CN112099218B - 一种飞秒激光系统图像调焦方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞秒激光系统图像调焦方法，属于飞秒激光系统直写加工技术领域，借助激光划过基片表面墨痕的方式找到激光光斑聚焦位置，以此为准，固定CCD，加工物镜，压电平台三个调节硬件，将物的位置作为唯一调节变量，确定调焦光路中物的对应位置并固定，以成像状态清晰度间接反映激光聚焦状态。若CCD在同一位置，既能观测到清晰的基片表面，又能观测到清晰条纹成像，说明调焦准确。后续加工中，为了弥补不同基片之间的高度差，只需要微调加工物镜z向位置使条纹清晰即可。本发明的调焦方法无需改变原本光路结构，十分容易实现临时搭建与运用，操作步骤相对简单，且对实验仪器及实验环境要求不高，易于实现。

Description

一种飞秒激光系统图像调焦方法

技术领域

本发明属于飞秒激光系统直写加工技术领域，具体涉及一种飞秒激光系统图像调焦方法。

背景技术

现代社会科学技术朝着“微”方向发展，微型器件广泛应用于电子、光学、机械、生物、仿生等各个领域，而高精元件势必对加工方法提出更高要求。飞秒激光加工技术因其可加工材料范围广、加工精度高等优点使其在一众三维加工方法中脱颖而出，对应却也存在着加工效率低的问题。因此，加工之前的调焦操作是否足够简单、精准化对于整个加工过程来说是至关重要的。

针对光学加工系统的调焦问题，目前普遍应用的调焦方案有三种。第一种是镜组调焦法：加入变焦镜组，通过调整镜组间透镜位置改变其间焦距，实现调焦。但涉及到一些对镜组间彼此透镜距离大小具有严格要求的光路，此方法存在很大的局限性。第二种是平面反射镜调焦法：光路中加入一块反射镜改变光路方向使光学结构更加紧凑，并通过改变反射镜位置进行焦面调整。该方法更加适用于反射式系统中，还不具备普遍应用性。焦面调焦：通过调整焦平面位置使其与像面重合，实现调焦。此方法相对来说最为简单直接，但很大程度上要受到硬件机构精度的影响。总的来说，对于每一种方案，都对光学系统的调焦思路具有很大的指导意义。但若综合考量具体系统布局及应用要求等因素后，每种方式又都各自存在一些不足。尤其对于加工效率本就很低的三维高精度飞秒激光加工技术来说，仍然需要一种高精度、简单、通用的的调焦方法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是：提供一种简单通用的飞秒激光系统图像调焦方法。借助激光划过基片表面墨痕的方式找到激光光斑聚焦位置，以此为准，固定CCD，加工物镜，压电平台三个调节硬件，将物的位置作为唯一调节变量，确定调焦光路中物的对应位置并固定，以成像状态清晰度间接反映激光聚焦状态。若CCD在同一位置，既能观测到清晰的基片表面，又能观测到清晰条纹成像，说明调焦准确。后续加工中，为了弥补不同基片之间的高度差，只需要微调加工物镜z向位置使条纹清晰即可。

在此过程中，影响调焦精度的主要因素是上下两个显微镜的固有焦深：镜头存在焦深导致调焦位置与实际焦面位置存在一定的差异。已知应用光学中焦深的计算公式为

其中，Δz代表焦深，比例常数k为工艺因子，一般取0.8，λ为波长，NA为镜头数值孔径。在具体实施过程中，将以上对应数值对应代入焦深计算公式，可分别算得两个镜头的焦深，从而对理论调焦精度进行分析(调焦精度一般可精准到焦深的1/2范围以内)。

本发明通过如下技术方案实现：

一种飞秒激光系统图像调焦方法，具体步骤如下：

(1)、加工样品准备：

具体步骤为：依次用蘸取了丙酮和无水乙醇的棉球擦拭待加工基片，之后分别用丙酮、乙醇和去离子水冲洗干净，用气枪吹干；在洁净的基片表面滴涂适量光刻胶，放置在热板上前烘一段时间，前期基片准备工作完成；

(2)、在飞秒激光系统加工光路中通过划痕法找到基片表面激光聚焦点：

具体步骤为：在基片上光刻胶旁用记号笔做一墨痕标记；将基片置于加工台上并利用磁铁固定，此步骤中避免用手按压加工台以免压力造成额外的高度误差；基片固定之后，首先通过压电软件微调压电上下位置，使CCD相机成像视场中观察到基片上表面杂质，表明此时基片上表面与上面显微系统的相对位置固定，之后此次实验中压电软件以及上方CCD的位置保持此处不再变动；利用手动xy平台平移基片，直到CCD相机成像视场中观察到有墨痕处；微调下面光刻显微镜头z轴位置，打开激光光阑，同时手动平移压电平台x向或y向使激光光斑在墨痕上画出划痕，关闭光阑；重复此操作直到光斑在墨痕上画出均匀无间断的连续划痕，此时表明光刻显微镜将激光光斑聚焦到基片上表面，光刻显微镜头z轴的位置保持此处不再变动；

(3)、搭建调焦系统：

具体步骤为：飞秒激光系统加工光路中的CCD、压电平台、显微镜位置固定不动，关闭飞秒激光光源；在4f系统第二透镜L₂前放置调焦用面光源和物，调焦用面光源照射在物上，光源携带物信息由第二透镜L₂会聚，又经过反射镜M进入到油浸加工物镜中，成像在基片表面附近位置，由上方成像显微镜与CCD构成的实时监测系统观察成像清晰度；

(4)、确定调焦系统中物的位置：

具体步骤为:调整物的高度使其成像恰位于CCD视野中心，改变物的前后位置，当CCD视野中观察到边缘无模糊的成像条纹时将其固定，通过前后两次操作配合已找到飞秒激光恰好聚焦到上表面时对应的调焦光源下物的位置，此时，在CCD中若能同时观测到基片上表面(以表面杂质为准)与清晰的成像条纹，说明此时激光恰聚焦到加工基片上表面；至此，定标工作完成；

(5)、后续加工中直接利用图像调焦法找到焦面进行加工：

具体步骤为:鉴于不同基片之间会存在几微米的高度差，所以在后续的每一次加工中，固定基片通过压电软件将上表面调至清晰后，只需要微调显微镜z轴位置使成像清晰后即可开始加工。

进一步地，步骤(1)所述的光刻胶为光敏树脂SU-8，是一种具有高机械强度和化学稳定性的负性光刻胶；而且，由于直接从厂家处购买的光刻胶非常粘稠，不能直接使用，需要利用环戊酮有机溶剂按照质量比1：2对其进行稀释；涂完胶的基片放置在加热板上，60°-65°预热5-10min，95°-100°前烘30-50min，前烘后，将样品从热板上取下，避光隔尘保存，确保样品自然冷却后再用于加工；所用基底为厚度170±10μm的显微镜盖玻片，不同基片厚度存在一定的高度差异。

进一步地，步骤(2)中，所述飞秒激光系统包括光源系统、光路传输系统、三维精密移动系统、实时监测系统及软件控制系统；光源发出的激光经扩束后先后通过扫描振镜系统G，以及由第一透镜L₁和第二透镜L₂组成的4f光学系统，经反射镜M进入高数值口径的油浸加工物镜，聚焦后在光刻胶中引起双光子聚合反应，实现微结构的加工；光源系统所用光源为飞秒光纤激光器，中心波长为780nm,重复频率为80MHz；光路传输系统由扩束系统、滤光系统与4f系统构成；三维精密移动系统包括扫描振镜系统G和压电平台，水平方向由扫描振镜系统G控制激光聚焦点移动，竖直方向由压电平台控制样品上下移动，精度为0.1μm，实现三维自由度的精密移动系统；成像显微物镜与CCD相连接，构成实时监测系统；计算机软件控制系统读取三维加工数据并指挥监视整个加工过程；4f系统等焦距设计保证偏转后的激光束顺利进入加工物镜，减少截断作用对激光能量的损失。

进一步地，所述高数值口径的油浸加工物镜放大倍率40×，数值孔径1.30NA；成像显微物镜放大倍率20×，数值孔径1.30NA；加工时激光能量为19-22mw，曝光时间为500-1000μs；所作墨痕的长度约5-10mm,宽度约0.1-0.5mm；初始打开压电软件时，默认压电位置显示为150μm，在此基础可对压电平台高度进行调整(可实现±0.1μm调整精度)。寻找最清晰划痕的标准是：找到最均匀，中心亮斑连续性最好的划痕。

进一步地，步骤(3)中，调焦用面光源为东莞科麦视觉公司生产的红光面光源，测试波长为632nm，输入电压为24v；此光源在步骤(3)中放置在基片上方用作照明光源。所用物为普通分辨率板，安装在可调节物架上，前后位置及高度可调节。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)、普通分光器件一般会引起10％-20％的激光能量损失，本加工光路光路中不再使用二向色镜或半反半透镜作为分光器件，而是直接在基片正上方安装一成像显微物镜与CCD连接构成图像监测系统，完全避免了分光器件引起的激光能量损失。

(2)、加工用镜头放大倍率40×，成像用显微物镜放大倍率20×，高倍率加工物镜与低倍率成像物镜结合使用，满足加工需求的同时扩大成像视场，实现全视场对准。

(3)、调焦用光源可更换为任意波长的平板面光源，对波长无硬性要求。如更换不同波长光源，只需在定标工作中重新确定物面位置即可，实验设备选择灵活。

(4)、该图像调焦方法和镜组调焦法、反射镜调焦法相比，无需改变原本光路结构，十分容易实现临时搭建与运用。沿用传统焦面调焦法，在其基础上进行改进创新，利用人眼判断图像清晰度进行调焦，尽可能少的减少硬件机构精度的影响。总的来说，操作步骤相对简单，且对实验仪器及实验环境要求不高，易于实现。

附图说明

图1为本发明的一种飞秒激光系统图像调焦方法的飞秒激光加工系统结构图；

图2为本发明的一种飞秒激光系统图像调焦方法的图像调焦原理示意图；

图3为本发明的一种飞秒激光系统图像调焦方法的图像调焦系统结构示意图；

图4为本发明的一种飞秒激光系统图像调焦方法的图像调焦系统结构实物图；

图5为本发明的一种飞秒激光系统图像调焦方法的图像调焦技术流程图；

图6为本发明的一种飞秒激光系统图像调焦方法的加工光路zemax模拟分析图；

图7为本发明的一种飞秒激光系统图像调焦方法的加工光路成像质量zemax模拟分析图；

图8为本发明的一种飞秒激光系统图像调焦方法的调焦光路zemax模拟分析图；

图9为本发明的一种飞秒激光系统图像调焦方法的调焦光路成像质量zemax模拟分析图；

图10为本发明的一种飞秒激光系统图像调焦方法制备的圆柱结构表面图；

图11为本发明的一种飞秒激光系统图像调焦方法多次制备的圆柱结构缺失高度分析图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步地说明。

实施例1

在飞秒激光系统加工光路中通过划痕法找到基片表面激光聚焦点。

基片清洗、涂胶之后固定在加工平台上，用记号笔在无胶区域作墨痕标记。基于飞秒激光系统加工光路，调节显微镜z轴位置使激光在墨痕上刻出划痕。重复此操作直到光斑在墨痕上画出均匀无间断的连续划痕，此时表明光刻显微镜将激光光斑聚焦到基片上表面。

在飞秒激光系统加工光路中通过划痕法找到基片表面激光聚焦点，具体步骤如下：

(1)、加工样品准备：

具体步骤为：将显微镜盖玻片(厚度约170μm)依次用蘸取了丙酮和无水乙醇的棉球进行擦拭，去除掉表面的顽固杂质。将基片用镊子夹住，再依次用丙酮、乙醇、去离子水冲洗，去除表面残留杂质及擦拭棉絮，后用气枪吹净表面水渍。提前利用环戊酮有机溶剂将负性光刻胶SU-8按照质量比1：2对其进行稀释。用胶枪滴涂适量光刻胶到基片表面中心区域，后放置在加热板上，65°预热5min，95°前烘30min。前烘后，将样品从热板上取下，避光隔尘保存，确保样品自然冷却后准备加工。

(2)、经改进的飞秒激光系统加工光路：

加工系统主要由以下几个部分构成：光源系统、光路传输系统、三维精密移动系统、实时监测系统、软件控制系统。中心波长780nm的光源发出的激光经扩束后先后通过扫描振镜系统G，以及由第一透镜L₁和第二透镜L₂组成的4f光学系统。经反射镜M进入高数值口径的油浸加工物镜(放大倍率40×，数值孔径1.30NA)，聚焦后在光刻胶中引起双光子聚合反应，实现微结构的加工。其中，三维精密移动系统精度为0.1μm。成像显微物镜(放大倍率20×，数值孔径1.30NA)与CCD相连接，构成实时监测系统；计算机软件控制系统读取三维加工数据并指挥监视整个加工过程。

(3)、在飞秒激光系统加工光路中通过划痕法找到基片表面激光聚焦点：

具体步骤为：首先在基片上光刻胶旁用记号笔做一长度约10mm，宽度约0.5mm的墨痕标记，然后将基片置于加工台上并利用磁铁固定，此步骤中尽量避免用手按压加工台以免压力造成额外的高度误差。基片固定之后，通过压电软件微调压电平台位置，在CCD相机成像视场中观察到清晰的基片上表面杂质，此时基片上表面与上面显微系统的相对位置固定。利用手动xy平台平移基片到CCD相机成像视场中观察到有墨痕处，微调下面光刻显微镜头z轴位置，打开激光光阑，同时手动平移压电平台x向使激光光斑在墨痕上画出划痕，关闭光阑。重复此操作直到光斑在墨痕上画出了均匀无间断的连续划痕，此时光刻显微镜将激光光斑聚焦到基片上表面(此次实验中光刻显微镜头z轴的位置保持此处不再变动)；

由图1可知，加工光路中不再使用传统分光器件，完全避免对激光能量的损失。40×加工物镜与20×成像物镜配合使用，扩大成像视场。

实施例2

利用飞秒激光系统图像调焦方法加工圆柱测试结构。

借助激光划过基片表面墨痕的方式找到激光光斑聚焦位置之后，再以此位置为准，确定调焦光路中物的对应位置并固定，以成像状态清晰度间接反映激光聚焦状态。若CCD在同一位置，既能观测到清晰的基片表面，又能观测到清晰条纹成像，说明调焦准确。后续加工中，为了弥补不同基片之间的高度差，只需要微调加工物镜z向位置使条纹清晰即可找到焦面位置，开始加工。加工完成之后对基片进行后续处理并对加工结果进行分析。

利用飞秒激光系统图像调焦装置以及方法加工圆柱测试结构的方法，具体步骤如下：

步骤(1)、(2)、(3)同实施例1。

(4)、搭建调焦系统：

具体步骤为：CCD、压电平台、显微镜位置固定不动，关闭飞秒激光光源。在4f系统第二透镜L₂前放置调焦用632nm红光面光源和位置可调的物(此时的调焦光源波长应与步骤(2)的照明光源保持一致，可直接同一光源依次取用)。调焦光源照射在物面上，光源携带物面信息由第二透镜L₂会聚，又经过反射镜M进入到油浸加工物镜中，成像在基片表面附近位置。由上方成像显微镜与CCD构成的实时监测系统观察成像清晰度。

(5)、确定调焦系统中物的位置：

具体步骤为：调整物高度使其成像恰位于CCD视野中心，改变物的前后位置，当CCD视野中观察到边缘无模糊的成像条纹时将其固定，通过前后两次操作配合已找到飞秒激光恰好聚焦到上表面时对应的调焦光源下物的位置，此时，在CCD中若能同时观测到基片上表面(以表面杂质为准)与清晰的成像条纹，说明此时激光恰聚焦到加工基片上表面。

(6)、后续加工中直接利用图像调焦法找到焦面进行加工：

具体步骤：撤掉调焦光源与物，手动移动压电平台x向，使激光正对于有光刻胶的基片表面，加载刻写三维圆柱结构的STL格式数据文档进行加工，加工所用激光能量设置为20mw,曝光时间选择500μs。具体光源发出的激光经扩束后先通过扫描振镜系统G，精密控制激光xy位置。又通过由第一透镜L₁和第二透镜L₂组成的4f光学系统，后经过反射镜M进入高数值口径的油浸加工物镜(40×，1.30NA)，聚焦后在光刻胶SU-8中引起双光子聚合反应，实现微结构的加工。

(7)、后续处理与分析检测：

具体步骤为：加工完成后取下基片，用蘸取乙醇的棉球擦掉基片背面的镜油，将基片置于热板上以95°后烘30min,冷却后放到显影液中进行显影。显影时间与光刻胶厚度有关，本实验显影约3min。显影后用去离子水将基片冲洗干净，再用洗耳球吹干表面，放在显微镜下观察。首先调到清晰基片表面位置，记录下此时显微镜刻度位置。再分别调到第一圆柱上表面及第二圆柱上表面，记录位置并分析底层圆柱的高度误差，确定调焦精度。

由图4可知自行搭建的调焦系统结构简单，且光源可选择任意波长的面光源，只需要通过定标工作重新找到新的物面位置即可，对设备无硬性要求，易于实现。

由图5可知最开始完成定标工作之后，后续每一次加工只需微调显微镜z轴使条纹图像清晰即能确定焦面，调焦工作简单，大大简化了实验流程。

由图7可知改进后的飞秒激光系统成像质量良好，接近衍射极限，完全满足飞秒激光系统加工要求。

由图9可知，图像调焦系统同样可实现良好的成像质量，MTF曲线接近衍射极限，可实现精准调焦。

由图11可知应用此调焦方法，可将加工误差控制在1.5μm范围内，完全满足正常调焦要求，可实现高精度加工。

Claims (3)

1.一种飞秒激光系统图像调焦方法，其特征在于，具体步骤如下：

（1）、加工样品准备：

具体步骤为：依次用蘸取了丙酮和无水乙醇的棉球擦拭待加工基片，之后分别用丙酮、乙醇和去离子水冲洗干净，用气枪吹干；在洁净的基片表面滴涂适量光刻胶，放置在热板上前烘一段时间，前期基片准备工作完成；

（2）、在飞秒激光系统加工光路中通过划痕法找到基片表面激光聚焦点：

具体步骤为：在基片上光刻胶旁用记号笔做一墨痕标记；将基片置于压电平台上并利用磁铁固定，此步骤中避免用手按压压电平台以免压力造成额外的高度误差；基片固定之后，首先通过压电软件微调压电平台上下位置，使CCD相机成像视场中观察到基片上表面杂质，表明此时基片上表面与上面成像显微物镜的相对位置固定，之后此次实验中压电软件以及上方CCD的位置保持此处不再变动；利用压电平台平移基片，直到CCD相机成像视场中观察到有墨痕处；微调下面光刻显微镜z轴位置，打开激光光阑，同时手动平移压电平台x向或y向使激光光斑在墨痕上画出划痕，关闭光阑；重复此操作直到光斑在墨痕上画出均匀无间断的连续划痕，此时表明光刻显微镜将激光光斑聚焦到基片上表面，光刻显微镜z轴的位置保持此处不再变动；

(3)、搭建调焦系统：

具体步骤为：飞秒激光系统加工光路中的CCD、压电平台、光刻显微镜及成像显微物镜位置固定不动，关闭飞秒激光光源；在4f系统第二透镜L2前放置调焦用面光源和物，调焦用面光源照射在物上，调焦用面光源携带物信息由第二透镜L2会聚，又经过反射镜M进入到光刻显微镜中，成像在基片表面附近位置，由上方成像显微物镜与CCD构成的实时监测系统观察成像清晰度；

（4）、确定调焦系统中物的位置：

具体步骤为:调整物的高度使其成像恰位于CCD视野中心，改变物的前后位置，当CCD视野中观察到边缘无模糊的成像条纹时将其固定，通过前后两次操作配合已找到飞秒激光恰好聚焦到上表面时对应的调焦用面光源下物的位置，此时，在CCD中若能同时观测到基片上表面杂质与清晰的成像条纹，说明此时激光恰聚焦到加工基片上表面；至此，定标工作完成；

（5）、后续加工中直接利用图像调焦法找到焦面进行加工：

具体步骤为:鉴于不同基片之间会存在几微米的高度差，所以在后续的每一次加工中，固定基片通过压电软件将上表面调至清晰后，只需要微调光刻显微镜及成像显微物镜z轴位置使成像清晰后即可开始加工；

其中，步骤（2）中，所述飞秒激光系统包括光源系统、光路传输系统、三维精密移动系统、实时监测系统及软件控制系统；光源发出的激光经扩束后先后通过扫描振镜系统G，以及由第一透镜L1和第二透镜L2组成的4f光学系统，经反射镜M进入高数值口径的光刻显微镜，聚焦后在光刻胶中引起双光子聚合反应，实现微结构的加工；光源系统所用光源为飞秒光纤激光器，中心波长为780nm ,重复频率为80MHz；光路传输系统由扩束系统、滤光系统与4f系统构成；三维精密移动系统包括扫描振镜系统G和压电平台，水平方向由扫描振镜系统G控制激光聚焦点移动，竖直方向由压电平台控制基片上下移动，精度为0.1μm，实现三维自由度的精密移动系统；成像显微物镜与CCD相连接，构成实时监测系统；计算机软件控制系统读取三维加工数据并指挥监视整个加工过程。

2.如权利要求1所述的一种飞秒激光系统图像调焦方法，其特征在于，步骤（1）所述光刻胶为光敏树脂SU-8与环戊酮有机溶剂按照质量比1：2稀释而成；涂完胶的基片放置在加热板上，60- 65℃预热5-10min，95- 100℃前烘30-50min，前烘后，将样品从热板上取下，避光隔尘保存，确保样品自然冷却后再用于加工；所用基片为厚度170±10μm的显微镜盖玻片，不同基片厚度存在一定的高度差异。

3.如权利要求1所述的一种飞秒激光系统图像调焦方法，其特征在于，所述光刻显微镜放大倍率40×，数值孔径1.30NA；成像显微物镜放大倍率20×，数值孔径1.30NA；加工时激光能量为19-22mw，曝光时间为500-1000μs；所作墨痕的长度约5-10mm,宽度约0.1-0.5mm。

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