选，所述整形激光输出组件包括用于输出激光的激光器，以及沿光路依次设置的第一导光镜、第二导光镜和整形镜头；
所述二维扫描组件为二维扫描振镜。
作为本发明的进一步优选，所述装置还包括xy二维工作台和平面旋转台，其中，所述xy二维工作台置于所述平面旋转台上，该xy二维工作台用于承载待加工的工件，并用于带动待加工的工件在二维平面内移动；所述平面旋转台用于旋转以调整所述xy二维工作台及所述待加工的工件的空间位置。
按照本发明的另一方面，本发明提供了利用上述装置的激光动态干涉加工方法，其特征在于，该方法是利用上述装置，通过二维扫描组件带动激光束的移动，使激光干涉系统中的干涉光路动态变化，从而使所述光的干涉效应的发生位置沿预先设定的轨迹移动；
或者，该方法是利用上述装置，通过二维扫描组件带动激光束的移动，使激光干涉系统中的干涉光路动态变化，并配合平面旋转台的旋转，从而使所述待加工工件的目标加工区域及目标加工结构满足预先设定的要求；
又或者，该方法是利用上述装置，通过二维扫描组件带动激光束的移动，使激光干涉系统中的干涉光路动态变化，并配合xy二维工作台的移动与平面旋转台的旋转，从而使所述待加工工件的目标加工区域及目标加工结构满足预先设定的要求。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本发明激光干涉加工装置中关键组件——激光干涉系统可划分为六种结构：
第一种结构是由一个一维透射光栅、一个挡光板、第一反射镜和第二反射镜组成。一维透射光栅的功能是使入射激光束发生衍射，产生一束0级和两束1级衍射激光，三束衍射激光互为相干光；挡光板的功能是吸收0级光；第一反射镜和第二反射镜的功能是使两束1级衍射激光经过一次反射后到达工件表面上，并重合发生干涉效应。
第二种结构是由一个一维透射光栅、一个挡光板、第一反射镜和第二反射镜组成。一维透射光栅的功能是使入射激光束发生衍射，产生一束0级和两束1级衍射激光，三束衍射激光互为相干光；挡光板的功能是吸收0级光；第一反射镜和第二反射镜的功能是使两束1级衍射激光经过两次反射后到达工件表面上，并重合发生干涉效应。
第三种结构是由一个一维透射光栅、一个激光透射块、第一反射镜和第二反射镜组成。一维透射光栅的功能是使入射光束发生衍射，产生一束0级和两束1级衍射激光，三束衍射激光互为相干光；激光透射块的功能是透射0级衍射激光并对其光程进行补偿，使0级衍射激光到达工件表面上的光程与两束1级衍射激光到达工件表面上的光程相等；第一反射镜和第二反射镜的功能是使两束1级衍射激光经过两次反射后到达工件表面上，并与0级衍射激光束重合发生干涉效应。
第四种结构是由一个二维透射光栅、一个挡光板、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜组成。二维透射光栅的功能是使入射激光束发生衍射，产生一束0级和四束1级衍射激光，五束衍射激光互为相干光；挡光板的功能是吸收0级光；第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜的功能是使四束1级衍射激光经过两次反射后到达工件表面，并重合发生干涉效应。
第五种结构是由一个二维透射光栅、一个激光透射块、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜组成。二维透射光栅的功能是使入射激光束发生衍射，产生一束0级和四束1级衍射激光，五束衍射激光互为相干光；激光透射块的功能是透射0级衍射激光并对其光程进行补偿，使0级衍射激光到达工件表面上的光程与四束1级衍射激光到达工件表面上的光程相等；第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜的功能是使四束1级衍射激光经过两次反射后到达工件表面，并与0级衍射激光束重合发生干涉效应。
第六种结构是由一个光隔离器、总导光镜(如第一反射镜、第二反射镜)、一个一维反射光栅、第三反射镜和第四反射镜和组成。光隔离器的功能是阻挡光路传输过程中的后向传输光；总导光镜(如第一反射镜、第二反射镜)的功能是反射入射激光束，使其垂直入射到一维反射光栅；一维反射光栅的功能是使入射激光束发生衍射，产生一束0级和两束1级衍射激光，三束衍射激光互为相干光；0级光将沿原路返回到光隔离器并被吸收，第三反射镜和第四反射镜的功能是使两束1级衍射激光经过一次反射后到达工件表面，并重合发生干涉效应。
基于本发明激光干涉加工装置有以下四种激光大面积动态干涉加工方法：
之一是单独采用二维扫描振镜进行激光大面积动态干涉加工，从而制备所需的周期性微纳结构。该方法的主要原理是激光光束整形后输入二维扫描振镜对激光进行扫描，从而控制激光干涉光斑在工件表面的运动轨迹；然后通过聚焦扫描场镜的聚焦，射入到激光干涉系统，在工件表面上进行激光大面积动态干涉加工，可实现周期性微纳结构的高效大面积制备。制备的结构周期与激光波长量级相当，一般为亚微米级。
之二是采用二维扫描振镜与平面旋转台相配合，进行激光大面积动态干涉加工，从而制备所需的多维周期性微纳结构。该方法的主要原理是激光光束整形后输入二维扫描振镜对激光进行扫描，从而控制激光干涉光斑在工件表面的运动轨迹；然后通过聚焦扫描场镜的聚焦，射入到激光干涉系统，在工件表面上进行激光大面积动态干涉加工，可实现周期性微纳结构的高效大面积制备。制备的结构周期与激光波长量级相当，一般为亚微米级。通过平面旋转台将每次加工所得的周期性微纳结构在工件的表面上以一定旋转角度相互叠加，从而获得结构更加复杂的多维周期性微纳结构。
之三是采用二维扫描振镜与平面旋转台联动，进行激光大面积动态干涉加工，从而制备所需的周期性微纳结构，可实现具有一定旋转规律的多维周期性微纳结构的高效制备。
之四是将二维扫描振镜、平面旋转台、xy二维工作台相配合进行跨尺度的激光大面积动态干涉加工，可实现跨尺度多维周期性微纳结构的制备。
具体来说，本发明具有以下技术优点：
1.本发明可以采用二维高速扫描振镜快速移动激光干涉区域，从而实现高效率、高精度、大面积的周期性一维或二维微纳结构的制备，结构周期与激光波长量级相当，一般为亚微米级；
2.本发明可以通过平面旋转台在工件同一位置多次加工各种取向的周期性微纳结构，实现各种形状的多维周期性微纳结构的制备，结合xy位移台的平面移动拼接功能，可实现跨尺度的大面积多维周期性微纳结构制备；
3.本发明中，干涉区域的整体直径可以减小至几十微米，适用于宏观上高分辨率的选择性表面处理，由此也可以进行各种图案的加工制备，如防伪标志等；
4.本发明将激光干涉区域直接作用于材料表面，加工流程简单，无需较高要求的工作环境，可以实现批量生产及单件定制的快速加工制备，且整体设备成本低，易于操作和维护；
5.激光与材料的相互作用是非接触加工制备过程，没有机械作用力，不但适合在脆性超薄材料表面上加工制备，而且也适合在各种薄膜表面上加工制备，因此，加工材料范围广泛；
6.由于制备周期性的微纳结构是通过激光直接与材料作用而成，这个制备过程不需要任何化学药物辅助，因此，对工作环境无任何污染，属于绿色环保加工制备技术。
综上，本发明通过振镜等高效率的扫描装置控制干涉区域形成的位置，将激光干涉区域直接作用于材料表面，对材料表面进行高效率、低成本、灵活可控的微纳结构制备，尤其是亚微米级的周期性结构，并可广泛适用于各种电子材料及金属等常用材料。利用振镜的扫描，能够实现厘米或分米量级的区域的加工，配合xy二维工作台、平面旋转台带动待加工的工件，能够实现更大面积的加工。
附图说明
图1本发明公开的一种激光大面积动态干涉加工装置示意图。
图2本发明公开的激光干涉系统第一种结构示意图。
图3本发明公开的激光干涉系统第一种结构的原理示意图。
图4本发明公开的激光干涉系统在工件表面形成的干涉光斑示意图。
图5本发明公开的激光干涉系统第一种结构中入射激光束沿y轴移动后的干涉光路示意图。
图6本发明公开的激光干涉系统第二种结构示意图。
图7本发明公开的激光干涉系统第三种结构示意图。
图8本发明公开的激光干涉系统第四种结构示意图。
图9本发明公开的激光干涉系统第五种结构示意图。
图10本发明公开的激光干涉系统第六种结构示意图。
图11本发明公开的激光大面积动态干涉加工第四种实施方法示意图。
图中各附图标记的含义如下：激光器1，第一导光镜2，第二导光镜3，整形镜头4，二维扫描振镜5，聚焦扫描场镜6，激光干涉系统7，xy二维工作台8，平面旋转台9，待加工的工件10，一维透射光栅11，第一反射镜12，第二反射镜13，挡光板14，入射激光束15，激光入射点16，0级衍射激光17，1级衍射激光18和19，激光重合点20，沿x轴移动后的激光入射点21，激光重合点22，沿y轴移动后的激光入射点23，激光重合点24，第一反射镜25，第二反射镜26，激光入射点27，激光重合点28，任意移动后的激光入射点29，激光重合点30，激光透射块31，激光入射点32，激光重合点33，任意移动后的激光入射点34，激光重合点35，二维透射光栅36，第一反射镜37，第二反射镜38，第三反射镜39，第四反射镜40，激光入射点41，0级衍射激光42，1级衍射激光43、44、45、46，激光重合点47，激光入射点48，激光重合点49，光隔离器50，第一反射镜51，第二反射镜52，一维反射光栅53，第三反射镜54，第四反射镜55，激光入射点57，0级衍射激光58，1级衍射激光59和60，激光重合点61，激光干涉扫描区域62、63、64。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明公开的一种激光大面积动态干涉加工装置如图1所示，包括激光器1、第一导光镜2、第二导光镜3、整形镜头4、二维扫描振镜5、聚焦扫描场镜6、激光干涉系统7、xy二维工作台8、平面旋转台9，待加工的工件10。激光器1的功能是输出任意波长的连续或脉冲激光束；导光镜2、3的功能是将激光束导入到整形镜头4；整形镜头4的功能是对激光束进行整形优化；二维扫描振镜5的功能是控制激光干涉光斑在工件表面上的扫描轨迹；聚焦扫描场镜6的功能是使激光聚焦并保持激光垂直入射到激光干涉系统；激光干涉系统7的功能是将入射激光束分为若干束相干光并使其在工件表面发生干涉。
工作台是由平面旋转台和xy二维工作台组成，xy二维工作台固定在平面旋转台上，工件固定在xy二维工作台上，其功能是使工件实现绕z轴旋转和沿xy平面移动。
本发明公开的激光大面积动态干涉加工实施方法之一是单独采用二维扫描振镜5进行激光大面积动态干涉加工，制备所需的周期性微纳结构。激光器1输出的激光束经第一导光镜2和第二导光镜3导入整形镜头4，将激光束进行预整形优化后，通过二维扫描振镜5扫描和聚焦扫描场镜6聚焦，入射到激光干涉系统7中，进行激光大面积动态干涉加工。
本发明公开的激光干涉系统7有六种结构，在以下对激光干涉系统中的各束激光进行分析时，除非特别说明，一般将各束激光抽象为一条光线进行分析。
本发明公开的激光干涉系统7的第一种结构是由一维透射光栅11、第一反射镜12、第二反射镜13、挡光板14组成。一维透射光栅11与工件10的表面相互平行，第一反射镜12与第二反射镜13的反射面相对并相互平行，且垂直于一维透射光栅11的所在平面和三束衍射激光17、18、19所形成的平面，如图2所示。反射镜12、13面积尺寸和相互之间距离大小应确保入射激光束15垂直入射到一维透射光栅11的任意入射点，输出端产生的两束1级衍射激光均可实现一次反射，不会逸出反射镜12和13。
激光干涉系统7的第一种结构的工作原理，如图3所示。当入射激光束15垂直入射到一维透射光栅11的入射点16位置时，一维透射光栅11输出端将产生一束0级衍射激光17和两束1级衍射激光18和19，这三束衍射激光互为相干光。其中0级衍射激光17与入射激光束15同光轴，两束1级衍射激光18和19发生方向折转，并对称分布于0级衍射激光17两侧，与0级衍射激光17的夹角均为θ。0级衍射激光17将射入挡光板14，并被挡光板14吸收；1级衍射激光18经过第一反射镜12，沿a1、a2所示的光路传播；同样，1级衍射激光19经第二反射镜13的反射后，沿b1、b2所示的光路传播，两束反射激光18和19将会在20点处重合，如图3所示。由几何光学可知，由a1、a2、b1、b2四条光路确定的几何图形为平行四边形，因而在两束激光重合处20满足关系a1+a2＝b1+b2，即两束1级衍射激光18和19在重合处20经历了相同的光程，故会在重合处20发生干涉效应，其干涉角为a2与b2之间的夹角，大小为2θ。此时，将待加工工件10表面移到两束激光重合处20，即可在工件10表面上形成一维干涉条纹光斑，如图4所示。除了第1级衍射激光外，对于i≥2的第i级衍射激光而言，由于不同级衍射激光与第0级衍射激光的夹角不同，在同一激光干涉系统7下，i不同导致它们的重合点也将不同，且由于衍射光谱中第0级衍射激光和第1级衍射激光的光强最强，因此可忽略i≥2的第i级衍射激光。
两束1级衍射激光18和19与0级衍射激光17的夹角θ满足公式Tsinθ＝λ，其中T为一维透射光栅11的结构周期，λ为入射激光束15的波长，两束1级衍射激光18和19沿加工平面法线对称入射到加工平面的同一位置所得干涉光斑的条纹结构周期Λ满足公式2Λsinθ＝λ。综合上述两公式可知：T＝2Λ，即激光干涉系统7中激光干涉加工所得干涉光斑20的条纹结构周期为一维透射光栅11结构周期的一半。
通过二维扫描振镜5将入射激光束15的入射点16沿x轴移动到入射点21，如图2中虚线所示，光路依旧位于一个垂直于x轴的截面上，且在截面内的光路与图3相同。因此，激光干涉光斑也将沿入射点的移动方向同向移动相同的距离，从工件10表面20位置到达22位置。
通过二维扫描振镜5将入射激光束15的入射点16沿y轴移动到入射点23，形成如图5所示的光路。一维透射光栅11产生的1级衍射激光18经过第一反射镜12的反射，将沿c1和c2所示的光路传播，到达工件10表面的24位置；而1级衍射激光19经第二反射镜13的反射后，将沿d1和d2所示的光路传播，也到达工件10表面的24位置。同样由几何光学可知，由c1、c2、d1、d2四条光路确定的几何图形依然为平行四边形，并且有a1+a2＝b1+b2＝c1+c2＝d1+d2，干涉角大小仍为2θ。因此，两束1级衍射激光18和19的光程相等，形成激光干涉光斑24，激光干涉光斑与入射点的移动距离相等但方向相反，从工件10表面20位置到达24位置，如图5所示。
综合上述描述，激光干涉系统7的第一种结构在一维透射光栅11上移动入射激光束15的入射点位置时，工件10的表面上形成的干涉光斑随之移动，二者移动距离相同，移动方向沿x轴相同，沿y轴相反。通过扫描振镜5在一维透射光栅11上快速移动入射激光束15进行图形扫描时，在工件10的表面上形成的干涉光斑随之移动扫描相同尺寸的图形，并且，扫描方向沿x轴相同，沿y轴相反。
为改善激光干涉系统7第一种结构中的扫描图形取向问题，本发明公开了激光干涉系统7第二种结构。该结构是由一维透射光栅11、第一反射镜25、第二反射镜26、挡光板14组成。一维透射光栅11与工件10的表面相互平行，第一反射镜25与第二反射镜26的反射面相对并相互平行，且垂直于一维透射光栅11的所在平面和三束衍射激光17、18、19所形成的平面，如图6所示。第二种结构工作原理与第一种结构工作原理的区别在于两束1级衍射激光18和19需经历两次反射后，才到达工件10表面，并且反射镜25、26面积尺寸和相互之间距离大小应确保入射激光束15垂直入射到一维透射光栅11的任意入射点，产生两束1级衍射激光在两次反射时均不会逸出反射镜25和26。
入射激光束15从入射点27的位置垂直入射到一维透射光栅11时，一维透射光栅11输出端产生的1级衍射激光18先通过第一反射镜25反射到第二反射镜26，再通过第二反射镜26反射到工件10的表面；同样，1级衍射激光19先通过第二反射镜26反射到第一反射镜25，再通过第一反射镜25反射到工件10的表面。上下调节工件10的具体位置，使经过两次反射的两束1级衍射激光在工件10的表面重合于一处28。同样由几何光学可知，经过两次反射的两束1级衍射激光18和19经历的光程相同，因而在工件10表面上重合处28发生干涉效应，形成了一个干涉光斑。
将入射激光束15的入射点27在一维透射光栅11上沿任意方向移动到入射点29时，如图6中虚线所示，激光干涉光斑也将沿入射点的移动方向同向移动相同的距离，到达工件10表面的30位置。因此，通过扫描振镜5在一维透射光栅11上快速移动入射激光束15进行图形扫描时，工件10的表面上形成的干涉光斑随之快速移动，扫描大小和方向完全一致的图形。
本发明公开的激光干涉系统7的第三种结构是由一维透射光栅11、第一反射镜25、第二反射镜26、激光透射块31组成，如图7所示。一维透射光栅11、激光透射块31、工件10的表面相互平行，第一反射镜25与第二反射镜26的反射面相对并相互平行，且垂直于一维透射光栅11的所在平面和三束衍射激光17、18、19所形成的平面。反射镜25和26面积尺寸和相互之间距离大小应确保入射激光束15垂直入射到一维透射光栅11的任意入射点时，产生两束1级衍射激光在两次反射时均不会逸出反射镜25和26。激光透射块31的折射率应大于空气的折射率，当0级衍射激光17通过激光透射块31后，会使光程增加，起到对0级衍射激光17光程进行补偿的功能。因此，可通过选择激光透射块31的厚度来精确控制0级衍射激光17的光程增加量。
激光干涉系统7的第三种结构的工作原理见图7所示，入射激光束15从入射点32处垂直入射到一维透射光栅11时，一维透射光栅11的输出端产生的0级衍射激光17直接经过激光透射块31到达工件10的表面；而产生的1级衍射激光18先通过第一反射镜25反射到第二反射镜26，再通过第二反射镜26反射到工件10的表面；同样，1级衍射激光19先通过第二反射镜26反射到第一反射镜25，再通过第一反射镜25反射到工件10的表面。由于两束1级衍射激光18和19对称分布于0级衍射激光17两侧，与0级衍射激光17的夹角均为θ。由几何光学可知，经过激光透射块31的0级衍射激光17必然通过两束1级衍射激光束18和19两次反射后的重合处。调节工件10表面到三束衍射激光的重合叠加处33，并且，通过选择合适的激光透射块31厚度，使0级衍射激光17到达工件10表面的光程与两束1级衍射激光束18和19到达工件10表面的光程相同，即可在光斑重合叠加处33发生三束激光干涉效应，获得周期性复杂干涉结构的干涉光斑。
在一维透射光栅11上将入射激光束15的入射点32沿任意方向移动到入射点34时，形成如图7中虚线所示的光路，由于激光透射块31对0级衍射激光17的光程补偿量是恒定的，因此三束衍射激光17、18、19形成的干涉点也将沿入射点的移动方向同向移动相同的距离，到达工件10表面的35位置。通过扫描振镜5在一维透射光栅11上快速移动入射激光束15并扫描图形时，在工件10的表面上形成的干涉光斑随之移动，并扫描成大小和方向完全一致的图形。
本发明公开的激光干涉系统7的第四种结构，如图8所示。该结构由二维透射光栅36、第一反射镜37、第二反射镜38、第三反射镜39、第四反射镜40和挡光板14组成。二维透射光栅36与工件10的表面相互平行；第一反射镜37和第二反射镜38的反射面相对并相互平行，且垂直于二维透射光栅36的所在平面和三束衍射激光42、43、44所形成的平面；第三反射镜39和第四反射镜40的反射面相对并相互平行，且垂直于二维透射光栅36的所在平面和三束衍射激光42、45、46所形成的平面。反射镜37、38、39、40面积尺寸和相互之间距离大小应确保入射激光束15垂直入射到二维透射光栅36的任意入射点，产生的四束1级衍射激光束在两次反射时均不会逸出反射镜37、38、39、40。
当入射激光束15从二维透射光栅36的入射点41处垂直入射时，在二维透射光栅36的输出端产生一束0级衍射激光42和四束1级衍射激光43、44、45、46。其中0级衍射激光42与入射激光束15同轴，四束1级衍射激光43、44、45、46发生方向折转。两束1级衍射激光43和44在垂直于x轴的平面内对称分布于0级衍射激光42两侧，而两束1级衍射激光45和46在垂直于y轴的平面内对称分布于0级衍射激光42两侧。0级衍射激光42将射入挡光板14，并被挡光板14吸收，而四束1级衍射激光43、44、45、46将分别射入第一反射镜37、第二反射镜38、第三反射镜39、第四反射镜40，经两次反射后会重合在47处。由几何光学可知，四束1级衍射激光43、44、45、46的光程相等，因而在47处重合会发生干涉效应，将工件10表面移到重合点47时，在工件10表面上将形成一个二维周期性干涉结构的光斑。
同样，将入射激光束15的入射点41在二维透射光栅36上沿任意方向移动一定距离时，激光干涉点在工件10的表面上也将沿入射点的移动方向同向移动相同的距离。因此，通过扫描振镜5在二维透射光栅36上快速移动入射激光束15并扫描图形时，在工件10的表面上形成的干涉光斑随之移动，并扫描成大小和方向完全一致的图形。
本发明公开的激光干涉系统7第五种结构与第四种结构类似，唯一不同之处是将一块激光透射块31代替了挡光板14，并与二维透射光栅36的所在平面平行，如图9所示。由于激光透射块31的折射率大于空气的折射率，所以0级衍射激光17通过激光透射块31后，会使其光程增加，因此，可通过选择激光透射块31的厚度来精确控制0级衍射激光17的光程增加量。
第五种结构的工作原理也与第四种结构类似，唯一不同之处是0级衍射激光42将通过激光透射块31到达工件10的表面，并与四束1级衍射激光43、44、45、46在工件10表面上49处重合叠加，通过选择合适的激光透射块31的厚度，使0级衍射激光42到达工件10表面的光程与四束1级衍射激光束43、44、45和46到达工件表面的光程相同，即可在光斑重合叠加处49发生五束激光干涉效应，获得周期性复杂干涉结构的干涉光斑。
将入射激光束15在二维透射光栅36上的入射点48沿任意方向移动一定距离时，五束衍射激光42、43、44、45、46形成的干涉点也将沿入射点的移动方向同向移动相同的距离。通过扫描振镜5在二维透射光栅36上移动入射激光束15并扫描成图形时，工件10的表面上形成的干涉光斑随之移动，并扫描成大小和方向完全一致的图形。
本发明公开的激光干涉系统7的第六种结构是由光隔离器50、第一反射镜51、第二反射镜52、一维反射光栅53、第三反射镜54和第四反射镜55组成，如图10所示。
扫描振镜5输出的激光束15经过光隔离器50，并通过第一反射镜51和第二反射镜52的反射，垂直入射到一维反射光栅53。光隔离器50的功能是阻挡光路传输过程中的后向传输光。
设置一维反射光栅53与工件10的表面相互平行，第三反射镜54和第四反射镜55的反射面相对并相互平行，且垂直于一维反射光栅53的所在平面和三束衍射激光58、59、60所形成的平面。当一维反射光栅53在入射点57处收到垂直入射的激光束15时，在一维反射光栅53的同侧产生反射的一束0级衍射激光58和两束1级衍射激光59和60，其中0级衍射激光58与入射激光束15同轴且方向相反，两束1级衍射激光59和60的反射方向发生折转，对称分布于0级衍射激光58两侧。反射镜54和55面积尺寸和相互之间距离大小应确保入射激光束15垂直入射到一维反射光栅53的任意入射点，产生两束1级衍射激光59和60均不会逸出反射镜54和55。0级衍射激光58沿入射激光束15的路径返回，到达光隔离器50后被吸收；1级衍射激光59经过第三反射镜54的反射光束与1级衍射激光60经过第四反射镜55的反射光束会在点61处重合，形成干涉效应，其工作原理与第一种结构的工作原理相同，见图3所示。将待加工工件10表面移到两束激光重合处61，即可在工件10表面上形成一维干涉条纹光斑61，如图4所示。
通过二维扫描振镜5将入射激光束15的入射点在一维反射光栅53上移动，工件10的表面上形成的干涉光斑也随之移动，二者移动距离相同，移动方向沿x轴相同，沿y轴相反。在一维反射光栅53上移动入射激光束15并扫描图形时，在工件10的表面上形成的干涉光斑随之移动，并扫描大小相同的图形，图形方向沿x轴相同，沿y轴相反。
上述激光干涉系统7的六种结构均会在工件10表面上的一定区域内实现动态干涉加工过程：通过二维扫描振镜5快速移动入射激光束15时，激光干涉系统7中的干涉光路动态变化，所得的干涉光斑在工件10的表面上随之移动，从而实现激光高效大面积动态干涉加工。
本发明公开的激光大面积动态干涉加工实施方法之二是采用二维扫描振镜5与平面旋转台9相配合，进行激光大面积动态干涉加工，从而制备所需的多维周期性微纳结构。如图1所示，其中激光干涉系统7可以是以上六种结构的任意一种。
具体实施步骤是：激光器1输出的激光束经第一导光镜2和第二导光镜3导入整形镜头4，将激光束进行预整形优化后，通过二维扫描振镜5扫描和聚焦扫描场镜6聚焦，入射到激光干涉系统7中，进行激光大面积动态干涉加工。
首先，采用二维扫描振镜5对工件10表面上的干涉光斑进行扫描，使用具有周期性干涉结构的干涉光斑对工件10的表面进行周期性微纳结构的高效制备。
然后，关闭激光器1和二维扫描振镜5，启动平面旋转台9，将工件10绕z轴旋转一定的角度后停止。再启动激光器1和二维扫描振镜5，对工件10表面上的干涉光斑进行扫描，使用具有周期性干涉结构的干涉光斑对工件10的表面再次进行周期性微纳结构的高效制备。
由此，两次加工所得的周期性微纳结构在工件10的表面上以一定旋转角度相互叠加，生成了结构更加复杂的多维周期性微纳结构。
本发明公开的激光大面积动态干涉加工实施方法之三是采用二维扫描振镜5与平面旋转台9联动，进行激光大面积动态干涉加工，从而制备所需的多维周期性微纳结构。如图1所示，其中激光干涉系统7可以是以上六种结构的任意一种。
具体实施步骤是：激光器1输出的激光束经第一导光镜2和第二导光镜3导入整形镜头4，将激光束整形至所需能量分布后，通过二维扫描振镜5扫描和聚焦扫描场镜6聚焦，入射到激光干涉系统7中，进行激光大面积动态干涉加工。
同时启动二维扫描振镜5和平面旋转台9，采用二维扫描振镜5对工件10表面上的干涉光斑进行扫描的同时，采用平面旋转台9旋转工件10，可获得具有一定旋转规律的多维周期性微纳结构，制备过程高效灵活，二维扫描振镜5与平面旋转台9配合的形式较为多样化。
以上的激光大面积动态干涉加工实施方法虽然增加了激光干涉加工的面积，提高了周期性微纳结构制备的效率和灵活性，但由于二维扫描振镜5和聚焦扫描场镜6的扫描区域的限制，工件10表面可进行动态干涉加工的区域有限，仅限于厘米或分米量级。
为了进一步扩大激光动态干涉加工的区域，本发明公开了激光大面积动态干涉加工实施方法之四，如图11所示。该实施方法是将二维扫描振镜5、xy二维工作台8、平面旋转台9相配合，进行跨尺度激光大面积动态干涉加工，从而在更大的区域内制备所需的多维周期性微纳结构，其中激光干涉系统7可以是以上六种结构的任意一种。
具体实施步骤是：激光器1输出的激光束经第一导光镜2和第二导光镜3导入整形镜头4，将激光束整形至所需能量分布后，通过二维扫描振镜5扫描和聚焦扫描场镜6聚焦，入射到激光干涉系统7中，进行激光大面积动态干涉加工。
首先，采用二维扫描振镜5对工件10表面上的干涉光斑进行扫描，使用具有一维或二维周期性干涉结构的干涉光斑对工件10的表面进行周期性微纳结构的高效制备。
然后，关闭激光器1和二维扫描振镜5，启动平面旋转台9，将工件10绕z轴旋转一定的角度后停止。再启动激光器1和二维扫描振镜5，对工件10表面上的干涉光斑进行扫描，使用具有一维或二维周期性干涉结构的干涉光斑对工件10的表面再次进行周期性微纳结构的高效制备。由此，两次加工所得的周期性微纳结构在工件10的表面上以一定旋转角度相互叠加，生成了结构更加复杂的多维周期性微纳结构。
当完成了一个激光干涉扫描区域62的加工后，关闭激光器1、二维扫描振镜5和平面旋转台9，启动平面旋转台9上的xy二维工作台8，移动工件10，进行激光干涉扫描区域63的加工，启动激光器1、二维扫描振镜5和平面旋转台9，重复以上过程。激光干涉扫描区域62和63采用图形拼接的方法，连接成比二维扫描振镜5和聚焦扫描场镜6的扫描区域更大的区域。当激光干涉扫描区域63加工完成后，再启动xy二维工作台8，移动工件10，进行激光干涉扫描区域64的加工。由此，可以在任意尺度的区域内实现大面积动态干涉加工，从而在更大的区域内制备所需的多维周期性微纳结构。
实例：
实例1：
本实例采用激光大面积动态干涉加工实施方法之一和激光干涉系统结构之一，单独采用二维扫描振镜在ITO导电玻璃表面上进行激光大面积动态干涉加工。激光器的脉冲宽度为12ps，波长为1064nm，最大单脉冲能量为400μJ；二维扫描振镜的稳定运转速度为50rad/s；聚焦扫描场镜采用焦距为100mm的远心f-θ场镜；激光干涉系统中的一维透射光栅尺寸为10×10mm，周期为1520nm。在ITO导电玻璃表面上可得到直径为80μm的干涉光斑，光斑内部干涉条纹周期为760nm。使用二维扫描振镜控制ITO导电玻璃表面的激光干涉光斑的扫描轨迹，在ITO导电玻璃表面8×8mm的区域内，刻蚀得到均匀分布的一维周期性条纹结构，周期为760nm，制备效率＞0.1cm2/s。
实例2：
本实例采用激光大面积动态干涉加工实施方法之二和激光干涉系统结构之三，对不锈钢表面进行激光大面积动态干涉加工。激光器的脉冲宽度为900fs，波长为515nm，最大单脉冲能量为200μJ；二维扫描振镜的稳定运转速度为60rad/s；聚焦扫描场镜采用焦距为160mm的远心f-θ场镜；一维透射光栅的周期为1000nm，三束衍射激光在不锈钢表面上干涉，可得到直径为110μm的干涉光斑，光斑内部为周期为1000nm的复合干涉结构。先启动二维扫描振镜在不锈钢表面进行激光大面积动态干涉加工，在不锈钢表面20×20mm的区域内，刻蚀得到均匀分布的周期为1000nm的复合干涉结构；然后关闭激光器，将平面旋转台旋转90°，再启动二维扫描振镜在不锈钢表面进行激光大面积动态干涉加工，最终得到均匀分布的二维周期性微纳结构，两个维度上的周期均为1000nm，制备效率＞0.5cm2/s。
实例3：
本实例采用激光大面积动态干涉加工实施方法之一和激光干涉系统结构之四，在硅片表面进行激光大面积动态干涉加工。激光器的脉冲宽度为700fs，波长为343nm，最大单脉冲能量为50μJ；二维扫描振镜的稳定运转速度为30rad/s；聚焦扫描场镜采用焦距为250mm的远心f-θ场镜；二维透射光栅在两个维度上的周期均为700nm，在硅片表面上获得直径为200μm的干涉光斑，启动二维扫描振镜控制激光干涉光斑的扫描轨迹，在硅片表面25×25mm的区域内，刻蚀得到均匀分布的二维方格结构，两个维度上的周期均为350nm，加工效率＞1cm2/s。
本发明装置所采用的各个组件均可由市售购得。除了采用二维扫描振镜5作为二维扫描组件外，也可采用现有技术中其他实现方式，例如二维扫描组件还可以由电机、压电陶瓷等驱动反射镜的转动实现。本发明装置所采用的激光干涉系统中的光栅器件包括但不限于体光栅、振幅光栅、位相光栅等。本发明装置所采用的整形镜头包括但不限于由各种球面镜、非球面镜、柱透镜组成的透镜组。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种激光干涉加工装置，其特征在于，包括整形激光输出组件，以及依次沿光路设置的二维扫描组件、聚焦扫描场镜(6)和激光干涉系统(7)；其中，
所述整形激光输出组件用于输出整形激光束，该整形激光束依次通过所述二维扫描组件和所述聚焦扫描场镜(6)后记为激光束(15)；
所述激光干涉系统(7)用于先对所述激光束(15)进行衍射分光处理，得到包括至少两束第1级衍射激光在内的衍射激光，并对所述衍射激光的传输进行控制，使至少两束第1级衍射激光能够在目标区域重合进而发生光的干涉效应；该光的干涉效应能够用于在待加工工件(10)的目标加工区域上加工形成微纳结构。
2.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述激光干涉系统(7)包括一维透射光栅(11)、第一反射镜(12)、第二反射镜(13)和挡光板(14)，其中，所述一维透射光栅(11)所在平面垂直于所述激光束(15)的入射方向，该一维透射光栅(11)能够对所述激光束(15)进行衍射分光，得到第0级衍射激光和两束第1级衍射激光；所述挡光板(14)用于吸收所述第0级衍射激光；所述第一反射镜(12)和所述第二反射镜(13)相互平行且相对设置，这些反射镜的反射面均垂直于所述一维透射光栅(11)的所在平面以及由两束第1级衍射激光所形成的平面，能够使这两束第1级衍射激光各发生1次反射，并使反射后的第1级衍射激光能够在目标区域重合。
3.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述激光干涉系统(7)包括一维透射光栅(11)、第一反射镜(25)、第二反射镜(26)和挡光板(14)，其中，所述一维透射光栅(11)所在平面垂直于所述激光束(15)的入射方向，该一维透射光栅(11)能够对所述激光束(15)进行衍射分光，得到第0级衍射激光和两束第1级衍射激光；所述挡光板(14)用于吸收所述第0级衍射激光；所述第一反射镜(25)和所述第二反射镜(26)相互平行且相对设置，这些反射镜的反射面均垂直于所述一维透射光栅(11)的所在平面以及由两束第1级衍射激光所形成的平面，能够使这两束第1级衍射激光各发生2次反射，并使反射后的第1级衍射激光能够在目标区域重合。
4.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述激光干涉系统(7)包括一维透射光栅(11)、第一反射镜(25)、第二反射镜(26)和激光透射块(31)，其中，所述一维透射光栅(11)所在平面垂直于所述激光束(15)的入射方向，该一维透射光栅(11)能够对所述激光束(15)进行衍射分光，得到第0级衍射激光和两束第1级衍射激光；所述第一反射镜(25)和所述第二反射镜(26)相互平行且相对设置，这些反射镜的反射面均垂直于所述一维透射光栅(11)的所在平面以及由两束第1级衍射激光所形成的平面，能够使这两束第1级衍射激光各发生2次反射，并使反射后的第1级衍射激光能够在目标区域重合；所述激光透射块(31)用于在不影响所述第0级衍射激光传输方向的前提下，补偿所述第0级衍射激光的光程，使所述第0级衍射激光能够在所述目标区域与所述第1级衍射激光重合、且与任意一束第1级衍射激光的光程相同。
5.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述激光干涉系统(7)包括二维透射光栅(36)、第一反射镜(37)、第二反射镜(38)、第三反射镜(39)、第四反射镜(40)和挡光板(14)，其中，所述二维透射光栅(36)所在平面垂直于所述激光束(15)的入射方向，该二维透射光栅(36)能够对所述激光束(15)进行衍射分光，得到第0级衍射激光和四束第1级衍射激光；所述挡光板(14)用于吸收所述第0级衍射激光；所述第一反射镜(37)和所述第二反射镜(38)为一组，相互平行且相对设置，这一组反射镜的反射面均垂直于所述二维透射光栅(36)的所在平面以及由沿第0级衍射激光对称的两束第1级衍射激光所形成的平面，能够使这两束第1级衍射激光各发生2次反射，并使反射后的第1级衍射激光能够在目标区域重合；
所述第三反射镜(39)和所述第四反射镜(40)为另一组，相互平行且相对设置，这一组反射镜的反射面均垂直于所述二维透射光栅(36)的所在平面以及由沿第0级衍射激光对称的另外两束第1级衍射激光所形成的平面，能够使这两束第1级衍射激光也各发生2次反射，并使反射后的第1级衍射激光同样能够在目标区域重合。
6.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述激光干涉系统(7)包括二维透射光栅(36)、第一反射镜(37)、第二反射镜(38)、第三反射镜(39)、第四反射镜(40)和激光透射块(31)，其中，所述二维透射光栅(36)所在平面垂直于所述激光束(15)的入射方向，该二维透射光栅(36)能够对所述激光束(15)进行衍射分光，得到第0级衍射激光和四束第1级衍射激光；所述第一反射镜(37)和所述第二反射镜(38)为一组，相互平行且相对设置，这一组反射镜的反射面均垂直于所述二维透射光栅(36)的所在平面以及由沿第0级衍射激光对称的两束第1级衍射激光所形成的平面，能够使这两束第1级衍射激光各发生2次反射，并使反射后的第1级衍射激光能够在目标区域重合；
所述第三反射镜(39)和所述第四反射镜(40)为另一组，相互平行且相对设置，这一组反射镜的反射面均垂直于所述二维透射光栅(36)的所在平面以及由沿第0级衍射激光对称的另外两束第1级衍射激光所形成的平面，能够使这两束第1级衍射激光也各发生2次反射，并使反射后的第1级衍射激光同样能够在目标区域重合；
所述激光透射块(31)用于在不影响所述第0级衍射激光传输方向的前提下，补偿所述第0级衍射激光的光程，使所述第0级衍射激光能够在所述目标区域与所述第1级衍射激光重合、且与任意一束第1级衍射激光的光程相同。
7.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述激光干涉系统(7)包括光隔离器(50)、总导光镜、一维反射光栅(53)、第三反射镜(54)和第四反射镜(55)，其中，
所述光隔离器(50)用于单向传输激光，并在所述总导光镜的配合作用下使所述激光束(15)能够垂直的入射至所述一维反射光栅(53)；该一维反射光栅(53)能够对所述激光束(15)进行衍射分光，在入射激光的同侧产生反射的第0级衍射激光和两束第1级衍射激光；所述第三反射镜(54)和所述第四反射镜(55)相互平行且相对设置，这些反射镜的反射面均垂直于所述一维反射光栅(53)的所在平面以及由两束第1级衍射激光所形成的平面，能够使这两束第1级衍射激光各发生1次反射，并使反射后的第1级衍射激光能够在目标区域重合；
所述第0级衍射激光沿原光路返回至所述光隔离器(50)从而被该光隔离器(50)吸收。
8.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述整形激光输出组件包括用于输出激光的激光器(1)，以及沿光路依次设置的第一导光镜(2)、第二导光镜(3)和整形镜头(4)；
所述二维扫描组件为二维扫描振镜(5)。
9.如权利要求1-8任意一项所述装置，其特征在于，所述装置还包括xy二维工作台(8)和平面旋转台(9)，其中，所述xy二维工作台(8)置于所述平面旋转台(9)上，该xy二维工作台(8)用于承载待加工的工件(10)，并用于带动待加工的工件(10)在二维平面内移动；所述平面旋转台(9)用于旋转以调整所述xy二维工作台(8)及所述待加工的工件(10)的空间位置。
10.利用如权利要求1-9所述装置的激光动态干涉加工方法，其特征在于，该方法是利用如权利要求1-9所述装置，通过二维扫描组件带动激光束的移动，使激光干涉系统(7)中的干涉光路动态变化，从而使所述光的干涉效应的发生位置沿预先设定的轨迹移动；
或者，该方法是优选利用如权利要求9所述装置，通过二维扫描组件带动激光束的移动，使激光干涉系统(7)中的干涉光路动态变化，并配合平面旋转台(9)的旋转，从而使所述待加工工件(10)的目标加工区域及目标加工结构满足预先设定的要求；
又或者，该方法是优选利用如权利要求9所述装置，通过二维扫描组件带动激光束的移动，使激光干涉系统(7)中的干涉光路动态变化，并配合xy二维工作台(8)的移动与平面旋转台(9)的旋转，从而使所述待加工工件(10)的目标加工区域及目标加工结构满足预先设定的要求。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010040625.6A CN111438438A (zh) | 2020-01-15 | 2020-01-15 | 一种激光高效大面积动态干涉加工装置及方法 |
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| CN202010040625.6A CN111438438A (zh) | 2020-01-15 | 2020-01-15 | 一种激光高效大面积动态干涉加工装置及方法 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111438438A true CN111438438A (zh) | 2020-07-24 |
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| CN202010040625.6A Pending CN111438438A (zh) | 2020-01-15 | 2020-01-15 | 一种激光高效大面积动态干涉加工装置及方法 |
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| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111438438A (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112162467A (zh) * | 2020-09-21 | 2021-01-01 | 长春理工大学 | 一种激光曲面加工系统及超疏水、防覆冰和减风阻的制造方法 |
| CN112518102A (zh) * | 2020-11-02 | 2021-03-19 | 暨南大学 | 一种蝶翅仿生结构色的制备方法及系统 |
| CN113894444A (zh) * | 2021-09-28 | 2022-01-07 | 武汉大学 | 一种基于干涉光路设计的水导脉冲激光加工系统及方法 |
-
2020
- 2020-01-15 CN CN202010040625.6A patent/CN111438438A/zh active Pending
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| TA01 | Transfer of patent application right |