CN112388158A - 用于球面微结构的全息飞秒激光分层并行加工方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于球面微结构的全息飞秒分层并行加工方法及系统，包括以下步骤：根据工件表面待加工微结构阵列图案，确定工件表面不同层的微结构所在的位置及深度信息，生成多层微结构对应的坐标文件；根据生成的坐标文件使用分数阶傅里叶变换进行多层微结构对应的全息图的迭代计算，获得满足设定要求的全息图；利用得到的多层微结构对应的全息图，对飞秒激光光束进行调制，利用调制后的飞秒激光光束对工件进行加工，本发明的方法无需设置高精度工作台。

Description

用于球面微结构的全息飞秒激光分层并行加工方法及系统

技术领域

本发明属于超快激光全息技术与高端微纳制造领域，具体涉及用于球面微结构的全息飞秒激光分层并行加工方法及系统。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

现代制造技术已呈现出精、小、细、微的发展趋势，并涉及到航天、国防、材料、医药、生物等关系国计民生的诸多应用领域。在高端微纳制造领域，以激光微切割、激光微连接、激光微孔加工、激光微刻蚀和激光微成型等为代表的激光微纳制造技术，跨越了毫米、微米和纳米多个空间尺度，已成为现代社会举足轻重的先进制造技术之一。近年来，超快激光凭借超短的脉冲宽度和超高的功率密度的特点，在高端制造技术领域优势突显，尤其对小微零件和高精密结构的制造提供了新的解决方案，有力的推动了新的制造理念和方法，不断的刷新制造尺度的极限。同时，解决激光能量利用效率和加工效率的限制，为超快激光微纳制造技术的发展和工业化提出了新的挑战。

激光加工在激光打标、钻孔、切割等领域具有独特的优势，尤其便于周期特性结构的加工制造，传统的飞秒激光加工是逐点扫描加工，导致加工时间过长、加工效率过低，制约了飞秒激光在精密加工领域的发展及应用，目前，在工业应用中，激光脉冲能量一般在毫焦级，而材料的烧蚀仅需微焦级的激光脉冲能量，因此在加工过程中造成了极大的能量浪费，也容易出现过烧蚀现象。全息飞秒激光技术凭借其灵活多变的特性引起关注，并广泛应用于光镊、双光子聚合、生物医疗以及表面微织构制备等领域。

全息飞秒激光并行加工技术适用于透明材料表面和内部二维微结构阵列的高效加工，但是发明人发现，全息飞秒激光加工技术如果加工非平面微结构，需要精密的加工平台，这就增加了对设备的要求，加工误差大。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供用于球面微结构的全息飞秒激光分层并行加工方法，可以在没有精密加工平台的条件下获得精密的微结构，以及精确的位置关系，减少加工误差。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明的实施例提供了用于球面微结构的全息飞秒分层并行加工方法：

根据工件表面待加工微结构阵列图案，确定工件表面不同层的微结构所在的位置及深度信息，生成多层微结构对应的坐标文件；

根据坐标文件，使用分数阶傅里叶变换进行工件多层微结构对应的全息图的迭代计算，获得满足设定要求的全息图；

利用得到的多层微结构对应的全息图，对飞秒激光光束进行调制，利用调制后的飞秒激光光束对工件进行加工。

第二方面，本发明的实施例提供了用于球面微结构的全息飞秒分层并行加工系统，包括：

飞秒激光系统：能够产生飞秒激光光束；

空间光调制器：与控制系统连接，能够接收飞秒激光系统照射的飞秒激光光束，并加载由控制系统传输的多层加工层的全息图，根据接收的全息图对光束进行调制；

4F光学机构：能够接收空间光调整器传输的调制后的光束，并对光束进行缩束；

聚焦物镜：能够接收4F光学机构透过的光束，并将光束聚焦到工件表面。

结合第二方面，本发明的实施例提供了第一方面的一种可能实施方式，所述飞秒激光系统包括脉冲飞秒激光器及光束调整机构，脉冲飞秒激光器用于产生飞秒激光光束，光束调整机构用于调整飞秒激光光束的能量和直径。

结合第二方面，本发明的实施例提供了第一方面的一种可能实施方式，所述光束调整机构包括依次设置的半波片、偏振立方体及扩束镜，所述半波片及偏振立方体用于对飞秒激光的偏振方向和能量进行调节，所述扩束镜用于调整飞秒激光光束的直径。

结合第二方面，本发明的实施例提供了第一方面的一种可能实施方式，所述4F光学机构包括依次设置的第一透镜及第二透镜，空间光调制器传出的飞秒激光光束能够穿过第一透镜并在第一透镜后的设定距离处形成重建的多焦点目标图案，第二透镜用于对穿过第一透镜的飞秒激光光束进行缩束。

结合第二方面，本发明的实施例提供了第一方面的一种可能实施方式，所述4F光学机构与聚焦物镜之间设置有分向镜，能够将4F光学机构传出的飞秒激光光束传输给聚焦物镜。

结合第二方面，本发明的实施例提供了第一方面的一种可能实施方式，还包括用于固定待加工工件的工件夹持机构，所述工件夹持机构包括旋转平台，旋转平台安装有底座，底座顶端安装有漏斗状的真空吸盘，底座内具有真空腔，真空吸盘设置有与真空腔连通的吸气口，底座与真空泵连接，真空泵能够对真空腔抽真空，使得真空吸盘吸附固定工件。

结合第二方面，本发明的实施例提供了第一方面的一种可能实施方式，所述底座安装在竖向升降机构上，所述竖向升降机构安装在水平二轴联动结构上。

结合第二方面，本发明的实施例提供了第一方面的一种可能实施方式，还包括实时监控机构，所述实时监控机构包括能够在待加工工件一侧依次设置的等比分光镜、红外滤光片、成像透镜及CCD相机，所述等比分光镜一侧设置有白光LED光源。

第三方面，本发明的实施例提供了用于球面微结构的全息飞秒分层并行加工系统的工作方法：

飞秒激光系统产生飞秒激光光束并照射在空间光调制器，空间光调制器加载由控制系统传输的多层微结构对应的全息图，全息图的计算方法为：控制系统根据预先建立的加工坐标系确定多层微结构的位置及深度信息，并生成坐标文件，根据坐标文件使用分解型计算方法计算的分数阶傅里叶变换进行全息图的迭代计算，获得不同层微结构对应的全息图；

空间光调制器利用加载的全息图对照射的飞秒激光光束进行调制，调制后的飞秒激光光束经过4F光学系统后照射入聚焦物镜，聚焦物镜将飞秒激光光束聚焦到工件表面，对工件表面进行聚焦加工。

本发明的有益效果：

1.本发明的方法，利用分数阶傅里叶变换进行工件不同层微结构全息图的计算，首次将分数阶傅里叶变换引入倒激光加工应用上，能够得到工件不同层微结构的全息图，利用全息图对飞秒激光光束进行调制，从而可以实现工件不同层微结构的聚焦加工，实现了工件的三维加工，可以在没有精密加工平台的条件下获得精密的微结构，以及精确的位置关系，减少加工误差。

2.本发明的方法，首次将分数阶傅里叶变换引入到激光加工应用上，可以用于曲面和球形工件的三维并行分层加工，提高激光能量利用率和微结构加工效率。

3.本发明的加工系统，真空吸盘采用漏斗型结构，可以实现从小到大的多个尺寸工件加工过程中的定位和加紧结构；采用真空吸附的方式对工件进行固定，能用于各类金属或非金属材料。

4.本发明的加工系统，具有实时监测机构，能够实施监测工件的加工状态和加工结果，保证加工精度。

5.本发明的加工系统，由控制系统协同控制全息图加载和运动平台的动作，各装置和子系统有序运行，自动化程度高，节省时间和人力成本。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1为本发明实施例1加工方法流程图。

图2是本发明实施例1球形工件表面结构分层处理示意图；

图3是本发明实施例1多层焦点重建图案与物镜聚焦位置示意图；

图4是本发明实施例1分数阶傅里叶变换全息图算法流程图；

图5是本发明实施例1球形表面微结构并行加工与旋转工件示意图；

图6是本发明实施例1全息飞秒激光三维并行分层加工球面微结构示意图；

图7是本发明实施例2加工系统示意图；

图8是本发明实施例2工件夹持机构示意图；

图9是本发明实施例2工件夹持机构主视图；

图10是本发明图9的A向截面示意图；

其中，1.工件，2.工件夹持机构，3.旋转平台，4.竖向升降机构，5.水平二轴联动机构，6.连接板，7.底座，8.开关，9.真空吸盘，10.真空腔，11.真空泵，12.脉冲飞秒激光器，13.半波片，14.偏振立方，15.扩束系统，16.空间光调制器，17.第一透镜，18.第二透镜，19.白光LED光源，20.CCD相机，21.成像透镜，22.红外滤光片，23.等比分光镜，24二色分向镜，25.聚焦物镜，26.上位计算机。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，全息飞秒激光加工技术如果加工非平面微结构，需要精密的加工平台，这就增加了对设备的要求，增加了设备投资，本申请提出了一种用于微结构的全息飞秒激光分层加工方法。

本申请的一种典型实施方式中，如图1-图6所示，一种用于微结构的全息飞秒激光分层加工方法，以待加工工件表面为球面为例，包括以下步骤：

步骤1：根据待加工工件的表面形貌以及表面微结构的分布、大小、形状等特征确定工件表面待加工的微结构阵列图案，对工件进行分层处理，根据工件表面待加工微结构阵列图案和建立的加工坐标系，确定工件表面不同层的微结构所在的位置及深度信息，生成多层微结构对应的坐标文件；

步骤2：将生成的坐标文件转化为光斑聚焦的目标图案，使用分解型计算方法计算的设定分数阶傅里叶变换进行多层微结构对应的全息图的迭代计算，通过计算，采集满足设定要求的相位信息，获得纯相位全息图；

分数阶傅里叶变换的二维形式的具体公式如下：

其中，f(x,y)为输入面二维光场分布，H(u,v)为输出面的二维光场分布，p为分数阶。

具体的分数阶傅里叶变换全息图迭代计算方法如下：

步骤(1)：利用已知的输入平面入射光强分布A_in和随机的初始相位φ_in得到入射光场表达式为：

步骤(2)：做正向的分数阶傅里叶变换得到透镜后任意距离z的目标光场分布为：

A_out＝FRFT[A_0(i)] (3)

步骤(3)：以目标光场的振幅值A_target和加权因子w约束振幅值，得到振幅值A_ouT(i)，同时保持相位不变，得到约束后的光场分布；

步骤(4)：做逆向傅里叶变换，得到输入平面的振幅和相位分布：

步骤(5)：以输入平面的入射光强度代替上一步计算得到的振幅，同时保留相位不变，得到新的目标光场；

步骤(6)：迭代步骤(2)-步骤(5)直至达到设定的停止迭代条件为止，获得所需的目标光场，取其相位即是所需要计算的全息图对应的相位分布。

设定不同目标层的重建像距离，计算对应层的全息图。

全息飞秒激光分层并行加工球面微结构的加工系统的空间光调制器加载得到的多层微结构对应的全息图，对飞秒激光光束进行调制，调制后的飞秒激光光束经过4F光学机构进入聚焦物镜，调制后的光束会在4F光学机构的透镜后的特定距离上形成重建的多焦点目标图案，利用调制后的飞秒激光光束对预先由夹持运动控制装置调整好位置的球面工件进行分层并行加工，加工时对工件进行旋转，调节工件的加工位置。

本发明所采用的全息图的是基于分数阶傅里叶变换的加Gerchberg–Saxton(GS)迭代算法，次将分数阶傅里叶变换引入到激光加工应用上，通过光束调制，能够将多焦点目标图案的重建在任意位置，以此来达到调整加工位置的目的，多层目标图案的组合可以实现精密的三维分布微结构的加工制备。

将多个全息图动态加载实现三维微结构的分层并行加工。全息技术，即波前重建技术，由合适的相干参考光与物体衍射光波发生干涉，衍射光波的振幅和相位信息就能被记录下来，这样能够信息的干涉图称之为全息图。使用对应的相干光照射全息图的条件下，就能够重建物体的像。本实施例使用的加工方式，结合经典的GS迭代算法，采用基于分数阶傅里叶变换的纯相位全息迭代算法计算生成全息图。在分数阶傅里叶光学系统中，可以计算透镜系统中两个平行光场之间的衍射传播，并且重组成像平面可以位于透镜焦平面之后的任意平面，这对于显示和激光加工来说，都提高了系统的可操作性和更多的可能性，比传统的使用全息图和模拟菲涅尔透镜调节聚焦位置的方式更加灵活便捷。

采用本实施例的加工方法，能够通过不同层微结构对应的全息图对飞秒激光光束进行调制，进而实现工件不同层三维微结构的分层聚焦加工，无需设置高精度的运动平台，可以有效提高非平面分布微结构的加工质量和加工效率，能够将加工效率提高一个数量级以上，显著缩短加工时间，克服复杂工况的加工难题。

实施例2：

本实施例公开了一种用于微结构的全息飞秒激光分层加工系统：

搭载在光学平台上，保证整个光路中光学元件的准直和间距，利用精密配合的接杆和光学调整架安装固定全部的光学镜片和仪器，并精确控制各个元件在光路系统中的高度和旋转角度，精密调整光束的传递方向，减小传输过程中的能量损失。

如图7-10所示，加工系统包括依次设置的飞秒激光系统、空间光调制器、4F光学机构及聚焦物镜。

所述飞秒激光系统为整个加工系统提供激光光源，用于产生飞秒激光光束，所述飞秒激光系统包括脉冲飞秒激光器和光束调整机构。

所述脉冲飞秒激光器12采用现有设备即可，其发出的飞秒激光具有极窄的脉冲宽度和极高的峰值功率密度，不仅可以加工高质量的材料表面微织构，还可以提高微结构阵列的加工效率；并行加工还可以在提高激光能量利用率的同时避免加工中过烧蚀的问题。所述脉冲飞秒激光器与控制系统连接，控制系统能够控制脉冲飞秒激光器发出的飞秒激光的参数。

所述光束调整机构包括依次设置的半波片13、偏振立方体14和扩束镜15。

所述半波片可旋转调节，与偏振立方体共同使用，脉冲飞秒激光器产生的飞秒激光光束依次经过半波片、偏振立方体及扩束镜，半波片及偏振立方体能够对飞秒激光光束的偏振方向和能力进行调节，所述扩束镜采用伽利略式扩束镜，扩束镜能够调整飞秒激光光束的直径，使得飞秒激光光束更好的使用空间光调整器6的液晶窗口尺寸，获得更充分的光调制效果，飞秒激光光束能够照射到空间光调整器的液晶窗口上。

所述空间光调制器16与控制系统连接，能够加载控制系统传输来的全息图，所述控制系统能够利用算法生成工件不同层微结构对应的全息图。空间光调制器能够接收扩束镜传来的飞秒激光光束的照射，并利用加载到空间光调制器面板的全息图对飞秒激光光束进行调制，控制每个液晶单元的输入电信号，使液晶分子偏向不同角度，从而可以实现相位型衍射光学元件的作用，获得设计的目标光场图案。

所述4F光学机构包括依次设置的第一透镜17和第二透镜18，由第一透镜和第二透镜组成成像缩束系统，第一透镜和第二透镜的焦距不同，第一透镜接收空间光调制器传来的飞秒激光光束，调制后的飞秒激光光束能够在第一傅里叶透镜后方的设定距离处形成重建的多焦点目标图案，并由第二傅里叶透镜进行缩束以适应聚焦物镜25的入瞳大小。

所述第二透镜与聚焦物镜之间设置有二色分向镜24，透过第二透镜的飞秒激光光束能够在二色分向镜的反射作用下进过聚焦物镜25，聚焦物镜能够将飞秒激光光束聚焦到工件表面，对工件表面进行聚焦加工。

所述加工系统还包括工件夹持机构2，工件夹持机构用于固定球形的工件1，所述工件夹持机构包括旋转平台3，所述旋转平台采用现有的旋转平台即可，能够输出沿竖直轴线的转动运动，所述旋转平台通过螺钉与连接板6固定连接，连接板通过螺钉与圆柱筒结构的底座7的底端固定连接，所述底座的顶端通过螺钉与漏斗形结构的真空吸盘9固定连接，所述真空吸盘的最底部设置有吸气口，所述底座内设置有真空腔10，所述吸气口与真空腔相连通，所述底座通过抽真空管与真空泵11连接，真空泵能够对真空腔抽真空，进而使得真空腔与外部环境产生压力差，利用吸气口将工件进行吸附固定，所述真空泵利用开关进行控制，进而通过开关8控制工件的吸附和释放。

真空吸盘采用漏斗型结构，可以实现从小到大的多个尺寸工件加工过程中的定位和加紧结构；采用真空吸附的方式对工件进行固定，能用于各类金属或非金属材料，旋转平台能够带动工件的高速旋转。

本实施例中，所述旋转平台与竖向升降机构4连接，所述竖向升降机构采用现有的竖向升降机构即可，例如丝杠升降机等，所述竖向升降机构与水平二轴联动机构连接，水平二轴联动机构能够驱动竖向升降机构在水平面内的任意方向运动，所述水平二轴联动机构5采用现有的二轴联动机构即可。

通过竖向升降机构及水平二轴联动机构，能够对工件的初始位置进行调节，当工件尺寸较大时，也能够通过竖向升降机构及水平二轴联动机构调节工件的加工位置。

所述旋转平台、竖向升降机构及水平二轴联动机构均与控制系统的控制器连接，由控制系统的控制器控制其工作。控制器均与上位计算机26连接，工作人员能够利用上位计算机观察各元件的工作状态并向各元件发送指令。

所述加工系统还包括实时监控机构，所述实时监控机构包括设置在二色分光镜上方且依次设置的等比分光镜23、红外滤光片22、成像透镜21及CCD相机20，所述等比分光镜一侧设置有白光LED光源19，白光LED光源发出的光线能够经过等比分光镜进行分光，光线传向工件，并反射后经过等比分光镜、红外滤光片及成像透镜后由CCD相机采集其工件的加工图像，红外滤光片过滤反射的红外光线，防止对CCD相机造成损坏，所述CCD相机与控制系统连接，能够将采集的图像传输给控制系统，控制系统能够将采集的图像传输给上位计算机，方便工作人员监测加工情况。

实施例3：

本实施例公开了实施例2所述的用于微结构的全息飞秒激光分层加工系统的方法：

脉冲飞秒激光器产生的飞秒激光光束经过半波片、偏振立方体和扩束镜经过能量和直径调整后照射在空间光调制器，空间光调制器加载由控制系统传输的多层微结构对应的全息图，所述全息图采用实施例1步骤2方法获得。

空间光调制器利用加载的全息图对照射的飞秒激光光束进行调制，调制后的飞秒激光光束经过第一透镜和第二透镜后照射入聚焦物镜，聚焦物镜将飞秒激光光束聚焦到工件表面，配合旋转平台带动工件旋转，对预先固定在工件夹持机构的工件表面进行聚焦加工。

加工过程中利用CCD相机实时采集加工位置的图像，对加工进行实时监控，保证加工质量。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.用于球面微结构的全息飞秒分层并行加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据工件表面待加工微结构阵列图案，确定工件表面不同层的微结构所在的位置及深度信息，生成多层微结构对应的坐标文件；

根据坐标文件，使用分数阶傅里叶变换进行工件多层微结构对应的全息图的迭代计算，获得满足设定要求的全息图；

利用得到的多层微结构对应的全息图，对飞秒激光光束进行调制，利用调制后的飞秒激光光束对工件进行加工。

2.用于球面微结构的全息飞秒分层并行加工系统，其特征在于，包括：

飞秒激光系统：能够产生飞秒激光光束；

空间光调制器：与控制系统连接，能够接收飞秒激光系统照射的飞秒激光光束，并加载由控制系统传输的多层加工层的全息图，根据接收的全息图对光束进行调制；

4F光学机构：能够接收空间光调整器传输的调制后的光束，并对光束进行缩束；

聚焦物镜：能够接收4F光学机构透过的光束，并将光束聚焦到工件表面。

3.如权利要求2所述的用于球面微结构的全息飞秒分层并行加工系统，其特征在于，所述飞秒激光系统包括脉冲飞秒激光器及光束调整机构，脉冲飞秒激光器用于产生飞秒激光光束，光束调整机构用于调整飞秒激光光束的能量和直径。

4.如权利要求3所述的用于球面微结构的全息飞秒分层并行加工系统，其特征在于，所述光束调整机构包括依次设置的半波片、偏振立方体及扩束镜，所述半波片及偏振立方体用于对飞秒激光的偏振方向和能量进行调节，所述扩束镜用于调整飞秒激光光束的直径。

5.如权利要求2所述的用于球面微结构的全息飞秒分层并行加工系统，其特征在于，所述4F光学机构包括依次设置的第一透镜及第二傅里叶透镜，空间光调制器传出的飞秒激光光束能够穿过第一透镜并在第一透镜后的设定距离处形成重建的多焦点目标图案，第二透镜用于对穿过第一透镜的飞秒激光光束进行缩束。

6.如权利要求2所述的用于球面微结构的全息飞秒分层并行加工系统，其特征在于，所述4F光学机构与聚焦物镜之间设置有分光镜，能够将4F光学机构传出的飞秒激光光束传输给聚焦物镜。

7.如权利要求2所述的用于球面微结构的全息飞秒分层并行加工系统，其特征在于，还包括用于固定待加工工件的工件夹持机构，所述工件夹持机构包括旋转平台，旋转平台安装有底座，底座顶端安装有漏斗状的真空吸盘，底座内具有真空腔，真空吸盘设置有与真空腔连通的吸气口，底座与真空泵连接，真空泵能够对真空腔抽真空，使得真空吸盘吸附固定工件。

8.如权利要求2所述的用于球面微结构的全息飞秒分层并行加工系统，其特征在于，所述底座安装在竖向升降机构上，所述竖向升降机构安装在水平二轴联动结构上。

9.如权利要求2所述的用于球面微结构的全息飞秒分层并行加工系统，其特征在于，还包括实时监控机构，所述实时监控机构包括能够在待加工工件一侧依次设置的等比分光镜、红外滤光片、成像透镜及CCD相机，所述等比分光镜一侧设置有白光LED光源。

10.一种权利要求2-9任一项所述的用于球面微结构的全息飞秒分层并行加工系统的方法，其特征在于，飞秒激光系统产生飞秒激光光束并照射在空间光调制器，空间光调制器加载由控制系统传输的多层微结构对应的全息图，全息图的计算方法为：控制系统根据预先建立的加工坐标系确定多层微结构的位置及深度信息，并生成坐标文件，根据坐标文件使用分解型计算方法计算的分数阶傅里叶变换进行全息图的迭代计算，获得不同层微结构对应的全息图；

空间光调制器利用加载的全息图对照射的飞秒激光光束进行调制，调制后的飞秒激光光束经过4F光学系统后照射入聚焦物镜，聚焦物镜将飞秒激光光束聚焦到工件表面，对工件表面进行聚焦加工。

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