CN111999902B - 一种飞秒激光双光子加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种飞秒激光双光子加工装置，用于以光敏材料为工件，加工和制备扭曲结构液晶模版，空间光调制器加载三维螺旋结构的计算全息图；半波片设置在飞秒激光器的出射光路上，光阑设置在半波片的出射光路上，棱镜设置在光阑的出射光路上，扩束系统设置在棱镜的出射光路上，反射镜设置在扩束系统的出射光路上，空间光调制器设置在反射镜的出射光路上，第二半波片设置在空间光调制器的出射光路上，线性光学处理系统设置在第二半波片的出射光路上，显微镜系统设置在线性光学处理系统的出射光路上，压电台设置在显微镜系统的出射光路上，光敏材料放置与压电台上。本发明空间结构简单，具有极高的实用性，提高了制备扭曲结构液晶模版的效率。

Description

一种飞秒激光双光子加工装置

技术领域

本发明涉及扭曲结构液晶制备领域，特别是涉及一种飞秒激光双光子加工装置。

背景技术

扭曲结构液晶包括了蓝相液晶、球状相液晶和胆甾相液晶。蓝相液晶拥有亚毫秒级的响应时间，无需配向处理，无外加电场时呈光学各向同性，以及在可见光波段呈周期性三维螺旋结构等特点。球状相液晶由三维扭曲结构以及其间的缺陷构成。球状相液晶具有响应速度很快、无需配向和视野角宽等优点。

尤其在相位调制领域以及光子领域,球状相液晶有着无法取代的作用。鉴于球状相液晶和蓝相液晶有着相似的扭曲螺旋结构,可通过模板化方法将其温宽拓展,极大得提升了热稳定性。但其他的一些问题，诸如聚合物网络的生成过程中洗去旧液晶、重灌新液晶这两个步骤造成了液晶的浪费，限制了蓝相液晶和球状相液晶的广泛应用。目前产生蓝相液晶模版和球状相液晶模版通常采用聚合物稳定方法。但是这种方法存在其他问题比如复杂耗时的生产流程，重灌液晶导致的浪费现象等，无法应用到大规模的商业生产。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种飞秒激光双光子加工装置，提高了扭曲结构液晶模版的加工过程的效率和实用性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种飞秒激光双光子加工装置，用于以光敏材料为工件，加工和制备扭曲结构液晶模版，包括：

飞秒激光器，用于产生激光光束；

第一半波片，设置在所述飞秒激光器的出射光路上；

光阑，设置在所述半波片的出射光路上，用于控制所述激光光束的通断；

棱镜，设置在所述光阑的出射光路上；

扩束系统，设置在所述棱镜的出射光路上，用于放大所述激光光束；

反射镜，设置在所述扩束系统的出射光路上；

空间光调制器，设置在所述反射镜的出射光路上，用于将放大后的所述激光光束进行调制，得到具有螺旋相位波前的涡旋光束；

第二半波片，设置在所述空间光调制器的出射光路上；

线性光学处理系统，设置在所述第二半波片的出射光路上，将所述涡旋光束进行正一级透射，过滤其他级次的激光光束；

显微镜系统，设置在所述线性光学处理系统的出射光路上，用于将所述正一级透射后的光束聚焦到所述光敏材料上进行加工，得到所述扭曲结构液晶模版；

压电台，设置在所述显微镜系统的出射光路上，用于承载所述光敏材料。

优选地，所述扩束系统包括：

第一透镜，设置在所述棱镜的出射光路上；

第一孔阑，设置在所述第一透镜的出射光路上；

第二透镜，设置在所述第一孔阑的出射光路上，所述第二透镜的出射光路射入所述反射镜。

优选地，所述线性光学处理系统包括：

第三透镜，设置在所述第二半波片的出射光路上；

第二孔阑，设置在所述第三透镜的出射光路上；

第四透镜，设置在所述第二孔阑的出射光路上；

分束元件，设置在所述第四透镜的出射光路上，所述分束元件的出射光线射入所述显微镜系统。

优选地，所述分束元件为微透镜阵列。

优选地，所述显微镜系统包括：

显微镜透镜，设置在所述线性光学处理系统的出射光路上；

电荷耦合装置，设置在所述显微镜透镜的正上方，用于实时观察加工结构的生成过程。

优选地，所述飞秒激光器发射的激光光束为高斯光束。

优选地，所述空间光调制器为相位型空间光调制器。

优选地，所述光敏材料为光分解型的正性光刻胶。

优选地，所述飞秒激光双光子加工装置还包括:

计算机，分别与所述光阑、所述压电台和所述空间光调制器连接，用于控制所述光阑的通断和所述压电台的移动速率，以及将所述计算机中的三维螺旋结构的计算全息图加载到所述空间光调制器中。

优选地，所述计算机控制所述光阑和所述压电台联动。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明飞秒激光双光子加工装置利用扩束系统等装置对飞秒激光器中发射的激光进行调制，从而使激光的光斑放大至比空间光调制器稍大的尺寸，保证空间光调制器的每个像素参与调制，然后利用空间光调制器上加载的计算全息图，将飞秒激光发出的激光光束经过显微镜系统施加在光敏材料上，能有效加工出三维螺旋手形结构，形成具有周期性结构的扭曲结构液晶模板，本发明空间结构简单，具有极高的实用性，提高了制备扭曲结构液晶模版的效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明飞秒激光双光子加工装置的元件结构图。

符号说明：

1-飞秒激光器，2-第一半波片，3-光阑，4-棱镜，5-第一透镜，6-第一孔阑， 7-第二透镜，8-反射镜，9-空间光调制器，10-第二半波片，11-第三透镜，12- 第二孔阑，13-第四透镜，14-分束元件，15-电荷耦合装置，16-显微镜透镜， 17-光敏材料，18-压电台。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种飞秒激光双光子加工装置，能够有效加工出三维螺旋手性结构，形成具有周期性结构的扭曲结构液晶模板，从而提高了扭曲结构液晶模版的加工过程的效率和实用性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明飞秒激光双光子加工装置的元件结构图，如图1所示，本发明所述飞秒激光双光子加工装置包括：飞秒激光器1，第一半波片2、第二半波片10、光阑3、棱镜4、扩束系统、反射镜8、空间光调制器9、线性光学处理系统、显微镜系统、压电台18和计算机(图中未画出)；

所述飞秒激光器1用于产生激光光束。

具体的，所述飞秒激光器1发射的激光光束包括：高斯光束、平顶光束或环形光束。

所述第一半波片2设置在所述飞秒激光器1的出射光路上。

所述光阑3设置在所述第一半波片2的出射光路上，所述光阑3用于控制所述激光光束的通断。

作为一种可选的实施方式，本发明所述光阑3通过所述计算机进行控制，将飞秒激光器1产生的激光通过第一半波片2、光阑3和格兰泰勒棱镜的组合，通过控制光阑3的大小调控激光的入射能量以及通断。

所述棱镜4，设置在所述光阑3的出射光路上。

具体的，所述棱镜4为格兰泰勒棱镜。

所述扩束系统设置在所述棱镜4的出射光路上，所述扩束系统用于放大所述激光光束。

优选地，所述扩束系统包括：

第一透镜5，设置在所述棱镜4的出射光路上；

第一孔阑6，设置在所述第一透镜5的出射光路上；

第二透镜7，设置在所述孔阑的出射光路上，所述第二透镜7的出射光路射入所述反射镜8。

所述反射镜8设置在所述扩束系统的出射光路上。

所述空间光调制器9设置在所述反射镜8的出射光路上，所述空间光调制器9用于将放大后的所述激光光束进行调制，得到具有螺旋相位波前的涡旋光束。

优选地，所述空间光调制器9为相位型空间光调制器或振幅型空间光调制器中任一种。

可选地，所述空间光调制器9的出射光路上的光束为具有螺旋相位波前的涡旋光束。

所述第二半波片10设置在所述空间光调制器9的出射光路上。

所述线性光学处理系统设置在所述第二半波片10的出射光路上，将所述涡旋光束进行正一级透射，过滤其他级次的激光光束。

优选地，所述线性光学处理系统包括：

第三透镜11，设置在所述第二半波片10的出射光路上；

第二孔阑12，设置在所述第三透镜11的出射光路上；

第四透镜13，设置在所述第二孔阑12的出射光路上；

分束元件14，设置在所述第四透镜13的出射光路上，所述分束元件14 的出射光线射入所述显微镜系统。

优选地，所述分束元件14为微透镜阵列、是衍射分光器和空间光调制器 9中任一种。

本发明飞秒激光双光子加工装置的工作过程具体为：

所述激光通过由第一透镜5、第一孔阑6、第二透镜7组成的扩束系统，经反射镜8反射至加载了计算全息图的空间光调制器9后，成为具有螺旋相位波前的涡旋光束。通过第二半波片10对偏振光进行旋转，抵消第一半波片2 产生的偏转，再经过由第三透镜11、第二孔阑12、第四透镜13组成的4f(即线性光学处理)系统，保证正一级入射到显微镜系统，过滤其他衍射级次。

可选地，正一级入射指衍射的第一级光斑。空间光调制器9是一个衍射光学元件，被调制的飞秒激光中会出现多个衍射极，本发明只选择“+1”极光点，避开“0”极光点。究其原理，这是因为空间光调制器9面板的像素之间有一定的缝隙，因此液晶分子对光的调制效率不是完全匹配，像素之间的间隙区域对入射光没有调制，它在光束调制中作用类似于二维光栅，具体表现在光场中心会产生一个非常明亮的0级光斑。在实际应用中，需要偏离0级光，避免0 极光对加工产生影响，因此采用上述的4f系统使正一级光斑通过第二孔阑12，将其他级次(尤其是占光场能量很大一部分的0极光)挡在光阑3上。

所述显微镜系统设置在所述线性光学处理系统的出射光路上，所述显微镜系统用于将所述正一级透射后的光束聚焦到所述光敏材料上进行加工，得到所述扭曲结构液晶模版。

优选地，所述显微镜系统包括：

显微镜透镜16，设置在所述线性光学处理系统的出射光路上；

电荷耦合装置15，设置在所述显微镜透镜16的正上方，用于实时观察加工结构的生成过程。

所述计算机分别与所述光阑3、所述压电台18和所述空间光调制器9连接，所述计算机用于控制所述光阑3的通断和所述压电台18的移动速率，以及将所述计算机中的三维螺旋结构的计算全息图加载到所述空间光调制器9 中。

在实际应用中，所述计算全息图通过所述计算机中的电子辅助设计软件进行设计，辅助设计步骤能够让无经验的设计者顺利地完成飞秒激光所需的计算全息图的设计。如使用Virtual Lab Fusion光学软件设计和优化衍射光扩散器元件来生成计算全息图。也可在Matlab中自行设计相关算法，实现计算全息图的设计。

具体的，将光敏材料17放置在所述显微镜系统的物镜下，调制光束由显微镜透镜16的物镜聚焦到样品内部，加工出三维螺旋手性结构，形成具有周期性结构的光子禁带材料即扭曲结构液晶模板。为了提高加工效率，通过显微镜系统的分束元件14将入射光束分为多束光并行加工，例如使用微透镜阵列将光束分为2×2时，可以同时加工4个结构，将效率提升了4倍。通过所述计算机中的软件控制光阑3和压电台18联动，保证加工时各个结构具有相同的曝光位置和曝光时间。

在加工过程中，可以通过电荷耦合装置15实时观察加工结构的生成过程。本发明提出的扭曲结构液晶模板的飞秒激光双光子加工制备法简单，通过激光能量和空间光调制器9上的全息图变化，可以加工出具有各类扭曲结构的液晶模板。

优选地，所述光敏材料17包括：光分解型的正性光刻胶、光聚合型的光刻胶或光交联型的负性光刻胶。

优选地，所述计算机控制所述光阑3和所述压电台18联动，从而保证所述光敏材料17在加工过程中具有相同的曝光时间。

具体的，本发明一种飞秒激光双光子加工装置的加工过程是：

(1)首先将预计形成的三维螺旋结构通过现有的算法(如GS算法、最优旋转角算法、模拟退火算法、遗传算法等)得到计算全息图并加载到空间光调制器9上。

(2)然后调节第一半波片2和格兰泰勒棱镜的组合，用以调控飞秒激光器1的入射能量；在计算机上控制压电台18的移动速率，保证每次曝光位置精确无误；在电荷耦合装置15上观察实时加工情况，并调节下一轮加工的能量和压电台18移动速率。

(3)在对光敏材料17进行双光子聚合时，将光敏材料17放到压电台18 上，放到显微镜系统正下方曝光，通过软件控制光阑3和压电台18联动，从而保证加工时各个结构具有相同的曝光时间。不同的光敏材料17，聚合时所需要的激光能量会有所不同。

在实际应用中，经过设计与组合，使入射光束与格兰泰勒棱镜形成布鲁斯特角。在第一半波片2与格兰泰勒棱镜上，所有P偏振分量都会透射过去，而大部分S偏振分量则会被反射。其结果是，当光束通过第一半波片2与格兰泰勒棱镜后，就只剩下P偏振光。于是出射光的偏振方向受半波片与格兰泰勒棱镜调制，相对于入射光偏转了θ角，出射光功率为入射光的cos 2θ倍。

具体的，所述压电台18的移动速率由移动平台自身参数决定，最高扫描速度为250mm/s，电台的运动速度范围在0-250mm/s以内。XY高速电动扫描台，具有足够的重复性(0.25微米)和定位精度(小于3.0微米)，平台的行程范围为110mm×75mm，采用台式无刷直流电机控制器来控制二维电动扫描台的移动。而Z向移动平台是用来调整样品高度的，使用滚珠升降台，将升降台固定到XY高速电动扫描平台上，即可实现三维高精度的移动平台控制系统。具体的实现过程是：采用Thorlab厂家自带的简易运动控制软件，实时改变坐标的绝对位置实现二维精确移动，只需要导入想要的包含xyz坐标的txt 文件即可通过软件控制平台移动。一共有三个参数用于控制激光在样品表面加工：移动速度、延迟时间以及步距。步距是指平台每个多长距离停留一次。每次加工的时候，电脑控制光闸打开，而为了防止激光在单个周期内回程中发生二次加工，需要在返回路径过程中关闭光闸。通过控制移动速度、延迟时间、步距以及光闸和激光的同步开关时间，保证每次曝光位置精确无误。

根据本发明提供的具体实施方式，本发明 的有益效果如下：

(1)本发明一种飞秒激光双光子加工装置的结构简单，且加工装置采用简单的方法即可快速地得到扭曲结构液晶模板，同时保持扭曲结构液晶模板的其他参数不变差。

(2)本发明一种飞秒激光双光子加工装置采用分束元件14将光束分为多种光束时，可以同时加工多个结构，提升了制备的效率。

(3)本发明一种飞秒激光双光子加工装置通过激光曝光可以直接得到液晶模版，省去液晶聚合物网络的生成、洗去、重灌等步骤，从而提高扭曲结构液晶模板的生产速率。本发明能有效降低扭曲结构液晶模板的加工难度，也可以提高扭曲结构液晶模板的生产速率，方法简单，成本低廉，适合大规模推广，具有极高的实用性。

(4)本发明一种飞秒激光双光子加工装置通过调节全息图形状可以加工得到蓝相液晶、球状相液晶和胆甾相液晶等扭曲结构液晶模版，方便地对不同种类的液晶进行快速加工，提高了制备不同种类液晶模版的效率。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种飞秒激光双光子加工装置，用于以光敏材料为工件，加工和制备扭曲结构液晶模版，其特征在于，包括：

飞秒激光器，用于产生激光光束；

第一半波片，设置在所述飞秒激光器的出射光路上；

光阑，设置在所述半波片的出射光路上，用于控制所述激光光束的通断；

棱镜，设置在所述光阑的出射光路上；

扩束系统，设置在所述棱镜的出射光路上，用于放大所述激光光束；

反射镜，设置在所述扩束系统的出射光路上；

空间光调制器，设置在所述反射镜的出射光路上，用于将放大后的所述激光光束进行调制，得到具有螺旋相位波前的涡旋光束；

第二半波片，设置在所述空间光调制器的出射光路上；

线性光学处理系统，设置在所述第二半波片的出射光路上，将所述涡旋光束进行正一级透射，过滤其他级次的激光光束；

显微镜系统，设置在所述线性光学处理系统的出射光路上，用于将所述正一级透射后的光束聚焦到所述光敏材料上进行加工，得到所述扭曲结构液晶模版；

压电台，设置在所述显微镜系统的出射光路上，用于承载所述光敏材料；

计算机，分别与所述光阑、所述压电台和所述空间光调制器连接，用于控制所述光阑的通断和所述压电台的移动速率，以及将所述计算机中的三维螺旋结构的计算全息图加载到所述空间光调制器中；所述计算机控制所述光阑和所述压电台联动；

通过激光曝光直接得到液晶模版；

每次加工时，计算机控制光阑打开；在返回路径过程中关闭光阑，以防止激光在单个周期内回程中发生二次加工。

2.根据权利要求1所述的飞秒激光双光子加工装置，其特征在于，所述扩束系统包括：

第一透镜，设置在所述棱镜的出射光路上；

第一孔阑，设置在所述第一透镜的出射光路上；

第二透镜，设置在所述第一孔阑的出射光路上，所述第二透镜的出射光路射入所述反射镜。

3.根据权利要求1所述的飞秒激光双光子加工装置，其特征在于，所述线性光学处理系统包括：

第三透镜，设置在所述第二半波片的出射光路上；

第二孔阑，设置在所述第三透镜的出射光路上；

第四透镜，设置在所述第二孔阑的出射光路上；

分束元件，设置在所述第四透镜的出射光路上，所述分束元件的出射光线射入所述显微镜系统。

4.根据权利要求3所述的飞秒激光双光子加工装置，其特征在于，所述分束元件为微透镜阵列。

5.根据权利要求1所述的飞秒激光双光子加工装置，其特征在于，所述显微镜系统包括：

显微镜透镜，设置在所述线性光学处理系统的出射光路上；

电荷耦合装置，设置在所述显微镜透镜的正上方，用于实时观察加工结构的生成过程。

6.根据权利要求1所述的飞秒激光双光子加工装置，其特征在于，所述飞秒激光器发射的激光光束为高斯光束。

7.根据权利要求1所述的飞秒激光双光子加工装置，其特征在于，所述空间光调制器为相位型空间光调制器。

8.根据权利要求1所述的飞秒激光双光子加工装置，其特征在于，所述光敏材料为光分解型的正性光刻胶。

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