CN115138977A - 激光加工装置、激光加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种激光加工装置、激光加工方法，属于激光加工领域。该激光加工装置包括：激光整形模块，用于获取第一脉冲激光，并根据预设的相位图对所述第一脉冲激光进行偏振调制，以使所述第一脉冲激光经过所述相位图的灰色区域的部分和经过所述相位图的白色区域的部分的线偏振方向相互垂直，得到第二脉冲激光；偏振过滤模块，用于对所述第二脉冲激光进行偏振过滤，得到光斑为规定图案的第三脉冲激光，以通过所述第三脉冲激光对待加工表面进行加工处理，激光加工装置通过直接在加工表面上产生规定图案，不需要掩膜，提高了加工效率。

Description

激光加工装置、激光加工方法

技术领域

本发明涉及激光加工领域，特别涉及一种激光加工装置、激光加工方法。

背景技术

微纳加工，特别是纳米尺度上的加工是推动现代科技进步的重要动力之一，其中，具有单元周期和特征尺寸性质的微纳米尺度超材料的加工方法广受关注。但具有特殊功能的表面微纳结构材料普遍存在加工效率低、加工成本高的问题。

电子束光刻法可实现表面微结构的无掩模直写，具有极高的设计自由度和加工精度，但加工效率低、导致该方法难以投入大规模的生产应用中。紫外、极紫外光刻法和纳米压印在一定程度上可以实现较大面积微纳结构制备，但其加工精度极大依赖于设备和掩模板，并且存在对准拼接和设备成本高等问题而未能实现大规模应用。

发明内容

以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。

根据以上问题，本申请实施例提出了一种激光加工装置、激光加工方法，不需要使用掩膜，且加工效率较高。

根据本申请的第一方面提出了一种激光加工装置，所述装置包括：激光整形模块，用于获取第一脉冲激光，并根据预设的相位图对所述第一脉冲激光进行偏振调制，以使所述第一脉冲激光经过所述相位图的灰色区域的部分和经过所述相位图的白色区域的部分的线偏振方向相互垂直，得到第二脉冲激光；偏振过滤模块，用于对所述第二脉冲激光进行偏振过滤，得到光斑为规定图案的第三脉冲激光，以通过所述第三脉冲激光对待加工表面进行加工处理。

根据本申请第一方面的激光加工装置，通过使用光斑为规定图案的第三脉冲激光加工待加工在待加工表面上产生规定图案，不需要掩膜，且加工效率高。

在一些实施例中，所述激光加工装置还包括：激光输入模块，所述激光输入模块用于产生所述第一脉冲激光，并将所述第一脉冲激光输出至所述激光整形模块；其中，所述第一脉冲激光为皮秒脉冲激光或飞秒脉冲激光，所述第一脉冲激光产生的光斑的能量分布满足高斯分布或平顶分布。

在一些实施例中，所述激光输入模块，包括，激光光源组件，所述激光光源组件用于产生原始脉冲激光，激光输出组件，所述激光输出组件用于准直并输出所述第一脉冲激光；所述激光输入模块，还包括下列至少一项：能量调节组件，所述能量调节组件用于调节所述原始脉冲激光的能量；激光扩束组件，所述激光扩束组件用于对所述原始脉冲激光进行扩束。

在一些实施例中，所述激光整形模块，包括，偏振调节组件和空间光调制器：所述偏振调节组件用于将所述第一脉冲激光调制为具有规定偏振方向的线偏振光，并将调制后的线偏振光输出至所述空间光调制器；所述空间光调制器用于根据所述相位图对所述线偏振光进行逐像素的偏振调制，以使所述线偏振光经过所述相位图的灰色区域的部分和经过所述相位图的白色区域的部分的线偏振方向相互垂直。

在一些实施例中，所述相位图为边缘灰度渐变的相位图，所述边缘灰度渐变对应的渐变曲线满足规定的函数。

在一些实施例中，所述偏振过滤模块包括，四分之一波片和偏振片，用于依据所述第二脉冲激光的偏振角度调制所述四分之一波片和所述偏振片，对所述第二脉冲激光进行偏振过滤，得到光斑为规定图案的所述第三脉冲激光。

在一些实施例中，偏振过滤模块，包括偏振选择组件，所述偏振选择组件根据所述待加工表面的加工处理要求调制所述第三脉冲激光的偏振，将所述第三脉冲激光调制为线偏振光或圆偏振光。

在一些实施例中，所述激光加工装置还包括加工模块，用于使用所述第三脉冲激光加工所述待加工表面，所述加工模块包括位移组件和聚焦组件；所述聚焦组件，用于根据所述加工处理要求将所述第三脉冲激光缩束并聚焦至所述待加工表面。

在一些实施例中，所述位移模块用于使所述第三脉冲激光在所述待加工表面上产生的加工光斑与所述待加工表面按照预定的移动方式移动。

根据本申请的第二方面，提出了一种激光加工方法，包括：将具有规定偏振方向的线偏振的第一脉冲激光射入空间光调制器；在所述空间光调制器上加载规定的相位图；根据所述相位图，在所述空间光调制器中对所述第一脉冲激光的偏振方向进行逐像素调控，使所述第一脉冲激光经过所述相位图灰色区域的部分的线偏振方向与经过所述相位图白色区域的部分的线偏振方向相互垂直，获得第二脉冲激光；对所述第二脉冲激光进行偏振过滤，将所述第二脉冲激光整形为光斑是规定图案的第三脉冲激光；将所述第三脉冲激光聚焦至待加工表面，并使所述第三脉冲激光在所述待加工表面上产生的光斑与所述待加工表面按照规定方式发生相对移动，以加工所述待加工表面。

根据本申请的第二方面，提出了一种激光加工方法，包括：将具有规定偏振方向的线偏振的第一脉冲激光射入空间光调制器；在空间光调制器上加载规定的相位图；根据相位图，在空间光调制器中对第一脉冲激光的偏振方向进行逐像素调控，使第一脉冲激光经过相位图灰色区域的部分的线偏振方向与经过相位图白色区域的部分的线偏振方向相互垂直，获得第二脉冲激光；根据相位图，对第二脉冲激光进行偏振过滤，将第二脉冲激光整形为光斑是规定图案的第三脉冲激光；将第三脉冲激光聚焦至待加工表面，并使第三脉冲激光在待加工表面上产生的光斑与待加工表面按照规定方式发生相对移动，以加工待加工表面。

可以理解的是，上述第二方面与相关技术相比存在的有益效果与上述第一方面与相关技术相比存在的有益效果相同，可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不再赘述。

本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

图1是本申请实施例的激光加工装置的一种实施方式的示意图。

图2是本申请实施例的激光加工装置的另一种实施方式的示意图。

图3是本申请实施例的激光加工方法的流程图。

图4是本申请实施例的激光加工装置的一种实施方式的光路示意图。

图5是图4的激光加工装置的4f缩束系统的示意图。

图6是结合图4的实施例1中光路中激光脉冲的偏振变化示意图。

图7是图6的实施例的B处的放大图。

图8是图6的实施例的C处的放大图。

图9是图6的实施例的D处的放大图

图10是图6的实施例的E处的放大图

图11是实施例1中激光烧蚀五角星的正模结果示意图。

图12是实施例1中激光烧蚀五角星的反模结果示意图。

图13是实施例1中激光烧蚀五角星的正模相位图示意图。

图14是实施例1中激光烧蚀五角星的反模相位图示意图。

图15是实施例2的单次曝光加工内含多个结构的天线组合的正模结果示意图。

图16是实施例2的单次曝光加工内含多个结构的天线组合的反模结果示意图。

图17是实施例2的单次曝光加工内含多个结构的天线组合的正模相位图示意图。

图18是实施例2的单次曝光加工内含多个结构的天线组合的反模相位图示意图。

图19是实施例3的激光单脉冲烧蚀一维纳米光栅结果示意图。

图20是图19的激光单脉冲烧蚀一维纳米光栅结果示意图的F处的局部放大图。

图21是激光单脉冲加工通过扫描速度调控同心环阵列六边形排布结果示意图。

图22是激光单脉冲加工通过扫描速度调控同心环阵列菱形排布结果示意图。

图23是激光单脉冲加工通过扫描速度调控同心环阵列正方形排布结果示意图。

附图标记：100：激光输入模块、200：激光整形模块，300：偏振过滤模块，401：加工模块，10：待加工表面，500：控制器，110：激光光源组件、120：能量调节组件、130：激光扩束组件、140：激光输出组件、210：偏振调节组件、220：空间光调制器、310：偏振过滤组件、320：偏振选择组件、410：聚焦组件、420：位移组件、111：激光器，121：电动半波片、122：格兰棱镜、122a：挡块、131：第一凹透镜、141：第一凸透镜、211：第一半波片、221：第一反射镜、222：空间光调制器、223：第二反射镜、311：第一四分之一波片、312：偏振片、321：偏振选择波片、411：第二凸透镜、412：第一二向色镜、501:第二二向色镜、503：第三反射镜、504：CMOS相机、502：LED光源、413：物镜、421：三轴精密位移台、501：加工控制系统。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请实施例。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路、光路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请实施例的描述。

需要说明的是，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于流程图中的顺序执行所示出或描述的步骤。说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

为了表达方便简洁，本实施例中省略了部分基本的光路调节器件，例如凹透镜、凸透镜、反射镜，这些光路调节器件可以实际需要设置在本申请实施例光路中的各处，且其设置方法并不影响本申请实施例的有益效果实现。

空间光调制器是一种有多个独立单元组成的光调制器件，在空间上按一维或二维排列，每个单元都可以独立地接收光学信号或电学信号的控制，并按此信号改变自身的光学性质，从而对照明在其上的光波进行调制。例如，可以在电驱动信号或其他信号的控制下，改变空间上光分布的振幅或强度、相位、偏振态以及波长。特别地，液晶空间光调制器的工作原理是通过改变寻址电压独立控制每一个像素，不同的电压会使液晶分子产生对应的偏转角以此产生特定的相位延迟。

相位图是可以应用于液晶空间光调制器的一个灰度值从0到255可变的灰度图，灰度值与施加到液晶空间光调制器像素单元上的驱动电压一一对应。通过改变图像的灰度值，就能实现对电压的控制，从而实现相位的调控。

根据图1对本申请实施例提供的激光加工装置，进行说明。

参照图1，激光加工装置可以具有，激光输入模块100，用于为后述的激光整形模块200提供第一脉冲激光。

具体地参照图2，激光输入模块100可以由激光光源组件110和激光输出组件140组成，激光光源组件110可以是能够产生脉冲激光的激光器，如光纤激光器，调Q激光器等，也可以是可以输出脉冲激光的系统，例如由种子源、展宽器、放大器、压缩器组成的啁啾激光系统。为了满足后续加工的需要，激光光源组件110应该能够输出脉宽为飞秒、皮秒级别的脉冲激光。激光的能量分布可以是高斯分布或是平顶分布。激光输出组件140，用于调整和准直激光光源组件110发出的原始激光的光路并作为第一脉冲激光输出至激光整形模块200。

在一些实施例中，参照图2，激光输入模块100还具有能量调节组件120，能量调节组件120用于调节激光光源组件110发出的原始激光的能量，能量调节组件120受控制器500控制。通过控制器500可以控制能量调节组件120从而调节激光输入模块100输出的第一脉冲激光的能量大小。

在一些实施例中，参照图2，激光输入模块100还具有激光扩束组件130，激光扩束组件130用于放大激光光源组件110发出的原始激光的光束的束宽。并配合后述的激光输出组件140输出第一脉冲激光。

参照图1，激光加工装置具有激光整形模块200，用于获取第一脉冲激光，并根据预设的相位图对第一脉冲激光进行偏振调制，以使第一脉冲激光经过相位图的灰色区域的部分和经过相位图的白色区域的部分的线偏振方向相互垂直，得到第二脉冲激光。

具体地参照图2，激光整形模块200包括偏振调节组件210和空间光调制器220，获取第一脉冲激光后，第一脉冲激光射入偏振调节组件210，在偏振调节组件210中调制为具有规定偏振方向的线偏振光。而后，该线偏振光出至空间光调制器220。空间光调制器220根据在控制器500中预设的相位图，对线偏振光进行逐像素的偏振调制，以使在空间光调制器220中，如图4所示线偏振光经过相位图的灰色区域的部分对应区域和经过相位图的白色区域的部分对应区域的线偏振方向相互垂直，例如，图6是本申请的一种实施例的光路中激光脉冲的偏振变化示意图，在该实施例中，通过加载有五角星相位图的空间光调制器222调制后，线偏振光在对应相位图白色部分的五角星内部的偏振方向与对应相位图灰色部分的五角星外部的偏振方向相互垂直。

在一些实施例中，相位图为边界灰度渐变的二元相位图，具体地，二元相位图在白色与灰色的灰度边界处增加灰度渐变而具有灰度梯度过渡的八位深的相位图。通过加载该相位图至空间光调制器220对逐像素地对光斑的偏振、相位、振幅进行调控。具有规定偏振方向的线偏振光，经过空间光调制器220中对应相位图的灰度渐变部分时，偏振方向为椭圆偏振。具体地，参考图6与图7，图7是图6的A处的放大示意图，在图6的实施例中，空间光调制器222加载了该实施例规定的相位图，经过空间光调制器调制的偏振光通过第二反射镜223汇入主光路，偏振光经过该相位图白色部分的偏振方向和灰色部分的偏振方向相互垂直。进一步地，参照图7，经过上述相位图的灰度渐变部分时，由于电矢量的改变是渐变的，因此偏振光会呈现为在上述两个偏振方向垂直的线偏振之间的，椭偏率渐变的椭圆偏振。经过后述的其他调制后，使后述的形成在待加工表面上的光斑边缘具有渐变的能量分布，能在加工尺度形成更加精细、形状更接近原定图案。

参照图1，激光加工装置还具有偏振过滤模块300，用于对第二脉冲激光进行偏振过滤，得到光斑为规定图案的第三脉冲激光，以通过第三脉冲激光对待加工表面10进行加工处理。

具体地，参照图4，偏振过滤模块300可以由四分之一波片和偏振片组成，通过调节四分之一波片和偏振片的夹角，可以对第二激光脉冲进行偏振过滤，将光斑整形为所需要的图案。从而得到第三脉冲激光。

进一步地，参照图6、图8及图9，图8是图6的B处的放大示意图，图9是图6的C处的放大示意图。在图6的实施例中，图1的偏振过滤模块300包括第一四分之一波片311、偏振片312。经过空间光调制器222调制的第二脉冲激光经过第二反射镜223进入第一四分之一波片311，参考图8，经第一四分之一波片311调制，上述椭偏率渐变的椭圆偏振的变为偏振方向渐变的线偏振。进而，参照图9，通过偏振片312的滤光，使后述的形成在待加工表面上的光斑边缘具有渐变的能量分布。

在一些实施例中，偏振过滤模块300还包括了偏振选择组件320，偏振选择组件320根据待加工表面的加工处理要求调制第三脉冲激光的偏振，将第三脉冲激光调制为线偏振光或圆偏振光。

具体地，参照图6及图10，图10是图6的E处的放大示意图。图6的实施例中，偏振选择组件为偏振选择波片321，在该实施例中选用四分之一波片，因此参考图10，可以将第三脉冲激光调制为圆偏振光。

需要注意的是，在激光加工中，线偏振光将在垂直于线偏振方向产生更强烈的烧蚀效果，并且能使加工结构垂直偏振方向线宽更细，而圆偏振光的各项均匀，在激光加工中，各个方向的加工强度相同，可以使所得结构更加均匀。因此，可以根据具体的加工需要，选择偏振选择组件320的构成，例如加工结构不具有方向性时，选用四分之一波片，具有方向性时，选用半波片。

参照图2，激光加工装置还具有加工模块400，用于使用第三脉冲激光加工待加工表面10，加工模块400包括位移组件420和聚焦组件410；聚焦组件410，用于根据加工处理要求将第三脉冲激光缩束并聚焦至待加工表面10。位移模块用于使第三脉冲激光在待加工表面10上产生的加工光斑与待加工表面10按照预定的移动方式移动。

基于上述说明，图1及图2的实施方式可以一步化的利用第三激光脉冲产生的光斑在待加工表面10上加工，由于光斑事先已经形成了要加工的图案，所以可以直接将图案加工至待加工表面10上，因此利用图案化整形后超快激光脉冲对工件进行单脉冲的材料去除或改性，实现了待加工表面10上的高效、大面积、低成本制备微纳结构阵列。

进一步地结合图2的实施方式，过对整形后光斑的偏振和边缘能量分布进行微调，实现微纳图案更精确的加工，达到更小的图案特征尺寸，实现微纳结构的高精度设计。

结合上述的激光加工方法，根据图3，本申请实施例还提出了一种激光加工方法，包括：根据本申请的第二方面，提出了一种激光加工方法，包括：

S100：将具有规定偏振方向的线偏振的第一脉冲激光射入空间光调制器220；

S200：在空间光调制器上加载规定的相位图；

S300：根据相位图，在空间光调制器中对第一脉冲激光的偏振方向进行逐像素调控，使第一脉冲激光经过相位图灰色区域的部分的线偏振方向与经过相位图白色区域的部分的线偏振方向相互垂直，获得第二脉冲激光；

S400：对第二脉冲激光进行偏振过滤，将第二脉冲激光整形为光斑是规定图案的第三脉冲激光；

S500：将第三脉冲激光聚焦至待加工表面，并使第三脉冲激光在待加工表面上产生的光斑与待加工表面按照规定方式发生相对移动，以加工待加工表面。

可以理解的是，上述方法对应与本申请实施方式的激光加工装置，具有相似的技术特征和同样的有益效果，在此不再赘述。

下面结合图4，并对本实施方式的具体实施例进行说明。

图4是本申请实施例的一种具体实施例的光路图，激光器111发出超快脉冲激光，在一些实施例中，该超快激光是中心波长为520nm，脉宽为300fs的高斯线偏振光。该超快脉冲激光经过由电动半波片121和格兰棱镜122组成的能量调节组件120进行激光能量调节，加工控制系统能够控制电动半波片121从而实现对激光能量的控制。并进一步通过由第一凹透镜131和第一凸透镜141进行激光准直扩束，并输出至第一半波片211进行偏振调整，产生规定偏振方向的线偏振高斯光束，进而该线偏振高斯光束经过第一反射镜221照射至空间光调制器222上，通过在空间光调制器222上加载边界灰度渐变的二元相位图，可对入射光进行逐像素的偏振调控，且该相位图可以通过加工控制系统控制。出射光经过第二反射镜223再次进入主光路。进入主光路的光束再依次经过由第一四分之一波片311和偏振片312组成的偏振过滤组件310，将能量高斯分布的光斑整形为所设计的图案。进而，该实施例中还设置有偏振选择波片321，偏振选择波片321可根据加工处理要求对整形后光斑的偏振进行调控。完成了偏振选择的激光脉冲再通过第一二向色镜501，经由第二凸透镜411和物镜413组成的4f缩束系统聚焦到加工表面。通过三轴精密位移台421与上述激光器111的联动，可以实现特定加工参数的图案化整形飞秒激光扫描加工。

图5是图4的4f缩束系统的示意图。结合图4，4f缩束系统由空间光调制器222、第二凸透镜411、物镜413、待加工表面10组成。通过调整空间光调制器222到待加工表面10的距离为两倍第二凸透镜411的焦距加两倍物镜413的焦距，可将光斑聚焦位置调整至待加工表面10，并保持图案化光斑聚焦后形状完整。

另一方面，图4的实施例中设置有LED光源502，LED光源502发出单色光并经第二二向色镜501反射，依次通过第一二向色镜412、物镜413聚焦至待加工表面10，而后沿入射路径传播，依次经过聚焦物镜413、第一二向色镜412和第二二向色镜501，最后通过第三反射镜进入CMOS相机504成像，实现对待加工表面10激光加工状况的实时观测。

根据上述的图4和图5的具体实施例的激光加工系统，由于通过激光器与三轴精密位移台421的联动，使加工样品与激光脉冲的相对运动，实现了单个脉冲在材料表面的选择性烧蚀或改性，即单脉冲的分离直写，从而达到高效一步式加工表面亚波长微纳结构的目的。

虽然在上述实施方式中，提及了激光加工装置中设置有偏振选择组件320，但不限于此，本领域技术人员应当知晓，偏振选择组件320虽然在增加了加工精度，本申请实施例的激光加工装置即使不设置偏振选择组件320仍可以达到一次图案化加工的提高加工效率的效果。

虽然在上述实施方式中，提及了第一脉冲激光是能量分布为高斯分布，但不限于此，可以理解的是，即使第一脉冲激光不是高斯分布，虽然会降低激光的加工精度，但与其他加工方案相比，仍然能有一次图案化加工的提高加工效率的效果。并且当第一脉冲激光的能量分布为平顶分布时，能量会更加均匀，所以可以在光路中增加平顶光调制元件，如二维光学元件、斩波器来获得平顶光束，使得加工使用的能量更加均匀。

虽然在上述实施方式中，提及了激光加工装置可以具有激光输入模块100，但不限于此，需要注意的是，激光输入模块100只是为了在实施方式中说明方便而设置的，并非限定必须在激光加工装置内部设置有激光输入模块100。本申请实施例的激光加工装置也可以使用外来的激光脉冲来实现加工，例如可以在激光加工装置的外设置一个飞秒激光器，该激光器输出飞秒激光并射入至激光整形模块200，也可以实现本申请实施例的技术效果。

虽然在上述实施方式中，提及了使用格兰透镜和电动半波片构成能量调节组件120，但不限于此，例如通过偏振片组合或者使用偏振分束器也能完成对第一脉冲激光的能量调节，应当理解为，只要能使能量调节组件120能够完成对激光脉冲能量的可调控的调制即可。

虽然在上述实施方式中，使用液晶的空间光调制器220进行激光整形，但不限于此，例如使用DMD(数字微镜器件)也可以实现激光整形，因此激光整形模块200也可以使用DMD。应当理解为，只需要能够加载相位图，通过调制激光的偏振完成激光整形即可。

下面结合图4的对具体实施例进行说明。

【实施例1】

结合图4，对一种制备五角星正反模阵列结构的方法，包括如下步骤：

步骤1：根据加工需求，确定激光加工所需要的参数。

具体地图11是五角星正模结构的示意图，五角星正模结构大小为10μm，周期为10μm。图12是五角星反模结构的示意图，五角星反模结构外框为边长10μm的正方形，内部五角星镂空大小为9μm，周期为10μm。

因此，制备五角星正反模结构阵列面积可以设置为10mm×10mm。

步骤2：根据加工尺寸，考虑选取50倍物镜413(NA＝0.55)对激光脉冲进行聚焦，故图5中的4f缩束系统参数选定为f1＝1000mm，f2＝4mm。

步骤3：设计五角星光斑整形所需相位图。

具体地，在该实施例中，空间光调制器222单像素尺寸为12.5μm，由4f缩放比例计算得到五角星正模宽度像素数为200个。五角星反模外框边长像素数为200个，内部五角星宽度像素数为180个。相位图需保留光斑能量部分灰度值为215(即相位图中白色的部分)，如五角星正模图案和五角星反模外框。需过滤光斑部分灰度值为85(即相位图中灰色的部分)，如五角星反模内部镂空部分。参见图13和图14的相位图示意图，在相位图灰度突变处添加灰度渐变，且渐变曲线满足特定函数。

步骤4：设定加工光路中各波片的角度。

具体地，如图6为本实施例中五角星正模激光图案化整形流程示意图，其中，调整电动半波片121的快轴方向与水平方向夹角为-22.5°，初始水平线偏振激光通过后偏振方向为-45°，经加载了所设计相位图的空间光调制器222反射后，光斑经相位图灰白两区域的偏振为相互垂直的线偏振，中间为椭圆角渐变的椭圆偏振过渡。调整第一四分之一波片311的快轴方向与水平方向夹角为45°，此时光斑经相位图灰白两区域的偏振相互垂直，中间为偏振方向渐变的线偏振过渡。选定偏振片312的水平轴与水平方向夹角为45°，此时图案经过相位图偏白部分光斑被保留，偏灰部分被过滤。因加工图案不具有方向性，因此可以选择偏振选择波片321为四分之一波片，快轴方向与水平方向夹角为45°，最终加工所用整形激光偏振为圆偏振。

步骤5：选取待加工表面10，样品为石英玻璃上依次蒸镀2nm的铬和10nm的金。分别用丙酮和无水酒精对待加工表面10进行15min超声波清洗，然后在无尘环境中利用氮气吹干得到干净的待加工表面10。

步骤6：将待加工表面10固定在三轴精密位移台421的载物台上并调节位移台使其水平，并通过调节三轴精密位移台421载物台，使待加工样品处于激光焦点处。

步骤7：通过控制系统设置激光脉宽为300fs，波长为520nm，重频为10kHz，激光单脉冲能量为0.5μJ，刻写速度分别为100mm/s、97mm/s。在本实施例中，单脉冲光刻加工参数的选择不局限于本发明实例所用重复频率以及扫描速度，成比例增大或减小重复频率及扫描速度可实现相同排布的阵列结构。需要注意的是，轻微地改变刻写速度可改变阵列的排布方式，将在后述的实施例4中予以说明。

步骤8：在加工过程中，通过加工控制系统控制三轴精密位移台421的载物台在水平方向沿X轴移动10mm，得到第一行五角星正反模阵列结构。

步骤9：控制载物台回到初始位置并沿Y轴移动一段距离，开始第二行加工。

步骤10：重复步骤8及步骤9，实现微纳结构的大面积制备。

本实施例的效果如图11和图12所示，分别实现了加工五角星正、反模结构阵列，周期均为10μm。

【实施例2】

结合图4，对一种图案化单脉冲光刻法实现图案单元内多个微纳结构一次曝光的加工方法的实施例进行说明，该实施例包括如下步骤：

步骤1：根据加工需求，参见图17、图18的相位图，每个加工单元内包含五个结构的天线式结构如，单个天线结构线宽为1μm，整体天线组合结构长为18μm，宽为4μm，周期为4.8μm；天线式结构反模线宽为1μm，反模外框长为20μm，宽为4.8μm，周期为4.8μm。制备天线式组合结构正反模结构阵列面积为10mm×10mm。

步骤2：根据加工尺寸，考虑选取50倍物镜413(NA＝0.55)对激光脉冲进行聚焦，因此图5中的4f缩束系统参数选定为f1＝1000mm，f2＝4mm。

步骤三：设计天线组合结构光斑整形所需相位图。

具体地，参见图17和图18，所用空间光调制器222单像素尺寸为12.5μm，由4f缩放比例计算得到天线线宽像素数为20个，天线组合结构反模外框宽度像素数长为400个，宽为96个像素。相位图需保留光斑能量部分灰度值为215(白色部分)，如天线结构正模图案和结构组合反模的外框。需过滤光斑部分灰度值为85(灰色部分)，如天线结构反模内部镂空部分。并在相位图灰度突变处添加灰度渐变，渐变曲线满足特定函数。

步骤4：设定加工光路中各波片的角度。

具体地，调节电动半波片121的快轴方向与水平方向夹角为-22.5°，并使第一四分之一波片311的快轴方向与水平方向夹角为45°，偏振片312的水平轴与水平方向夹角为45°。因加工图案不具有方向性，故选偏振选择波片321可以为四分之一波片，其快轴方向与水平方向夹角为45°，因此，最终加工所用整形激光偏振为圆偏振。

步骤5：选取待加工表面10，样品为石英玻璃上依次蒸镀2nm的铬和10nm的金。分别用丙酮和无水酒精对待加工表面10进行15min超声波清洗，然后在无尘环境中利用氮气吹干得到干净的待加工表面10。

步骤6：将待加工样品固定在三轴精密位移台421的载物台上并调节位移台使其水平，并通过调节三轴精密位移台421载物台，使待加工表面10处于激光焦点处。

步骤7：通过加工控制系统设置激光脉宽为300fs，波长为520nm，重频为10kHz，激光单脉冲能量为0.7μJ，刻写速度为48mm/s。

步骤8：在加工过程中，通过控制系统控制三轴精密位移台421载物台在水平方向沿X轴移动10mm，得到第一行天线式组合结构。

步骤9：控制载物台回到初始位置并沿Y轴移动一段距离，开始第二行加工。

步骤10：重复步骤8及步骤9，实现微纳结构的大面积制备。

本实施例的效果如图15和图16所示，分别加工天线组合正、反模结构阵列，单次加工的一个天线单元内包含五个结构，周期均为4.8μm。

【实施例3】

结合图4对本实施例的一种图案化单脉冲光刻法加工一维纳米光栅的方法，进行说明，包括如下步骤：

步骤1：根据加工需求，一维纳米光栅的周期为510nm，线宽为60nm，刻槽型状为矩形，长度为5μm。

步骤2：根据加工尺寸，考虑选取100倍物镜413(NA＝0.8)对激光脉冲进行聚焦，故图5中所示4f缩束系统参数选定为f1＝1000mm，f2＝2mm。

步骤3：设计矩形光斑整形所需相位图。

具体地，所用空间光调制器222单像素尺寸为12.5μm，由4f缩放比例计算得到相位图矩形宽度为20个像素，长为200个像素。相位图需保留光斑能量部分灰度值为215(白色部分)，如本申请实施例中的矩形。需过滤光斑部分灰度值为85(灰色部分)，如本案例中除矩形以外部分。并在相位图灰度突变处添加灰度渐变，渐变曲线满足特定函数；

步骤4：设定加工光路中各波片的角度。

具体地，调节电动半波片121的快轴方向与水平方向夹角为-22.5°，调节第一四分之一波片311的快轴方向与水平方向夹角成45°，偏振片312的水平轴与水平方向夹角为45°。由于加工图案具有明显的方向性，因此可以选择偏振选择波片321为半波片，其快轴方向与水平方向夹角为22.5°，最终加工所用整形激光偏振为方向与矩形长轴方向平行的线偏振。

步骤5：选取待加工表面10的样品，样品为石英玻璃上依次蒸镀2nm的铬和10nm的金。分别用丙酮和无水酒精对待加工表面10进行15min超声波清洗，然后在无尘环境中利用氮气吹干得到干净的待加工表面10。

步骤6：将待加工表面10固定在三轴精密位移台421的载物台上并调节位移台使其水平，并通过调节三轴精密位移台421载物台，使待加工表面10处于激光焦点处。

步骤7：通过加工控制系统设置激光脉宽为300fs，波长为520nm，重频为10kHz，激光单脉冲能量为0.4μJ，刻写速度为5.1mm/s。

步骤8：在加工过程中，通过加工控制系统控制三轴精密位移台421载物台在水平方向沿X轴移动5mm，得到单行一维纳米光栅结构。

本实施例的加工效果参见图19、图20，加工所得一维光栅周期为509nm，线宽为62nm。

【实施例4】

结合图4，本发明还涉及一种通过调节扫描速度调控图案化阵列排布方法。在本实施例中，涉及一种图案化单脉冲光刻制备同心环阵列结构的方法，包括如下步骤：

步骤1：根据加工需求，所加工同心环外环外径为4μm，内径为3μm，内环外径为2μm，内径为1μm，需要分别加工呈六边形，菱形，正方形排布的同心环阵列，制备结构阵列面积为10mm×10mm。

步骤2：根据加工尺寸，考虑选取100倍物镜413(NA＝0.8)对激光脉冲进行聚焦，故图5中所示4f缩束系统参数选定为f1＝1000mm，f2＝2mm。

步骤3：设计同心环结构光斑整形所需相位图。

具体地，所用空间光调制器222单像素尺寸为12.5μm，由4f缩放比例计算得到同心环二元相位图外环外径像素数为160个，内径像素数为120个，内环外径像素数为80个，内径像素数为40个。相位图内外环需保留光斑能量部分灰度值定位215(偏白)，需过滤光斑部分灰度值为85(偏灰)，并在相位图灰度突变处添加灰度渐变，渐变曲线满足特定函数。

步骤4：设定加工光路中各波片的角度，选定电动的快轴方向与水平方向夹角为-22.5°，第一四分之一波片311的快轴方向与水平方向夹角为45°，偏振片312水平轴与水平方向夹角为45°。因加工图案不具有方向性，故选择偏振选择波片321为四分之一波片，快轴方向与水平方向夹角为45°，最终加工所用整形激光偏振为圆偏振。

步骤5：选取待加工样品，样品为石英玻璃上依次蒸镀2nm的铬和10nm的金。分别用丙酮和无水酒精对待加工样品进行15min超声波清洗，然后在无尘环境中利用氮气吹干得到干净的待加工样品。

步骤6：将待加工样品固定在三轴精密位移台421的载物台上并调节位移台使其水平，并通过调节三轴精密位移台421载物台，使待加工样品处于激光焦点处。

步骤7：通过控制系统设置激光脉宽为300fs，波长为520nm，重频为10kHz，激光单脉冲能量为0.2μJ，刻写六边形，菱形，正方形排布阵列的速度分为47.5mm/s、47mm/s、46.5mm/s。

步骤8：在加工过程中，通过控制系统控制三轴精密位移台421载物台在水平方向沿X轴移动10mm，得到第一行同心环结构。

步骤9：控制载物台回到初始位置并沿Y轴移动一段距离，开始下一行行加工。

步骤10：多次循环步骤8及步骤9，实现微纳结构的大面积制备。

本实施例的效果如图21、图22、及图23所示，在不影响占空比的情况下，通过改变扫描速度改变了图案阵列的排布方式，图21中的扫描速度为47.5mm/s、图22中的扫描速度为47mm/s、图23中的扫描速度为46.5mm/s，分别得到六边形、菱形和正方形分布的同心环阵列。

因此，根据上述实施例的说明，不难理解本申请实施例的激光加工方法或激光加工设备所制备的微纳结构可按实际需求对其形状、周期及占空比进行调节。且通过使用渐变二元相位图激光整形方法相对与传统的相位图的激光整形方法，能量更均匀，能达到百纳米的加工精度。

还应当理解，在本申请实施例说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请实施例的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调本申请实施例的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本申请实施例中的具体含义。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (10)

1.激光加工装置，其特征在于，所述装置包括：

激光整形模块，用于获取第一脉冲激光，并根据预设的相位图对所述第一脉冲激光进行偏振调制，以使所述第一脉冲激光经过所述相位图的灰色区域的部分和经过所述相位图的白色区域的部分的线偏振方向相互垂直，得到第二脉冲激光；

偏振过滤模块，用于对所述第二脉冲激光进行偏振过滤，得到光斑为规定图案的第三脉冲激光，以通过所述第三脉冲激光对待加工表面进行加工处理。

2.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，所述激光加工装置还包括：

激光输入模块，所述激光输入模块用于产生所述第一脉冲激光，并将所述第一脉冲激光输出至所述激光整形模块；

其中，所述第一脉冲激光为皮秒脉冲激光或飞秒脉冲激光，所述第一脉冲激光产生的光斑的能量分布满足高斯分布或平顶分布。

3.根据权利要求2所述的激光加工装置，其特征在于，所述激光输入模块包括，

激光光源组件，所述激光光源组件用于产生原始脉冲激光，

激光输出组件，所述激光输出组件用于准直并输出所述第一脉冲激光；

所述激光输入模块还包括下列至少一项：

能量调节组件，所述能量调节组件用于调节所述原始脉冲激光的能量；

激光扩束组件，所述激光扩束组件用于对所述原始脉冲激光进行扩束。

4.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，所述激光整形模块包括：偏振调节组件和空间光调制器：

所述偏振调节组件用于将所述第一脉冲激光调制为具有规定偏振方向的线偏振光，并将所述线偏振光输出至所述空间光调制器；

所述空间光调制器用于根据所述相位图对所述线偏振光进行逐像素的偏振调制，以使所述线偏振光经过所述相位图的灰色区域的部分和经过所述相位图的白色区域的部分的线偏振方向相互垂直。

5.根据权利要求1至4任一项所述的激光加工装置，其特征在于，所述相位图为边缘灰度渐变的相位图，所述边缘灰度渐变对应的渐变曲线满足规定的函数。

6.根据权利要求5所述的激光加工装置，其特征在于，所述偏振过滤模块包括四分之一波片和偏振片，用于依据所述第二脉冲激光的偏振角度调整所述四分之一波片和所述偏振片，对所述第二脉冲激光进行偏振过滤，得到光斑为规定图案的所述第三脉冲激光。

7.根据权利要求1、2、3、4或6所述的激光加工装置，其特征在于，所述偏振过滤模块，包括偏振选择组件，所述偏振选择组件根据所述待加工表面的加工处理要求调制所述第三脉冲激光的偏振，将所述第三脉冲激光调制为线偏振光或圆偏振光。

8.根据权利要求7所述的激光加工装置，其特征在于，所述激光加工装置还包括加工模块，用于使用所述第三脉冲激光加工所述待加工表面，所述加工模块包括位移组件和聚焦组件；

所述聚焦组件，用于根据所述加工处理要求将所述第三脉冲激光缩束并聚焦至所述待加工表面。

9.根据权利要求8所述的激光加工装置，其特征在于，所述位移组件用于使所述第三脉冲激光在所述待加工表面上产生的加工光斑与所述待加工表面按照预定的移动方式移动。

10.激光加工方法，其特征在于，包括：

将具有规定偏振方向的线偏振的第一脉冲激光射入空间光调制器；

在所述空间光调制器上加载规定的相位图；

根据所述相位图，在所述空间光调制器中对所述第一脉冲激光的偏振方向进行逐像素调控，使所述第一脉冲激光经过所述相位图灰色区域的部分的线偏振方向与经过所述相位图白色区域的部分的线偏振方向相互垂直，获得第二脉冲激光；

对所述第二脉冲激光进行偏振过滤，将所述第二脉冲激光整形为光斑是规定图案的第三脉冲激光；

将所述第三脉冲激光聚焦至待加工表面，并使所述第三脉冲激光在所述待加工表面上产生的光斑与所述待加工表面按照规定方式发生相对移动，以加工所述待加工表面。

Images