CN114951971B - 用于飞秒激光加工增透微纳结构的加工头的光路系统及调试方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是解决现有利用激光加工技术加工增透微群孔结构时难以兼顾加工精度、质量和效率的问题，而提供了一种用于飞秒激光加工增透微纳结构的加工头的光路系统及调试方法。本发明采用分光镜、双面楔形镜、环形反射镜等光学元件将入射激光分成两束或多束，并利用衍射光学元件DOE及可变功率衰减片对分束后光束进行匀化和功率调整，实现了高一致性两束或多数束平顶光输出，将提升增透微纳结构制造一致性和效率。

Description

用于飞秒激光加工增透微纳结构的加工头的光路系统及调试 方法

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，具体涉及一种用于飞秒激光增透微纳结构加工头的光路系统及调试方法。

背景技术

超高速飞行器整流罩、机载跟踪测量光电系统光学窗口等的透射性能决定其探测能力及动态性能。传统采用镀膜的方法提高其透射性能，存在增透带宽窄、大入射角度不敏感等问题；此外，由于环境恶劣、膜层界面结合效应等问题，导致膜层易脱落、使用寿命短、窗口增透失效，成为限制重大探测装备的整体性能的关键因素之一。

通过在透明基底材料上制造出功能性微群孔，可以实现高的增透性能。但是传统的加工方法如化学蚀刻、离子束刻蚀、电子束刻蚀、纳米压印、光刻等存在工序复杂、成本高、效率低、无法实现曲面加工等问题。飞秒激光加工技术为增透微群孔结构的制造提供了一个全新而强有力的工具，但是在不同尺度下很难同时兼顾加工精度、质量和效率。

发明内容

本发明的目的是解决现有利用激光加工技术加工增透微群孔结构时难以兼顾加工精度、质量和效率的问题，而提供了一种用于飞秒激光增透微纳结构加工头的光路系统及调试方法。

本发明采用分光镜、双面楔形镜、环形反射镜等光学元件将入射激光分成两束或多束，并利用衍射光学元件DOE及可变功率衰减片对分束后光束进行匀化和功率调整，实现了高一致性两束或多束平顶光输出，将提升增透微纳结构制造一致性和效率。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于飞秒激光增透微纳结构加工头的光路系统，其特殊之处在于：包括依次设置的N个分光镜、反射镜，分别设置在N个分光镜反射光支路及反射镜反射光支路上的光束调制组，以及同轴设置的双面楔形镜、三角反射棱镜、环形反射镜和聚焦物镜；N≥1，且为整数；

入射激光经过N个分光镜和反射镜后形成N+1束反射光，N+1束反射光经过各自支路上的光束调制组透射后，同时入射至双面楔形镜，经双面楔形镜透射后，入射至环形反射镜的内环斜面，经环形反射镜反射后入射至三角反射棱镜，再经三角反射棱镜反射后汇聚至聚焦物镜，透射后聚焦在待加工基底材料上；

所述光束调制组包括可变光阑、衍射光学元件和可调功率表衰减片；

所述衍射光学元件至聚焦物镜之间的光学距离等于聚焦物镜的焦距f。

进一步地，所述聚焦物镜的焦距f、双面楔形棱镜的楔角α与待加工的增透微纳结构间距L满足：

L＝{arcsin[1.45sin(90-α)]-90+α}×f。

进一步地，分光镜为熔融石英材料，光束透过率为50％，反射率50％；

反射镜为熔融石英材料，光束反射率优于99％。

进一步地，可变光阑为圆形光阑，可变范围0.2mm-10mm；

衍射光学元件为DOE，用于将入射的高斯能量分布光束整形为平顶能量分布光束；

可调功率衰减片的功率调节范围为2％-98％。

进一步地，双面楔形镜为熔融石英材料，透光面镀有增透膜，透光率优于99％；

三角反射棱镜为熔融石英材料，底角为45°，反射面反射率优于99％；

环形反射镜为中空结构，内环斜面为反射面，角度为45°，反射率优于99％，材料为熔融石英；

聚焦物镜为10x、20x或50x倍镜。

一种上述用于飞秒激光增透微纳结构加工头的光路系统的调试方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

步骤1、搭建用于飞秒激光增透微纳结构加工头的光路系统；

步骤2、开启激光，调整各支路反射光的光束功率值一致；

步骤3、开启激光，调整各支路反射光的光束在待加工基底材料上形成的光斑直径一致；

步骤4、调试完成，通过运动机构带动加工头对待加工基底材料进行增透微纳结构加工。

进一步地，步骤2具体为：

2.1、利用挡板在各支路的可变光阑处遮挡，仅保留一条支路的光束入射至聚焦物镜，利用功率计测量聚焦物镜后的光束功率值，并记录功率值作为基准；

2.2、利用挡板在可变光阑处遮挡，保留另一支路的光束入射至聚焦物镜，利用功率计测量聚焦物镜后的光束功率值，与测量得到基准功率值比较；

若功率值一致，则不调整光路；若功率值不一致，则调整该支路的可调功率衰减片，直至聚焦物镜后的光束功率值与基准功率值一致；

2.3、重复步骤2.2，直至其余支路的光束功率值均与基准功率值一致。

进一步地，步骤3具体为：

3.1、利用挡板在可变光阑处遮挡，仅保留一条支路的光束入射至聚焦物镜，利用焦点分析仪测量待加工基底材料上聚焦光斑尺寸，并记录光斑直径作为基准；

3.2、利用挡板在可变光阑处遮挡，保留另一支路的光束入射至聚焦物镜，利用焦点分析仪测量该光束在待加工基底材料上聚焦光斑尺寸，与测量得到光斑直径基准值比较；

若光斑直径一致，则不调整光路；若光斑直径不一致，则调整该支路的可变光阑，直至待加工基底材料上的聚焦光斑直径与光斑直径基准值一致；

3.3、重复步骤3.2，直至其余支路的光束在待加工基底材料上聚焦光斑直径基准值一致。

与现有技术相比，本发明具有的有益技术效果如下：

利用本发明提供的用于飞秒激光增透微纳结构加工头的光路系统，与现有激光微纳结构加工技术相比，将有效提升微纳结构制造效率(提升1倍)，并且对增透微纳结构中的微孔边缘质量具有提升作用。

附图说明

图1为本发明用于飞秒激光增透微纳结构加工头的光路系统实施例示意图；

附图标记：

1-分光镜，2-反射镜，3-可变光阑，4-衍射光学元件，5-可调功率衰减片，6-双面楔形镜，7-三角反射棱镜，8-环形反射镜，9-聚焦物镜，10-待加工基底材料。

具体实施方式

为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种用于飞秒激光增透微纳结构加工头的光路系统及调试方法作进一步详细说明。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用来解释本发明的技术原理，目的并不是用来限制本发明的保护范围。

本发明一种飞秒激光增透微纳结构加工头光路系统，包括分光镜1、反射镜2、可变光阑3、衍射光学元件4、可调功率表衰减片5、双面楔形镜6、三角反射棱镜7、环形反射镜8以及聚焦物镜9。

入射激光入射至分光镜1后分为反射光和透射光，反射光路上依次设有一组可变光阑3、衍射光学元件4和可调功率表衰减片5，透射光路上依次设有另一组可变光阑3、衍射光学元件4和可调功率表衰减片5；经衰减后的反射光和透射光同时入射至双面楔形镜6，透射后同时入射至环形反射镜8的内环斜面，在环形反射镜8的中心轴上设置有三角反射棱镜7，将反射光和透射光反射后汇聚入射至聚焦物镜9，经过聚焦物镜9透射后聚焦在待加工基底材料10上。由此，入射光经分光镜1分成的反射光和透射光在待加工基底材料10上可实现两个光斑聚焦。

分光镜1为熔融石英材料，光束透过率为50％，反射率50％。

反射镜2为熔融石英材料，光束反射率优于99％。

可变光阑3为圆形光阑，可变范围0.2mm-10mm。

衍射光学元件4为DOE，可将入射的高斯能量分布光束整形为平顶能量分布光束，有助于微孔结构边缘质量提升。要求通过DOE后的光束至聚焦物镜9之间的光学距离等于聚焦物镜9的焦距。

可调功率衰减片5的功率调节范围为2％-98％。

双面楔形镜6为熔融石英材料，透光面镀有增透膜，透光率优于99％。

三角反射棱镜7为熔融石英材料，底角为45°，反射面反射率优于99％。

环形反射镜8为中空结构，内环斜面为反射面，角度为45°，反射率优于99％，材料为熔融石英。

聚焦物镜9为10x、20x或50x倍镜。

光路系统加工的增透微孔结构，其聚焦物镜9焦距f、双面楔形棱镜6的楔角α与增透微孔结构间距L满足：

L＝{arcsin[1.45sin(90-α)]-90+α}×f。

若需进一步提高制造效率，可加入多个分光镜1进行分光，产生多个聚焦光斑，提高制造效率；同时，可通过分光镜1角度变换，也可实现阵列聚焦光斑。

上述用于飞秒激光增透微纳结构加工头的光路系统的调试方法，具体包括以下步骤：

步骤1、搭建光学系统；

步骤2、开启激光，调整各支路分光的光束功率值一致；

2.1、利用挡板在反射光路或透射光路上可变光阑3处遮挡，仅保留一条光路入射至聚焦物镜9，利用功率计测量聚焦物镜9后的光束功率值，并记录功率值作为基准；

2.2、利用挡板在另一条光路上可变光阑3处遮挡，利用功率计测量聚焦物镜9后的光束功率值，与测量得到基准功率值比较；

若功率值一致，则不调整光路；若功率值不一致，则调整该条光路的可调功率衰减片5，直至聚焦物镜9后的光束功率值与基准功率值一致；

步骤3、开启激光，调整各路分光在待加工基底材料10上形成的光斑直径一致；

3.1、利用挡板在反射光路或透射光路上可变光阑3处遮挡，仅保留一条光路入射至聚焦物镜9，利用焦点分析仪测量待加工基底材料10上聚焦光斑尺寸，并记录光斑直径作为基准；

3.2、利用挡板在另一条光路上可变光阑3处遮挡，利用焦点分析仪测量待加工基底材料10上聚焦光斑尺寸，与测量得到光斑直径基准值比较；

若光斑直径一致，则不调整光路；若光斑直径不一致，则调整该条光路的可变光阑3，直至待加工基底材料10上的光斑直径与光斑直径基准值一致；

步骤4、调试完成，运动机构带动加工头对基底材料进行微纳结构加工。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种用于飞秒激光加工增透微纳结构的加工头的光路系统，其特征在于：包括依次设置的N个分光镜(1)、反射镜(2)，分别设置在N个分光镜(1)反射光支路及反射镜(2)反射光支路上的光束调制组，以及同轴设置的双面楔形镜(6)、三角反射棱镜(7)、环形反射镜(8)和聚焦物镜(9)；N≥1，且为整数；

入射激光经过N个分光镜(1)和反射镜(2)后形成N+1束反射光，N+1束反射光经过各自支路上的光束调制组透射后，同时入射至双面楔形镜(6)，经双面楔形镜(6)透射后，入射至环形反射镜(8)的内环斜面，经环形反射镜(8)反射后入射至三角反射棱镜(7)，再经三角反射棱镜(7)反射后汇聚至聚焦物镜(9)，透射后聚焦在待加工基底材料(10)上；

所述光束调制组包括可变光阑(3)、衍射光学元件(4)和可调功率表衰减片(5)；

所述衍射光学元件(4)至聚焦物镜(9)之间的光学距离等于聚焦物镜(9)的焦距f。

2.根据权利要求1所述的用于飞秒激光加工增透微纳结构的加工头的光路系统，其特征在于：

所述聚焦物镜(9)的焦距f、双面楔形棱镜(6)的楔角α与待加工的增透微纳结构间距L满足：

L＝{arcsin[1.45sin(90-α)]-90+α}×f。

3.根据权利要求2所述的用于飞秒激光加工增透微纳结构的加工头的光路系统，其特征在于：

分光镜(1)为熔融石英材料，光束透过率为50％，反射率50％；

反射镜(2)为熔融石英材料，光束反射率优于99％。

4.根据权利要求3所述的用于飞秒激光加工增透微纳结构的加工头的光路系统，其特征在于：

可变光阑(3)为圆形光阑，可变范围0.2mm-10mm；

衍射光学元件(4)为DOE，用于将入射的高斯能量分布光束整形为平顶能量分布光束；

可调功率衰减片(5)的功率调节范围为2％-98％。

5.根据权利要求1-4任一所述的用于飞秒激光加工增透微纳结构的加工头的光路系统，其特征在于：

双面楔形镜(6)为熔融石英材料，透光面镀有增透膜，透光率优于99％；

三角反射棱镜(7)为熔融石英材料，底角为45°，反射面反射率优于99％；

环形反射镜(8)为中空结构，内环斜面为反射面，角度为45°，反射率优于99％，材料为熔融石英；

聚焦物镜(9)为10x、20x或50x倍镜。

6.一种如权利要求1-5任一所述用于飞秒激光加工增透微纳结构的加工头的光路系统的调试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、搭建用于飞秒激光增透微纳结构加工头的光路系统；

步骤2、开启激光，调整各支路反射光的光束功率值一致；

步骤3、开启激光，调整各支路反射光的光束在待加工基底材料(10)上形成的光斑直径一致；

步骤4、调试完成，通过运动机构带动加工头对待加工基底材料(10)进行增透微纳结构加工。

7.根据权利要求6所述的用于飞秒激光加工增透微纳结构的加工头的光路系统的调试方法，其特征在于，步骤2具体为：

2.1、利用挡板在各支路的可变光阑(3)处遮挡，仅保留一条支路的光束入射至聚焦物镜(9)，利用功率计测量聚焦物镜(9)后的光束功率值，并记录功率值作为基准；

2.2、利用挡板在可变光阑(3)处遮挡，保留另一支路的光束入射至聚焦物镜(9)，利用功率计测量聚焦物镜(9)后的光束功率值，与测量得到基准功率值比较；

若功率值一致，则不调整光路；若功率值不一致，则调整该支路的可调功率衰减片(5)，直至聚焦物镜(9)后的光束功率值与基准功率值一致；

2.3、重复步骤2.2，直至其余支路的光束功率值均与基准功率值一致。

8.根据权利要求6所述的用于飞秒激光加工增透微纳结构的加工头的光路系统的调试方法，其特征在于，步骤3具体为：

3.1、利用挡板在可变光阑(3)处遮挡，仅保留一条支路的光束入射至聚焦物镜(9)，利用焦点分析仪测量待加工基底材料(10)上聚焦光斑尺寸，并记录光斑直径作为基准；

3.2、利用挡板在可变光阑(3)处遮挡，保留另一支路的光束入射至聚焦物镜(9)，利用焦点分析仪测量该光束在待加工基底材料(10)上聚焦光斑尺寸，与测量得到光斑直径基准值比较；

若光斑直径一致，则不调整光路；若光斑直径不一致，则调整该支路的可变光阑(3)，直至待加工基底材料(10)上的聚焦光斑直径与光斑直径基准值一致；

3.3、重复步骤3.2，直至其余支路的光束在待加工基底材料(10)上聚焦光斑直径基准值一致。