CN114185121A

CN114185121A - 一种高效率制作光栅的双工位飞秒激光系统

Info

Publication number: CN114185121A
Application number: CN202111405882.6A
Authority: CN
Inventors: 湛欢; 姜伟; 李儒�; 陈昌勇; 任浩
Original assignee: Sichuan Chengke Communication Technology Research Institute Co ltd
Current assignee: Sichuan Chengke Communication Technology Research Institute Co ltd
Priority date: 2021-11-24
Filing date: 2021-11-24
Publication date: 2022-03-15

Abstract

本发明公布了一种高效率制作光栅的双工位飞秒激光系统，包括激光源、双工位加工模块与控制模块，包括激光源与双工位加工模块之间设有光路传输模块，所述激光源的输出端发出飞秒激光光束，所述光路传输模块内设有能量控制机构、能量检测机构、扩束器、快门、光路切换机构与反射镜，所述飞秒激光光束通过光路传输模块发送至双工位加工模块；本发明采用双工位设计，加工效率高、三维加工精度好,具有三维空间选择性与超高分辨率的优点率。

Description

一种高效率制作光栅的双工位飞秒激光系统

技术领域

本发明涉及光栅制作技术领域，尤其涉及一种高效率制作光栅的双工位飞秒激光系统。

背景技术

光热敏折变玻璃不仅具备其他光敏微晶玻璃热膨胀系数可调、机械性能优异、热稳定性和化学稳定性高等优点，还兼具折射率调制量高、光学性质优异的特点。伴随着高性能紫外激光器技术的发展，PTR玻璃成为了制备衍射光学器件如布拉格光栅及微流器件等常用的多功能基底。

近年来，随着光电子技术的迅速发展，传统的光学元件正逐步向微型化、集成化方向过渡，而传统的紫外双光束干涉加工工艺由于受到线性吸收的影响，穿透深度不够，且深度方向的均匀性较差，同时不具备三维空间选择性，严重制约了基于PTR玻璃的复杂集成器件制备，且无法满足其任意三维精密加工的需求。

相比于传统机械加工，飞秒激光在材料加工中展现出的高精度、三维微加工、热影响区小等诸多优点，使其成为了材料微加工领域中一种高效且不可替代的三维微纳制造工具，为此，我们提出了一种高效率制作光栅的双工位飞秒激光系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高效率制作光栅的双工位飞秒激光系统，以克服现有技术中存在的技术问题。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明提供如下技术方案：

一种高效率制作光栅的双工位飞秒激光系统，包括激光源、双工位加工模块与控制模块，包括激光源与双工位加工模块之间设有光路传输模块，所述激光源的输出端发出飞秒激光光束，所述光路传输模块内设有能量控制机构、能量检测机构、扩束器、快门、光路切换机构与反射镜，所述飞秒激光光束通过光路传输模块发送至双工位加工模块。

优选地，一种高效率制作光栅的双工位飞秒激光系统中，所述双工位加工模块包括大理石支撑机构，所述大理石支撑机构的顶部安装有三轴平台，所述三轴平台的上方设有第一工位与第二工位，所述第一工位包括CCD相机Ⅰ、双色镜Ⅰ与聚焦模块Ⅰ，所述第二工位包括CCD相机Ⅱ、双色镜Ⅱ、聚焦模块Ⅱ与扫描振镜。

优选地，一种高效率制作光栅的双工位飞秒激光系统中，所述控制模块包括工业控制计算机，所述工业控制计算机内设有主控软件与数据库，所述工业控制计算机通过控制系统连接激光源、光路传输模块与双工位加工模块。

优选地，一种高效率制作光栅的双工位飞秒激光系统中，所述激光源采用Yb:KGW固体飞秒激光再生放大器，所述激光源的激光中心波长为1028nm、最短脉冲宽度为220fs、可调范围为0.22-10ps、脉冲重复频率在1kHz-1MHz范围内，所述激光源内设有激光器控制器。

优选地，一种高效率制作光栅的双工位飞秒激光系统中，所述三轴平台采用三维精密移动平台，所述三轴平台的X轴移动行程为0-300mm、Y轴移动行程为0-300mm、Z轴行程为0-100mm，所述三轴平台上设有精密定位平台控制器。

优选地，一种高效率制作光栅的双工位飞秒激光系统中，所述扫描振镜采用高速二维扫描振镜，所述扫描振镜的扫描速度大于2000mm/s，所述扫描振镜上设有振镜控制板卡。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明中三轴平台采用大理石支撑机构，稳定性好，全封闭结构设计，可防止激光泄露，保证人员的安全；

2、本发明采用双工位设计，加工效率高、三维加工精度好；

3、本发明中光路设计和光学元件均为双波长设计，系统兼容倍频光，可以同时实现两种波长飞秒激光刻写光栅，以及两种类型光栅刻写；

4、本发明双工位刻写系统热影响区域小、加工效率高、加工材料范围广，具有三维空间选择性与超高分辨率的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对具体实施方式描述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为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的飞秒激光刻写光栅光路示意图。

图中：1、激光源；2、光路传输模块；21、能量控制机构；22、能量检测机构；23、扩束器；24、快门；25、光路切换机构；26、反射镜；3、飞秒激光光束；41、大理石支撑机构；42、三轴平台；431、CCD相机Ⅰ；432、双色镜Ⅰ；433、聚焦模块Ⅰ；441、CCD相机Ⅱ；442、双色镜Ⅱ；443、聚焦模块Ⅱ；444、扫描振镜；51、工业控制计算机；52、主控软件；53、数据库；54、控制系统。

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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-2所示，本实施例为一种高效率制作光栅的双工位飞秒激光系统，包括激光源1、双工位加工模块与控制模块，包括激光源1与双工位加工模块之间设有光路传输模块，激光源1的输出端发出飞秒激光光束3，光路传输模块内设有能量控制机构21、能量检测机构22、扩束器23、快门24、光路切换机构25与反射镜26，飞秒激光光束3通过光路传输模块发送至双工位加工模块。双工位加工模块包括大理石支撑机构41，大理石支撑机构41的顶部安装有三轴平台42，三轴平台42的上方设有第一工位与第二工位，第一工位包括CCD相机Ⅰ431、双色镜Ⅰ432与聚焦模块Ⅰ433，第二工位包括CCD相机Ⅱ441、双色镜Ⅱ442、聚焦模块Ⅱ443与扫描振镜444。控制模块包括工业控制计算机51，工业控制计算机51内设有主控软件52与数据库53，工业控制计算机51通过控制系统54连接激光源1、光路传输模块与双工位加工模块，可精确控制加工位置、加工深度、加工形状。

激光源1采用Yb:KGW固体飞秒激光再生放大器，激光源1的激光中心波长为1028nm、最短脉冲宽度为220fs、可调范围为0.22-10ps、脉冲重复频率在1kHz-1MHz范围内，激光源1内设有激光器控制器，激光源1产生的激光通过光路传输模块进行传输、扩束、衰减、监控，然后传输到扫描振镜444，扫描振镜444有振镜控制板卡控制进行光束扫描，扫描光束经过聚焦模块聚焦后作用到待加工的PTR玻璃上，完成PTR玻璃光栅刻写。

三轴平台42采用三维精密移动平台，可以调整和移动样件的位置，从而保证PTR的光栅刻写区域和刻写范围，三轴平台42的X轴移动行程为0-300mm、Y轴移动行程为0-300mm、Z轴行程为0-100mm，第一工位采用三维精密移动平台配合聚焦物镜的光栅刻写方式，三轴平台42上设有精密定位平台控制器，XY轴用于XY平面内移动样品，Z轴用于在Z方向上调整激光焦点位置，保证激光焦点位置辐照在设定样品位置。

扫描振镜444采用高速二维扫描振镜，扫描振镜444的扫描速度大于2000mm/s，扫描振镜444上设有振镜控制板卡，第二工位采用高速二维扫描振镜配合手动升降的光栅刻写方式，手动升降用于在Z方向上调整激光焦点的位置，高速二维扫描振镜用于高速移动激光焦点，配合f＝100mm场镜，单次刻写幅面不小于70mm*70mm2。通过扫描振镜与XY二维平台拼接刻写方式，可以刻写大尺寸光栅样品。

本实施例的具体实施方式为：

本系统在进行体布拉格光栅飞秒激光刻写过程时，激光源1采用Yb:KGW再生放大器，其激光中心波长为1028nm、最短脉冲宽度为220fs、可调范围为0.22-10ps、脉冲重复频率在1kHz-1MHz范围内可调，选定重复频率为50kHz，从激光源1射出的超短脉冲激光经过光路传输模块，利用反射镜26及扩束器23对光束处理后传输至较高的双工位加工模块上，此时的光束仍为高斯光束，随后通过轴棱锥(底角2°)将其转换为贝塞尔光束，再通过由焦距为200mm的单透镜和焦距20mm的聚焦物镜(MitutoyoNIR，10×，NA＝0.26)组成的缩束因子为10的4f系统进行光束压缩，最终由物镜出射的零阶贝塞尔光束可直接聚焦在待加工样品内部。

在对样品进行刻写前，除了调平光路外，首先需将抛光好的样品固定在三轴平台42的样品台上，并利用CCD相机对样品进行调平，使其XYZ三轴与三轴平台42的XYZ轴分别平行。随后将样品移动至聚焦物模块的正下方，使贝塞尔光束传播方向垂直于样品上表面(XY平面)。通过控制系统54驱动三轴平台42，使Y轴以200μm/s的速度在PTR玻璃内部制备了间距为4μm，长度为2mm的线性结构。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims

1.一种高效率制作光栅的双工位飞秒激光系统，包括激光源(1)、双工位加工模块与控制模块，其特征在于：包括激光源(1)与双工位加工模块之间设有光路传输模块，所述激光源(1)的输出端发出飞秒激光光束(3)，所述光路传输模块内设有能量控制机构(21)、能量检测机构(22)、扩束器(23)、快门(24)、光路切换机构(25)与反射镜(26)，所述飞秒激光光束(3)通过光路传输模块发送至双工位加工模块。

2.根据权利要求1所述的一种高效率制作光栅的双工位飞秒激光系统，其特征在于：所述双工位加工模块包括大理石支撑机构(41)，所述大理石支撑机构(41)的顶部安装有三轴平台(42)，所述三轴平台(42)的上方设有第一工位与第二工位，所述第一工位包括CCD相机Ⅰ(431)、双色镜Ⅰ(432)与聚焦模块Ⅰ(433)，所述第二工位包括CCD相机Ⅱ(441)、双色镜Ⅱ(442)、聚焦模块Ⅱ(443)与扫描振镜(444)。

3.根据权利要求1所述的一种高效率制作光栅的双工位飞秒激光系统，其特征在于：所述控制模块包括工业控制计算机(51)，所述工业控制计算机(51)内设有主控软件(52)与数据库(53)，所述工业控制计算机(51)通过控制系统(54)连接激光源(1)、光路传输模块与双工位加工模块。

4.根据权利要求1所述的一种高效率制作光栅的双工位飞秒激光系统，其特征在于：所述激光源(1)采用Yb:KGW固体飞秒激光再生放大器，所述激光源(1)的激光中心波长为1028nm、最短脉冲宽度为220fs、可调范围为0.22-10ps、脉冲重复频率在1kHz-1MHz范围内，所述激光源(1)内设有激光器控制器。

5.根据权利要求2所述的一种高效率制作光栅的双工位飞秒激光系统，其特征在于：所述三轴平台(42)采用三维精密移动平台，所述三轴平台(42)的X轴移动行程为0-300mm、Y轴移动行程为0-300mm、Z轴行程为0-100mm，所述三轴平台(42)上设有精密定位平台控制器。

6.根据权利要求2所述的一种高效率制作光栅的双工位飞秒激光系统，其特征在于：所述扫描振镜(444)采用高速二维扫描振镜，所述扫描振镜(444)的扫描速度大于2000mm/s，所述扫描振镜(444)上设有振镜控制板卡。