CN114406450A - 一种激光加工中高均匀紧聚焦长光针的调控装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光加工中高均匀紧聚焦长光针的调控装置与方法，装置包括：激光器、空间光调制器、偏振分光棱镜、球面透镜、反射镜、4f系统和空间滤波光阑；该方法对高均匀长焦深焦功能和紧聚焦功能进行分离设计：采用优化设计的非球面全息相位实现纵向高均匀长焦深功能；采用像传递原理对高均匀长焦深光束进行横向尺寸压缩提高光场分辨率实现其紧聚焦功能，形成高均匀紧聚焦飞秒长光针，实现大深宽比结构的飞秒激光加工需求。

Description

一种激光加工中高均匀紧聚焦长光针的调控装置与方法

技术领域

本发明涉及光学加工技术领域，更具体的说是涉及一种激光加工中高均匀紧聚焦长光针的调控装置与方法。

背景技术

飞秒激光具有极高的峰值功率和极短的脉冲宽度，能实现多种金属、非金属材料的“冷”加工，是一种新型的微纳加工技术，在打孔、切割、表面微去除、3D打印、激光直写等方面具有广泛的应用价值。随着制造技术的发展，不断涌现一些大深宽比微槽、微孔、微流通道、微波导等复杂结构的精密加工需求，受聚焦光束焦深和光斑分辨率局限，常规高斯激光难以实现大深宽比微结构的精密加工，亟待解决激光加工工艺中焦深长度和焦斑尺寸的矛盾问题。传统减小光斑尺寸提高分辨率的方法主要是减小激光波长和提高加工物镜的数值孔径，但该方法在提高分辨率的同时压缩了聚焦光束的焦深。目前解决焦深短的问题，常用锥透镜产生贝塞尔光束实现延长焦深的目的，利用锥透镜将入射平面波转换为锥面波，可实现近无衍射贝塞尔光束长距离传输，但贝塞尔光束焦深范围内轴上光强震荡剧烈，且随着焦深的延长，导致中心光斑变大，单个元器件难以同时实现长焦深和紧聚焦的双重功能。

因此，如何提供一种具有高均匀紧聚焦长焦深“长光针”，并将其应用于大深宽比结构精密加工的调控装置与方法是激光制造领域亟需解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种激光加工中高均匀紧聚焦长光针的调控装置与方法，该方法对高均匀长焦深焦功能和紧聚焦功能进行分离设计：采用优化设计的非球面全息相位实现纵向高均匀长焦深功能；采用像传递原理对高均匀长焦深光束进行横向尺寸压缩提高光场分辨率实现其紧聚焦功能，形成高均匀紧聚焦飞秒长光针，实现大深宽比结构的飞秒激光加工需求。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种激光加工中高均匀紧聚焦长光针的调控装置，包括：激光器、空间光调制器、偏振分光棱镜、球面透镜、反射镜、4f系统和空间滤波光阑；

激光器产生的光束通过偏振分光棱调整光路方向进入空间光调制器进行相位调制，空间光调制器反射光透过偏振分光棱镜后通过球面透镜和反射镜，再通过4f系统的长焦距透镜和短焦距物镜，空间滤波光阑放置于长焦距透镜后焦面的位置，长焦距透镜的后焦面与短焦距物镜的前焦面重合，样品置于短焦距物镜的后焦面的位置进行激光加工。

优选的，还包括：扩束器和渐变光阑；

集光器产生的光束经过扩束器对高斯光束进行扩束，然后通过渐变光阑将扩束后的高斯光束调整为中空光束，再通过偏振分光棱镜进行光路方向调整。

一种激光加工中高均匀紧聚焦长光针的调控方法，包括以下步骤：

S1.根据光线追击原理建立能量守恒方程：

I_in(r)为空间光调制器的输入光强分布，I_out(z)为空间光调制器的输出光强分布，R₁为输入光场中心区域切趾半径，d₁为长焦深光场前端的纵向坐标，以空间光调制器液晶屏表面中心建立坐标系，液晶屏表面横向空间坐标为r，液晶屏表面法线方向为Z轴方向，z为纵向空间坐标，z(r)为与r相关的长焦深光束光轴与空间光调制器之间的纵向坐标，且

r∈[R₁，R₂]，R₂为输入光场通光孔径外边界半径，a为系数；

S2.通过能量守恒方程求解z(r)变量，计算所需相位函数ψ(r)；

S3.根据相位函数ψ(r)计算球面相位ψ_s(r)与剩余相位ψ_Re(r)：

ψ_Re(r)＝ψ(r)-ψ_s(r)

其中，d₂为长焦深光场后端的纵向坐标，λ为激光波长；

S4.空间光调制器SLM加载的相位即为：

CGH＝mod[ψ_Re(r),2π]

其中，mod[]为求余运算符；

S5.通过空间光调制器的相位调制，在d₁～d₂之间形成的长焦深光束经过4f系统中的长焦距透镜和短焦距物镜进行缩束，长焦距透镜前焦面与d₁位置重合，长焦距透镜后焦平面与空间滤波光阑重合，空间滤波光阑使+1级衍射光透过，空间滤波光阑位置与短焦距物镜的前焦面重合，短焦距物镜后焦面附近形成高均匀紧聚焦长光针。

优选的，S2.通过能量守恒方程求解z(r)变量，计算所需相位函数ψ(r)的具体内容为：

通过能量守恒方程求解z(r)变量，并代入旁轴近似条件

求解出所需相位函数ψ(r)：

激光加工过程中所需的是轴向光强均匀的光束，即输出光束在焦深范围d₁～d₂范围内轴上光强均匀，I_out(z)为常数，则相位函数ψ(r)满足对数函数分布：

R₂为输入光场通光孔径外边界半径。

优选的，在S5中d₁～d₂之间形成的长焦深光束焦深长度l＝d₂-d₁。

优选的，光针纵向长度为FL＝(d₂-d₁)/β，β为4f系统缩束比，β＝f₁/f₂,f₁为长焦距透镜焦距，f₂为短焦距物镜焦距。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种激光加工中高均匀紧聚焦长光针的调控装置及其方法，具有以下有益效果：

1.本发明的一种用于飞秒激光加工的高均匀紧聚焦长光针的调控方法中，对长焦深功能和紧聚焦功能分离设计并采用不同的功能模块实现，有效地降低单个器件的复杂度。

2.本发明的一种用于飞秒激光加工的高均匀紧聚焦长光针的调控方法中，采用非球面全息相位与球面透镜结合实现长焦深功能，有效降低了光学元件的制作难度。

3.本发明的一种用于飞秒激光加工的高均匀紧聚焦长光针的调控方法中，采用4f光学系统，基于4f系统的缩束功能，可将低能量密度低分辨率均匀长焦深光束缩束为满足激光加工的高能量密度均匀长焦深光束，且缩束比可调。

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，下面将对实施例或现有技术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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的一种激光加工中高均匀紧聚焦长光针的调控装置的总体光路示意图；

图2附图为本发明提供的一种激光加工中高均匀紧聚焦长光针的调控装置的总体光路示意图中d₁的位置；

图3附图为本发明提供的一种激光加工中高均匀紧聚焦长光针的调控装置的总体光路示意图中d₂的位置；

图4附图为实施例中提供的一种激光加工中高均匀紧聚焦长光针的调控方法中空间光调制器输入光束的光强分布；

图5附图为实施例中提供的一种激光加工中高均匀紧聚焦长光针的调控方法中空间光调制器加载的相位分布；

图6附图为实施例中提供的一种激光加工中高均匀紧聚焦长光针的调控方法中经过4f系统输出的高均匀紧聚焦长光针光强分布图；

图7附图为实施例中提供的一种激光加工中高均匀紧聚焦长光针的调控方法中经过4f系统输出的高均匀紧聚焦长光针的横向分布图；

其中，激光器1、扩束器2、渐变光阑3、空间光调制器4、偏振分光棱镜5、球面透镜6、反射镜7、长焦距透镜8、空间滤波光阑9、短焦距物镜10、样品11。

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。

本发明实施例公开了一种激光加工中高均匀紧聚焦长光针的调控装置，如图1所示，包括：激光器1、空间光调制器4、偏振分光棱镜5、球面透镜6、反射镜7、4f系统和空间滤波光阑9；

激光器1产生的光束通过偏振分光棱调整光路方向进入空间光调制器4进行相位调制，空间光调制器4反射光透过偏振分光棱镜5后通过球面透镜6和反射镜7，再通过4f系统的长焦距透镜8和短焦距物镜10，空间滤波光阑9放置于长焦距透镜8后焦面的位置，长焦距透镜8的后焦面与短焦距物镜10的前焦面重合，样品11置于短焦距物镜10的后焦面的位置进行激光加工。

为了进一步实施上述技术方案，还包括：扩束器2和渐变光阑3；

集光器产生的光束经过扩束器2对高斯光束进行扩束，然后通过渐变光阑3将扩束后的高斯光束调整为中空光束，再通过偏振分光棱镜5进行光路方向调整。

本实施例中还公开了一种激光加工中高均匀紧聚焦长光针的调控方法，包括以下步骤：

S1.根据光线追击原理建立能量守恒方程：

I_in(r)为空间光调制器4的输入光强分布，如图2-4所示，I_out(z)为空间光调制器4的输出光强分布，R₁为输入光场中心区域切趾半径，d₁为长焦深光场前端的纵向坐标，以空间光调制器液晶屏表面中心建立坐标系，液晶屏表面横向空间坐标为r，液晶屏表面法线方向为Z轴方向，z为纵向空间坐标，z(r)为与r相关的长焦深光束光轴与空间光调制器之间的纵向坐标，且

r∈[R₁，R₂]，R₂为输入光场通光孔径外边界半径，a为系数；

S2.通过能量守恒方程求解z(r)变量，计算所需相位函数ψ(r)；

S3.根据相位函数ψ(r)计算球面相位ψ_s(r)与剩余相位ψ_Re(r)：

ψ_Re(r)＝ψ(r)-ψ_s(r)

其中，d₂为长焦深光场后端的纵向坐标，λ为激光波长；

S4.空间光调制器4SLM加载的相位即为：

CGH＝mod[ψ_Re(r),2π]

其中，mod[]为求余运算符，相位分布如图5所示；

S5.通过空间光调制器4的相位调制，在d₁～d₂之间形成的长焦深光束经过4f系统中的长焦距透镜8和短焦距物镜进行缩束，长焦距透镜8前焦面与d₁位置重合，长焦距透镜8后焦平面与空间滤波光阑9重合，空间滤波光阑9使+1级衍射光透过，空间滤波光阑9位置与短焦距物镜的前焦面重合，短焦距物镜10后焦面附近形成高均匀紧聚焦长光针。

为了进一步实施上述技术方案，S2.通过能量守恒方程求解z(r)变量，计算所需相位函数ψ(r)的具体内容为：

通过能量守恒方程求解z(r)变量，并代入旁轴近似条件

求解出所需相位函数ψ(r)：

激光加工过程中所需的是轴向光强均匀的光束，即输出光束在焦深范围d₁～d₂范围内轴上光强均匀，I_out(z)为常数，则相位函数ψ(r)满足对数函数分布：

R₂为输入光场通光孔径外边界半径。

为了进一步实施上述技术方案，在S5中d₁～d₂之间形成的长焦深光束焦深长度l＝d₂-d₁。

为了进一步实施上述技术方案，光针纵向长度为FL＝(d₂-d₁)/β，β为4f系统缩束比，β＝f₁/f₂,f₁为长焦距透镜8焦距，f₂为短焦距物镜10焦距。

在本实施例中，焦深长度l＝d₂-d₁＝2mm，再经过长焦距透镜8和短焦距物镜构成的4f系统缩束，长焦距透镜8前焦面与d₁位置重合，长焦距透镜8后焦平面与空间滤波器重合，空间滤波器使+1级衍射光透过，空间滤波器位置与物镜前焦面重合，短焦距物镜10后焦面附近形成高均匀紧聚焦长光针，如图6所示，光针纵向长度为FL＝(d₂-d₁)/β＝0.4mm，β为4f系统缩束比，β＝f₁/f₂＝2，长焦距透镜8焦距f₁＝50mm，短焦距物镜10焦距f₂＝10mm，高均匀紧聚焦长光针的横向分布如图7所示，紧聚后中心光斑宽度为3.3μm，实现飞秒激光加工所需的横向高分辨、纵向长焦深的高均匀紧聚焦长光针调控。

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。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种激光加工中高均匀紧聚焦长光针的调控装置，其特征在于，包括：激光器、空间光调制器、偏振分光棱镜、球面透镜、反射镜、4f系统和空间滤波光阑；

激光器产生的光束通过偏振分光棱调整光路方向进入空间光调制器进行相位调制，空间光调制器反射光透过偏振分光棱镜后通过球面透镜和反射镜，再通过4f系统的长焦距透镜和短焦距物镜，空间滤波光阑放置于长焦距透镜后焦面的位置，长焦距透镜的后焦面与短焦距物镜的前焦面重合，样品置于短焦距物镜的后焦面的位置进行激光加工。

2.根据权利要求1所述的一种激光加工中高均匀紧聚焦长光针的调控装置，其特征在于，还包括：扩束器和渐变光阑；

集光器产生的光束经过扩束器对高斯光束进行扩束，然后通过渐变光阑将扩束后的高斯光束调整为中空光束，再通过偏振分光棱镜进行光路方向调整。

3.一种激光加工中高均匀紧聚焦长光针的调控方法，基于权利要求1-2任意一项所述的一种激光加工中高均匀紧聚焦长光针的调控装置，其特征在于，包括以下步骤：

S1.根据光线追击原理建立能量守恒方程：

I_in(r)为空间光调制器的输入光强分布，I_out(z)为空间光调制器的输出光强分布，R₁为输入光场中心区域切趾半径，d₁为长焦深光场前端的纵向坐标，以空间光调制器液晶屏表面中心建立坐标系，液晶屏表面横向空间坐标为r，液晶屏表面法线方向为Z轴方向，z为纵向空间坐标，z(r)为与r相关的长焦深光束光轴与空间光调制器之间的纵向坐标，且

r∈[R₁，R₂]，R₂为输入光场通光孔径外边界半径，a为系数；

S2.通过能量守恒方程求解z(r)变量，计算所需相位函数ψ(r)；

S3.根据相位函数ψ(r)计算球面相位ψ_s(r)与剩余相位ψ_Re(r)：

ψ_Re(r)＝ψ(r)-ψ_s(r)

其中，d₂为长焦深光场后端的纵向坐标，λ为激光波长；

S4.空间光调制器SLM加载的相位即为：

CGH＝mod[ψ_Re(r),2π]

其中，mod[]为求余运算符；

S5.通过空间光调制器的相位调制，在d₁～d₂之间形成的长焦深光束经过4f系统中的长焦距透镜和短焦距物镜进行缩束，长焦距透镜前焦面与d₁位置重合，长焦距透镜后焦平面与空间滤波光阑重合，空间滤波光阑使+1级衍射光透过，空间滤波光阑位置与短焦距物镜的前焦面重合，短焦距物镜后焦面附近形成高均匀紧聚焦长光针。

4.根据权利要求3所述的一种激光加工中高均匀紧聚焦长光针的调控方法，其特征在于，S2.通过能量守恒方程求解z(r)变量，计算所需相位函数ψ(r)的具体内容为：

通过能量守恒方程求解z(r)变量，并代入旁轴近似条件

求解出所需相位函数ψ(r)：

激光加工过程中所需的是轴向光强均匀的光束，即输出光束在焦深范围d₁～d₂范围内轴上光强均匀，I_out(z)为常数，则相位函数ψ(r)满足对数函数分布：

5.根据权利要求3所述的一种激光加工中高均匀紧聚焦长光针的调控方法，其特征在于，在S5中d₁～d₂之间形成的长焦深光束焦深长度l＝d₂-d₁。

6.根据权利要求3所述的一种激光加工中高均匀紧聚焦长光针的调控方法，其特征在于，光针纵向长度为FL＝(d₂-d₁)/β，β为4f系统缩束比，β＝f₁/f₂,f₁为长焦距透镜焦距，f₂为短焦距物镜焦距。

Images