CN112230318A - 一种利用飞秒激光直写技术制备平面光栅的装置和方法 - Google Patents

Abstract

利用飞秒激光直写技术制备平面光栅的装置和方法，属平面光栅的制作技术领域，该装置包括光子晶体光纤飞秒激光光源、第一准直光阑、第二准直光阑、二分之一波片、偏振分光棱镜、电子快门、第一凸透镜、第二凸透镜、反射镜、双色镜、显微物镜、待加工附有金属膜的玻璃基片、电控三维精密移动平台、半透半反镜、CCD相机、照明光源、计算机。该发明基于高功率光子晶体光纤飞秒激光优良的加工性能，采用LabvIEW软件编写电控三维精密移动平台和快门开关联动控制程序，通过参数设置可在附有金属膜的玻璃基片上实现任意形状的平面光栅的直写加工。本发明具有成本低廉、结构简单、灵活性强、自动化程度高、操作简单等优势，具有良好的应用前景。

Description

一种利用飞秒激光直写技术制备平面光栅的装置和方法

技术领域

本发明属于平面光栅的制作技术领域，特别是一种利用飞秒激光直写技术制备平面光栅的装置和方法。

背景技术

光栅作为一种基本的衍射光学元件，能对入射光的振幅或相位，或者二者同时产生空间调制的分光色散元件，不仅用于光谱学，还广泛应用于计量、光通信、信息处理等诸多领域。平面光栅大多采用掩模光刻法、电子束或激光直写法制作。但是，掩模光刻法需提前制作母版，同时还存在加工环节多、时间长、成本高且对准精度难以控制、制备光栅周期受掩模母版限制等缺点；电子束直写法所需设备复杂、成本昂贵、基片要经过特殊处理。激光直写法是通过聚焦激光束在基片上进行扫描，直接产生图样的信息，无需掩模和母版制备，具有制作效率高、加工灵活、对基片平整度要求低等优点。尤其是随着具有良好加工性能的飞秒脉冲激光的出现，利用飞秒激光超强峰值功率、超短脉冲宽度特性，通过聚焦获得超高能量密度，在与金属材料发生非线性相互作用时，金属材料相互作用区域温度会在超短时间内急剧上升，瞬间便可超过金属材料的熔化（汽化）所需要的温度，金属材料会被高度电离，产生高温、高压、高密度的等离子体，并以等离子体形式向外喷发，达到去除金属材料的目的，实现在微米尺度的烧蚀微加工。相对于长脉冲激光加工金属材料出现的热扩散效应明显、存在柱状毛刺现象、边缘粗糙、加工精度低等缺点，飞秒激光加工金属材料具有阈值效应明显、热影响区域小、边缘光滑锐利、加工精度高、可控性强等优势。目前，在飞秒激光直写技术中大多使用的光源都是具有放大系统的钛宝石飞秒激光器产生的。但是，钛宝石飞秒激光器的功率一般不高，因而加工速度一般在每秒微米量级，较低的加工速度和加工效率极大地阻碍了飞秒激光加工技术在工业中的应用。同时，钛宝石飞秒激光系统价格昂贵、结构庞大、操作复杂，需要专人维护和专门的超净环境，也严重阻碍了飞秒激光直写技术的普及。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的缺陷和不足，本发明提出一种利用飞秒激光直写技术在附有金属膜的玻璃基片上制备平面光栅的装置和方法。本发明使用高功率光子晶体光纤飞秒激光作为飞秒激光光源，这种新型的飞秒激光可以由半导体激光器直接泵浦，具有转换效率高、成本低廉、结构紧凑、易于维护、光束质量好等优势。另外，本发明采用LabvIEW软件编写三维精密移动平台和快门开关联动控制程序，通过参数设置可在附有金属膜的玻璃基片上实现任意形状的平面光栅的直写加工。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：

一种利用飞秒激光直写技术制备平面光栅的装置和方法，包括光子晶体光纤飞秒激光光源、第一准直光阑、第二准直光阑、二分之一波片、偏振分光棱镜、电子快门、第一凸透镜、第二凸透镜、反射镜、双色镜、显微物镜、待加工附有金属膜的玻璃基片、电控三维精密移动平台、半透半反镜、CCD相机、照明光源、计算机；其特征在于来自光子晶体光纤飞秒激光光源的飞秒激光光束先后经过第一准直光阑、第二准直光阑、二分之一波片、偏振分光棱镜、电子快门，电子快门和计算机相连接，通过计算机可以控制电子快门的开关；随后依次经过第一凸透镜、第二凸透镜、反射镜、双色镜，第一凸透镜的后焦点与第二凸透镜前焦点重合，构成光束扩束系统，反射镜和双色镜与光路成45度角放置；飞秒激光经双色镜反射后再经显微物镜聚焦于待加工附有金属膜的玻璃基片，待加工附有金属膜的玻璃基片固定在电控三维精密移动平台上；双色镜的透射侧依次放置半透半反镜、CCD相机，半透半反镜与光路成45度角放置，半透半反镜的反射侧放置照明光源。

所述的光子晶体光纤飞秒激光光源是由振荡级、放大级组成中心波长为1040nm的高功率高重复频率光子晶体光纤飞秒激光系统。

所述的二分之一波片与所述的偏振分光棱镜构成激光功率连续调节系统，可以实现飞秒激光光束功率的连续改变。

所述的第一准直光阑、第二准直光阑为圆形孔径、直径可调式光阑。

所述的电子快门，用来控制飞秒激光的辐照时间。

所述的第一凸透镜、第二凸透镜构成扩束系统用来扩大光束直径。

所述的反射镜是指其反射波长覆盖飞秒激光光源波长范围的宽带介质膜高反射镜。

所述的双色镜是能实现飞秒激光光源波长全反射和可见光全透射的介质膜镜片。

所述的显微物镜是近红外消色差长工作距离物镜。

所述的附有金属膜的玻璃基片是在玻璃基底上镀有单层金属膜的基片。

所述的电控三维精密移动平台和计算机相连接，通过计算机中LabvIEW软件可对电控三维精密移动平台进行三维精密移动调节。

所述的半透半反镜是能实现可见光50%透射和50%反射的介质膜镜片。

所述的CCD相机具有光学变焦功能与计算机连接，可在计算机屏幕上显示附有金属膜的玻璃基片表面形貌。

所述的计算机是安装了LabvIEW软件、电子快门控制软件、CCD相机图像采集软件的计算机。

一种利用上述装置制备平面光栅的方法，步骤如下：

（1）将上述装置中各光学器件按光路顺序和要求搭建光路；

（2）开启光子晶体光纤飞秒激光光源，调节飞秒激光光源放大级泵浦光功率大小及二分之一波片快轴方位，用光功率计测量飞秒激光功率，使从偏振分光棱镜出射的飞秒激光功率在1.5-2.0毫瓦之间；

（3）打开快门，利用第一准直光阑和第二准直光阑调整光路中各光学器件位置，使飞秒激光通过二分之一波片、偏振分光棱镜、电子快门、第一凸透镜、第二凸透镜、反射镜、双色镜、显微物镜中心位置，其中飞秒激光以与反射镜面成45度角方向入射到反射镜，之后改变方向又以与双色镜面成45度角方向入射双色镜，之后改变方向入射到显微物镜，调节完成后再将第一准直光阑和第二准直光阑孔径调节至最大；

（4）开启计算机并利用计算机控制电控三维精密移动平台调节待加工附有金属膜的玻璃基片位置，使附有金属膜的玻璃基片位于显微物镜焦点处且与飞秒激光入射方向垂直；

（5）调节CCD相机变焦镜头和照明光源位置，使用计算机中CCD相机图像采集软件可以清晰观察到待加工玻璃基片上金属膜的表面形貌；

（6）关闭快门，利用先期编写的LabvIEW控制程序，设置精密移动平台刻线数量、刻线间隔、刻线长度、移动速率、快门启闭方式等，从而实现平台移动路径、快门启闭联动控制；

（7）调节飞秒激光光源放大级泵浦光功率大小及二分之一波片快轴方位，利用光功率计测量飞秒激光功率，使从偏振分光棱镜出射的飞秒激光功率为以上设定的移动速率所对应的最优加工功率；

（8）运行LabvIEW控制程序，完成飞秒激光在预定路径对附有金属膜的玻璃基片烧蚀，烧蚀过程可以通过CCD相机实时观测；

（9）关闭快门，关闭飞秒激光光源，完成平面光栅的制备。

本发明利用飞秒激光直写技术在附有金属膜的玻璃基片上制作平面光栅的方法原理如下：

当飞秒激光辐照金属时，金属中的自由电子发生高频振荡，在极短的脉冲持续时间内，导带中的电子通过轫致辐射过程吸收激光能量，电子弛豫时间很短，电子温度迅速升高。在几皮秒到几百皮秒范围内，晶格通过电子-声子碰撞的方式得到能量，电子与晶格温度近似达到热平衡态，金属材料作用区域内在超短时间内温度急剧上升，瞬间便可超过金属材料的熔化（汽化）所需要的的温度，金属材料被高度电离，产生高温、高压、高密度的等离子体，并以等离子体形式向外喷发，达到去除金属材料的烧蚀效果。在此过程中等离子体喷发几乎带走了飞秒激光烧蚀材料产生的热量，随后加工区域内温度下降到加工前的状态，在相对意义上实现了飞秒激光“冷”加工。双温模型被经常用作描述金属中将电子能量传递给晶格这一过程（参见文献Chichkov B N, Momma C, Nolte S, et al. Femtosecond,picosecond and nanosecond laser ablation of solids[J]. Applied Physics A,1996, 63(2): 109-115.和Jiang L, Tsai H L. Improved two-temperature model andits application in ultrashort laser heating of metal films[J]. Journal ofHeat Transfer, 2005, 127(10): 1167-1173.）。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

（1）本发明采用LabvIEW软件编写移动平台和快门开关联动控制程序，通过相关参数设置可在附有金属膜的玻璃基片上实现任意形状的平面光栅的飞秒激光直写加工，具有灵活性强、自动化程度高、操作简单的优势。

（2）本发明所使用的飞秒激光光源为光子晶体光纤飞秒激光，具有转换效率高，成本低廉、结构紧凑、易于维护、光束质量好等的优势。

附图说明

图1为本发明一种利用飞秒激光直写技术制备平面光栅的装置的结构示意图。

其中：1-光子晶体光纤飞秒激光光源，2-第一准直光阑，3-第二准直光阑，4-二分之一波片，5-偏振分光棱镜，6-电子快门，7-第一凸透镜，8-第二凸透镜，9-反射镜，10-双色镜，11-显微物镜，12-待加工附有金属膜的玻璃基片，13-电控三维精密移动平台，14-半透半反镜，15-CCD相机，16-照明光源，17-计算机。

图2为本发明的实施例2制备的矩形光栅衍射图样。

图3为本发明的实施例3制备的圆形光栅衍射图样。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不限于此。

实施例1:

本发明实施例1如图1所示，一种利用飞秒激光直写技术制备平面光栅的装置，该装置包括光子晶体光纤飞秒激光光源1、第一准直光阑2，第二准直光阑3，二分之一波片4、偏振分光棱镜5、电子快门6、第一凸透镜7、第二凸透镜8、反射镜9、双色镜10、显微物镜11、待加工附有金属膜的玻璃基片12、电控三维精密移动平台13、半透半反镜14、CCD相机15、照明光源16、计算机17；其特征在于光子晶体光纤飞秒激光光源1位于第一准直光阑2之前，第一准直光阑2之后顺序放置第二准直光阑3、二分之一波片4、偏振分光棱镜5、电子快门6、第一凸透镜7、第二凸透镜8、反射镜9、双色镜10，第一凸透镜7的后焦点与第二凸透镜8前焦点重合，构成光束扩束系统，反射镜9和双色镜10与光路成45度角放置；飞秒激光经双色镜10反射后又经显微物镜11聚焦于待加工附有金属膜的玻璃基片12表面，待加工附有金属膜的玻璃基片12在固定在电控三维精密移动平台13上；双色镜10的透射侧依次放置半透半反镜14和具有光学变焦功能的CCD相机15，半透半反镜14与光路成45度角放置，半透半反镜14的反射侧放置照明光源16；电子快门6和电控三维精密移动平台13与计算机17相连，可通过LabvIEW软件编写的程序进行联动控制；CCD相机15也与计算机17相连，利用图像采集软件可以在计算机17屏幕上观测加工过程。

所述的光子晶体光纤飞秒激光光源1是由振荡级、放大级组成的光子晶体光纤光子晶体光纤非线性飞秒激光系统，其重复频率为56.9MHz、中心波长为1040nm、最大平均功率为18W、脉冲宽度为66.5fs。

所述的第一准直光阑2、第二准直光阑3为圆形孔径、直径可调式光阑。

所述的反射镜9是指其反射波长范围为覆盖飞秒激光光源波长范围的宽带介质膜高反射镜。

所述的双色镜10是指能实现飞秒激光光源波长全反射和可见光全透射介质膜镜片。

所述的显微物镜11是平场复消色差长焦距显微物镜。

所述的待加工附有金属膜的玻璃基片12为在玻璃基底上镀有单层金属膜的基片。

所述的电控三维精密移动平台13与计算机相连接，通过计算机中labvIEW软件可实现三维精密移动调节，调节精度小于等于1μm。

所述半透半反镜14是可以实现在45度角放置时可见光波段50%透射50%反射的介质膜镜片。

所述的计算机17是安装了LabvIEW软件、电子快门控制软件、CCD相机图像采集软件的计算机。

所述的照明光源16是白光LED平行光源。

本实施例中使用的飞秒激光光源是由振荡级、放大级构成的光子晶体光纤非线性飞秒激光系统。系统振荡级和放大级的增益介质均为掺镱大模场面积光子晶体光纤，从而保证振荡级和放大级之间具有很高的兼容性和耦合效率。振荡级和放大级均采用波长为976nm的多模商用半导体激光器泵浦。振荡级出射的种子脉冲经增益光纤非线性放大、光栅对压缩后，最终可以输出的脉冲时间宽度为66.5fs，重复频率为56.9MHz，中心波长为1040nm，最高功率可达18瓦的飞秒激光。所述的第一准直光阑和第二准直光阑为Thorlabs公司生产的最大孔径为20mm的光阑；所述的二分之一波片与所述的偏振分光棱镜构成透射光功率连续调节系统；所述的电子快门是Vincent Associates公司生产的电控快门，其通光孔径为25mm，与计算机相连通过程序控制飞秒激光辐照时间；所述的第一凸透镜、第二凸透镜构成扩束系统用来扩大光束直径，其扩束比为5；所述的电控三维精密移动平台是Newport公司生产Esp300电控三维精密移动平台，通过计算机控制三维最小分辨率为1μm，定位精度为0.1μm，行程为100mm。所述的显微物镜为Mitutoyo公司生产的近红外平场复消色差长工作距离物镜。

实施例2:

一种利用上述装置制备平面光栅的方法，步骤如下：

（1）将上述装置中各光学器件按光路顺序和要求搭建光路；

（2）开启飞秒激光光源，调节飞秒激光光源放大级泵浦光功率大小及二分之一波片快轴方位，用光功率计测量飞秒激光功率，使从偏振分光棱镜出射的飞秒激光功率在1.5-2.0毫瓦，保证其功率远低于金属膜损伤阈值；

（3）打开快门，利用第一准直光阑和第二准直光阑调整光路中各光学器件位置，使飞秒激光通过二分之一波片、偏振分光棱镜、电子快门、第一凸透镜、第二凸透镜、反射镜、双色镜、显微物镜中心位置到达待加工附有金属膜玻璃基片。其中飞秒激光以与反射镜面成45度角入射，之后改变方向又与双色镜镜面成45度角入射双色镜，之后改变方向经显微物镜聚焦于附有金属膜玻璃基片。调节完成后再将第一准直光阑和第二准直光阑孔径调节至最大；

（4）开启计算机，利用计算机控制电控三维精密移动平台调节附有金属膜玻璃基片位置，使待加工附有金属膜的玻璃基片位于显微物镜焦点处且与飞秒激光入射方向垂直；

（5）调节照明光源亮度和CCD相机变焦镜头至可在计算机屏幕上清晰观察到位于显微物镜焦平面上的待加工附有金属膜的玻璃基片表面实时形貌，此时CCD相机显示平面与显微物镜焦平面共面。

（6）关闭快门，利用提前编写的程序，启动一维光栅参数设置窗口，根据先期飞秒激光与金属膜辐照测试结果，设置起点坐标、电控三维精密移动平台移动速率为1.0mm/s、刻线长度5mm、刻线间隔50μm、刻线条数为100条。本实施例中待加工附有金属膜的玻璃基片为铬膜厚度为100nm镀铬玻璃基片；

（7）根据先期飞秒激光与金属膜辐照结果，调节飞秒激光光源放大级泵浦光功率大小及二分之一波片快轴方位，使飞秒激光最佳加工功率2.0瓦；

（8）运行LabvIEW控制程序，完成飞秒激光在预定路径对附有金属膜的玻璃基片烧蚀加工，烧蚀过程可以通过CCD相机实时观测；

（9）关闭飞秒激光光源，结束。

图2为制备的一维矩形光栅的远场衍射图样。

实施例3：和实施例2步骤相同，只是步骤（6）中启动二维圆形光栅参数设置窗口。设置圆心坐标、最内圆周半径、相邻圆周间隔50μm、电控三维精密移动平台移动速率为1.0mm/s、总环数为50环，并利用CCD相机实时观测平面光栅进行平面光栅写制。本实施例中待加工附有金属膜的玻璃基片为金属铬膜厚度为100nm镀铬玻璃基片。

图3为制备的二维圆形光栅的远场衍射图样。

Claims (10)

1.一种利用飞秒激光直写技术制备平面光栅的装置，包括光子晶体光纤飞秒激光光源、第一准直光阑、第二准直光阑、二分之一波片、偏振分光棱镜、电子快门、第一凸透镜、第二凸透镜、反射镜、双色镜、显微物镜、待加工附有金属膜的玻璃基片、电控三维精密移动平台、半透半反镜、CCD相机、照明光源、计算机；其特征在于来自光子晶体光纤飞秒激光光源光束先后经过第一准直光阑、第二准直光阑、二分之一波片、偏振分光棱镜、电子快门，电子快门和计算机相连接，通过计算机可以控制电子快门的开关；随后依次经过第一凸透镜、第二凸透镜、反射镜、双色镜，第一凸透镜的后焦点与第二凸透镜前焦点重合，构成光束扩束系统，反射镜和双色镜与光路成45度角放置；飞秒激光经双色镜反射后再经显微物镜聚焦于待加工附有金属膜的玻璃基片，待加工附有金属膜的玻璃基片固定在电控三维精密移动平台上；双色镜的透射侧依次放置半透半反镜、CCD相机，半透半反镜与光路成45度角放置，半透半反镜的反射侧放置照明光源。

2.如权利要求1所述的一种利用飞秒激光直写技术制备平面光栅的装置，其特征在于所述的光子晶体光纤飞秒激光光源是由振荡级、放大级组成中心波长为1040nm的高功率高重复频率光子晶体光纤飞秒激光系统。

3.如权利要求1所述的一种利用飞秒激光直写技术制备平面光栅的装置，其特征在于所述的反射镜是指其反射波长覆盖飞秒激光光源波长范围的宽带介质膜高反射镜。

4.如权利要求1所述的一种利用飞秒激光直写技术制备平面光栅的装置，其特征在于所述的双色镜是能实现飞秒激光光源波长全反射和可见光全透射的介质膜镜片。

5.如权利要求1所述的一种利用飞秒激光直写技术制备平面光栅的装置，其特征在于所述的显微物镜是近红外消色差长工作距离物镜。

6.如权利要求1所述的一种利用飞秒激光直写技术制备平面光栅的装置，其特征在于所述的待加工附有金属膜的玻璃基片是在玻璃基底上镀有单层金属膜的基片。

7.如权利要求1所述的一种利用飞秒激光直写技术制备平面光栅的装置，其特征在于所述的电控三维精密移动平台和计算机相连接，通过计算机中LabvIEW软件可对电控三维精密移动平台进行三维精密移动调节。

8.如权利要求1所述的一种利用飞秒激光直写技术制备平面光栅的装置，其特征在于所述的CCD相机具有光学变焦功能，与计算机相连接可在计算机屏幕上显示附有金属膜的玻璃基片表面形貌。

9.如权利要求1所述的一种利用飞秒激光直写技术制备平面光栅的装置，其特征在于所述的计算机是安装了LabvIEW软件、电子快门控制软件、CCD相机图像采集软件的计算机。

10.一种利用如权利要求1所述的一种利用飞秒激光直写技术制备平面光栅的装置制备平面光栅的方法，步骤如下：

（1）将上述装置中各光学器件按光路顺序和要求搭建好光路；

（2）开启光子晶体光纤飞秒激光光源，调节飞秒激光光源放大级泵浦光功率大小及二分之一波片快轴方位，利用光功率计测量飞秒激光功率，使从偏振分光棱镜出射的飞秒激光功率在1.5-2.0毫瓦之间；

（3）打开快门，利用第一准直光阑和第二准直光阑调整光路中各光学器件位置，使飞秒激光通过二分之一波片、偏振分光棱镜、电子快门、第一凸透镜、第二凸透镜、反射镜、双色镜、显微物镜中心位置，其中飞秒激光以与反射镜面成45度角方向入射到反射镜，之后改变方向又以与双色镜面成45度角方向入射双色镜，后再改变方向入射到显微物镜，调节完成后再将第一准直光阑和第二准直光阑孔径调节至最大；

（4）开启计算机并利用计算机控制电控三维精密移动平台调节待加工附有金属膜的玻璃基片位置，使待加工附有金属膜的玻璃基片位于显微物镜焦点处且与飞秒激光入射方向垂直；

（5）调节CCD相机变焦镜头和照明光源位置，使用计算机中CCD相机图像采集软件可以清晰观察到待加工玻璃基片上金属膜的表面形貌；

（6）关闭快门，利用先期编写的LabvIEW控制程序，设置精密移动平台相关参数如：刻线数量、刻线间隔、刻线长度、移动速率、快门启闭方式等，从而实现平台移动路径、快门启闭联动控制；

（7）调节飞秒激光光源放大级泵浦光功率大小及二分之一波片快轴方位，利用光功率计测量飞秒激光功率，使从偏振分光棱镜出射的飞秒激光功率为以上设定的移动速率所对应的最优加工功率；

（8）运行LabvIEW控制程序，完成飞秒激光在预定路径对附有金属膜的玻璃基片烧蚀加工，烧蚀过程可以通过CCD相机实时观测；

（9）关闭飞秒激光光源，完成平面光栅的制备。

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