CN116079236A - 垂直偏振飞秒激光脉冲序列实现半球谐振子质量调平方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种垂直偏振飞秒激光脉冲序列实现半球谐振子质量调平的方法，属于激光应用技术领域。本发明的目的是为了解决现有半球谐振子质量调平方法精度低，效率低的问题，提供一种垂直偏振飞秒激光脉冲序列实现半球谐振子质量调平的方法；该方法高精度体现在利用脉冲序列能有效减小烧蚀区域面积，同时本工作首先发现垂直偏振的双脉冲相比传统双脉冲能降低激光对熔融石英材料烧蚀区域周围重铸层的影响，进一步提高加工精度；结合高重频和高扫速实现修调区域高效率加工。

Description

垂直偏振飞秒激光脉冲序列实现半球谐振子质量调平方法

技术领域

本发明涉及一种垂直偏振飞秒激光脉冲序列实现半球谐振子质量调平的方法，属于激光应用技术领域。

背景技术

半球谐振陀螺作为惯性敏感器件，以体积小，功耗低，精度和可靠性高的优点广泛应用于航天等空间领域。半球谐振子作为半球谐振陀螺的核心部件，其质量平衡直接影响整个惯性敏感器件的精度，进而影响航天器的性能，有效调节半球谐振子的质量平衡也成为了惯性器件领域乃至航空航天领域的迫切需求。

铣磨的机械加工方法质量去除精度受限于刀具，只能达到毫克量级；聚焦离子束则存在加工效率低，成本高的缺点。半球谐振子的组成为熔融石英，宽禁带的透明材料无法有效实现对脉宽较长激光的能量吸收，进而无法实现烧蚀和材料去除，飞秒激光由其多光子吸收效应，能实现高质量高精度的宽禁带材料的质量去除，同时其作用时间短，提高重频和扫速能实现高效的质量去除，飞秒激光对半球谐振子实现质量去除有着独特优势。

普通飞秒激光加工熔融石英质量去除精度仍然在皮克量级，而且周围重铸层明显，这不利于去除质量的评定，无法保质量去除的精度。近年来随着飞秒激光时域整形技术和偏振调控技术的发展，使提高飞秒激光加工精度，调控激光能量吸收过程成为可能，为实现高精度质量去除并应用在半球谐振子质量调平提供了新的解决思路。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有半球谐振子质量调平方法精度低，效率低的问题，提供一种垂直偏振飞秒激光脉冲序列实现半球谐振子质量调平的方法；该方法高精度体现在利用脉冲序列能有效减小烧蚀区域面积，同时本工作首先发现垂直偏振的双脉冲相比传统双脉冲能降低激光对熔融石英材料烧蚀区域周围重铸层的影响，进一步提高加工精度；结合高重频和高扫速实现修调区域高效率加工。

本发明的目的是通过下述方案实现的。

垂直偏振飞秒激光脉冲序列实现半球谐振子质量调平方法，具体步骤如下：

步骤一、将检测完成并标定好待去除区域的半球谐振子固定在旋转卡具上；

步骤二、安装并旋转不同厚度的双折射晶体，入射线偏振激光沿快轴和垂直快轴分解成偏振方向为正交的两束激光，形成四个子脉冲；能量分配通过旋转角度调节，脉冲间延时通过双折射晶体厚度调节；

步骤三、通过调节安装角度，产生不同能量分配的四个子脉冲，不同能量的子脉冲作用在样品上加工出不同形貌，进而对材料实现定量的质量去除。

步骤二所述不同厚度的双折射晶体数量为两个；所述厚度根据所需脉冲延时得到：

d₁＝(v₁-v₂)Δt₁

d₂＝(v₁-v₂)Δt₂

其中，v₁,v₂分别为偏振方向平行和垂直于双折射晶体快轴的激光在双折射晶体内传播速度；Δt₁为经过第一双折射晶体后产生的脉冲延时，Δt₂为经过第二双折射晶体后产生的脉冲延时；d₁为第一双折射晶体的厚度，d₂为第二双折射晶体的厚度。

步骤二所述能量分配通过旋转角度调节的具体实现方法为：

P₁₁＝Pcosαcos(α-β)

P₁₂＝Pcosαsin(α-β)

P₂₁＝Psinαcos(α-β)

P₂₂＝Psinαsin(α-β)

其中α为第一折射晶体的安装角，β为第二双折射晶体的安装角；所述安装角是双折射晶体快轴与入射激光偏振方向的夹角；P为入射激光P的能量；入射激光经过第一双折射晶体得到两个子脉冲P₁和P₂，其中P₁的偏振方向平行于第一双折射晶体快轴，P₂的偏振方向垂直于第一双折射晶体快轴；P₁经过第二双折射晶体得到两个子脉冲P₁₁和P₁₂，其中P₁₁的偏振方向平行于第二双折射晶体快轴，P₁₂的偏振方向垂直于第二双折射晶体快轴；P₂经过第二双折射晶体得到两个子脉冲P₂₁和P₂₂，其中P₂₁的偏振方向平行于第二双折射晶体快轴，P₂₂的偏振方向垂直于第二双折射晶体快轴；P₁₁，P₁₂，P₂₁，P₂₂分别为子脉冲P₁₁，P₁₂，P₂₁，P₂₂的能量；通过调整安装角度实现四个子脉冲间的能量分配。

实现上述方法的装置，包括飞秒激光器，衰减片，垂直偏振脉冲序列发生器，反射镜，成像系统，电脑，平凸/10X及20X物镜，半球谐振陀螺卡具，高精度平移台，CCD监控成像设备；

连接关系：飞秒激光器产生激光经过机械开关和衰减片，依次通过垂直偏振脉冲序列发生器中的第一双折射晶体和第二双折射晶体，后由反射镜发射引入加工物镜后作用在样品上，样品由半球谐振陀螺卡具固定在高精度平移台上。由电脑控制平移台移动和机械开关闭合，CCD监控成像设备对加工过程进行实时监控。

所述装置的加工方法，包括如下步骤：

步骤一、激光器产生的飞秒激光进入衰减片调节能量，由电脑控制的机械开关控制光的通过；

步骤二、将激光引入垂直偏振脉冲序列发生器中，通过安装不同厚度的双折射晶体，产生不同延时、垂直偏振的飞秒激光脉冲序列；旋转双折射晶体安装角度，对子脉冲间的能量分配进行调节；

步骤三、将检测完成并标定加工区域的半球谐振子固定在旋转卡具上，旋转卡具与高精度平移台连接，将整形后的激光引入物镜并作用在标定加工区域，通过选取不同聚焦能力的加工物镜和调节脉冲能量、脉冲延时、子脉冲能量实现不同质量的单点去重；

步骤四、为提高加工效率，采用飞行时间打点加工方式，通过调整重频f与扫速v的关系，使v/f＝d，d为单点烧蚀坑之间的距离，控制其大于烧蚀坑直径，同时控制扫描间距大于烧蚀坑直径；对于单点烧蚀坑去除质量为10pg的烧蚀坑，最快能实现效率为10ng/s的去重效率。

有益效果

1、本发明利用自制的垂直偏振脉冲序列发生器产生的飞秒激光脉冲序列对半球谐振子上标定位置进行去重，减小了烧蚀区域面积，经检测单点加工去除质量最小达到220fg；

2、通过选择不同加工物镜，改变脉冲能量及分配，脉冲延时，实现单点加工从飞克到纳克的跨尺度质量去除；

3、飞秒激光脉冲序列间偏振方向为两两垂直，相比传统飞秒激光脉冲有效减小了加工位置的重铸层，保证去重精度；

4、针对较大质量去除可采用飞行时间扫描的方式，保证精度的同时，加工效率大幅度高，去重效率达到10ng/s。

5、时域整形和偏振调控仅通过双折射晶体就能实现，方法简单，可靠度高。

附图说明

图1为所提出的垂直偏振飞秒激光脉冲序列实现半球谐振子质量调平方法示意图。

图2(a)为加工对象，半球谐振陀螺中的半球谐振子的示意图，其成分为熔融石英；图2(b)为垂直偏振脉冲序列发生器，双折射晶体堆叠的示意图与实物图；图2(c)展示了调整脉冲序列中各个脉冲能量的方法；图2(d)展示了利用此方法加工结果与未整形脉冲加工结果的对比。

其中，1-飞秒激光器、2-衰减片、3-机械开关、4-垂直偏振脉冲序列发生器、5-CCD监控成像设备、6-成像白光光源，7-二向色镜、8-薄膜反射镜、9-物镜、10-半球谐振子、11-半球谐振子卡具、12-平移台、13-计算机控制系统、14-第一双折射晶体、15-第二双折射晶体。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：已知需要单个烧蚀坑的去重小于500fg，去重效率大于100pg/s。

为保证单个烧蚀坑去重小于500fg，在脉冲延时为0.91ps左右，使用20X物镜，脉冲能量比为1：1：1：1的脉冲序列，激光通量为1.5J/cm²时，能实现单个烧蚀坑的去重为220fg，同时没有明显重铸层。

该实例具体步骤如下：

(1)本发明采用的光路系统如图1所示。飞秒激光器1激光出光口激光为脉宽50fs，波长800nm的高斯型激光，激光偏振态为线偏振，重频1-1000Hz可调。对激光器发出激光通过衰减片2进行能量调节，通过机械开关控制光的通过。

(2)垂直偏振飞秒激光脉冲序列的脉冲延时和子脉冲能量分配过程如图2(c)所示。垂直偏振脉冲序列发生器4由图2(b)的第一双折射晶体14和第二双折射晶体15组成。入射激光P偏振方向如箭头所示，激光能量箭头长度表示，经过第一双折射晶体后，激光分为偏振方向平行于第一双折射晶体快轴的脉冲P₁和垂直于快轴的脉冲P₂，经过第二双折射晶体后，P₁，P₂分解为偏振方向平行第二双折射晶体快轴的P₁₁，P₂₁垂直双折射晶体快轴的P₁₂，P₂₂。偏振方向平行和垂直于双折射晶体快轴的激光在双折射晶体内传播速度分别为v₁,v₂，则P₁和P₂的脉冲延时为

P₁₁和P₂₁，P₁₂和P₂₂的脉冲延时为

其中，d₁和d₂为第一双折射晶体和第二双折射晶体的厚度。

P₁₁为通过第一双折射晶体快轴、第二双折射晶体快轴的子脉冲的激光能量；P₁₂为通过第一双折射晶体快轴、第二双折射晶体慢轴的子脉冲的激光能量；P₂₁为通过第一双折射晶体快轴、第二双折射晶体慢轴的子脉冲的激光能量；P₂₂为通过第一双折射晶体快轴、第二双折射晶体慢轴的子脉冲的激光能量；脉冲间的能量分别为

P₁₁＝Pcosαcosβ

P₁₂＝Pcosαsinβ

P₂₁＝Psinαcosβ

P₂₂＝Psinαsinβ

其中α，β分别为第一双折射晶体和第二双折射晶体的安装角(与入射激光P偏振方向的夹角)，通过调节安装角度，可以产生不同能量分配的脉冲序列，不同脉冲序列加工样貌和对材料实现的去重不同根据加工需求调整安装角和双折射晶体厚度。产生脉冲能量比为1：1：1：1的脉冲序列时，α和β分别为0°和45°。

(3)整形脉冲序列经过反射镜8引入到平凸/物镜9中，聚焦在样品表面，可根据实际去除质量的要求来确定不同聚焦能力的物镜。成像系统通过白光光源6提供照明光，经样品反射通过分束镜7进入CCD监控成像设备。

(4)半球谐振子10通过专用卡具11固定在平移台12上，通过调整专用旋转卡具11待去除区域，通过电脑13控制平移台12的移动和机械开关3的开合，实现在样品上的单点加工。

(5)图2(d)展示了相同激光通量下，单点加工后的未整形和整形脉冲对比，可以看出未整形脉冲作用与样品形成的烧蚀坑周围有明显的突起重铸层，而垂直偏振脉冲序列的加工尺寸更小的同时，消除了烧蚀坑周围的重铸层，最高实现了单点220fg的质量去除，结果如图2(e)所示。

(1)为提高加工效率，采用飞行时间打点加工方式，每个烧蚀坑之间的距离d通过调整重频f与扫速v来控制，它们的关系为v/f＝d，同时应控制其大于烧蚀坑直径。当扫速为1000μm/s，激光重频为500Hz时，去重效率达到110pg/s。图2(f)展示了在图2(e)单点去除1.8pg的情况下飞行时间扫描的加工结果。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.垂直偏振飞秒激光脉冲序列实现半球谐振子质量调平方法，其特征在于：具体步骤如下：

步骤一、将检测完成并标定的半球谐振子待去除区域固定在旋转卡具上；

步骤二、安装并旋转不同厚度的双折射晶体，入射线偏振激光沿快轴和垂直快轴分解成偏振方向为正交的两束激光，形成四个子脉冲；能量分配通过旋转角度调节，脉冲间延时通过双折射晶体厚度调节；

步骤三、通过调节安装角度，产生不同能量分配的四个子脉冲，不同能量的子脉冲作用在样品上加工出不同形貌，进而对材料实现定量的质量去除。

2.如权利要求1所述垂直偏振飞秒激光脉冲序列实现半球谐振子质量调平方法，其特征在于：

步骤二所述不同厚度的双折射晶体数量为两个；所述厚度根据所需脉冲延时得到：

d₁＝(v₁-v₂)Δt₁

d₂＝(v₁-v₂)Δt₂

其中，v₁,v₂分别为偏振方向平行和垂直于双折射晶体快轴的激光在双折射晶体内传播速度；Δt₁为经过第一双折射晶体后产生的脉冲延时，Δt₂为经过第二双折射晶体后产生的脉冲延时；d₁为第一双折射晶体的厚度，d₂为第二双折射晶体的厚度。

3.如权利要求1所述垂直偏振飞秒激光脉冲序列实现半球谐振子质量调平方法，其特征在于：

步骤二所述能量分配通过旋转角度调节的具体实现方法为：

P₁₁＝Pcosαcos(α-β)

P₁₂＝Pcosαsin(α-β)

P₂₁＝Psinαcos(α-β)

P₂₂＝Psinαsin(α-β)

其中α为第一折射晶体的安装角，β为第二双折射晶体的安装角；所述安装角是双折射晶体快轴与入射激光偏振方向的夹角；P为入射激光P的能量；入射激光经过第一双折射晶体得到两个子脉冲P₁和P₂，其中P₁的偏振方向平行于第一双折射晶体快轴，P₂的偏振方向垂直于第一双折射晶体快轴；P₁经过第二双折射晶体得到两个子脉冲P₁₁和P₁₂，其中P₁₁的偏振方向平行于第二双折射晶体快轴，P₁₂的偏振方向垂直于第二双折射晶体快轴；P₂经过第二双折射晶体得到两个子脉冲P₂₁和P₂₂，其中P₂₁的偏振方向平行于第二双折射晶体快轴，P₂₂的偏振方向垂直于第二双折射晶体快轴；P₁₁，P₁₂，P₂₁，P₂₂分别为子脉冲P₁₁，P₁₂，P₂₁，P₂₂的能量；通过调整安装角度实现四个子脉冲间的能量分配。

4.实现如权利要求1或2或3所述方法的装置，其特征在于：包括飞秒激光器，衰减片，垂直偏振脉冲序列发生器，反射镜，成像系统，电脑，平凸/10X及20X物镜，半球谐振陀螺卡具，高精度平移台，CCD监控成像设备；连接关系：飞秒激光器产生激光经过机械开关和衰减片，依次通过垂直偏振脉冲序列发生器中的第一双折射晶体和第二双折射晶体，后由反射镜发射引入加工物镜后作用在样品上，样品由半球谐振陀螺卡具固定在高精度平移台上。由电脑控制平移台移动和机械开关闭合，CCD监控成像设备对加工过程进行实时监控。

5.如权利要求4所述装置的加工方法，其特征在于：

步骤一、激光器产生的飞秒激光进入衰减片调节能量，由电脑控制的机械开关控制光的通过；

步骤二、将激光引入垂直偏振脉冲序列发生器中，通过安装不同厚度的双折射晶体，产生不同延时、垂直偏振的飞秒激光脉冲序列；旋转双折射晶体安装角度，对子脉冲间的能量分配进行调节；

步骤三、将检测完成并标定加工区域的半球谐振子固定在旋转卡具上，旋转卡具与高精度平移台连接，将整形后的激光引入物镜并作用在标定加工区域，通过选取不同聚焦能力的加工物镜和调节脉冲能量、脉冲延时、子脉冲能量实现不同质量的单点去重；

步骤四、为提高加工效率，采用飞行时间打点加工方式，通过调整重频f与扫速v的关系，使v/f＝d，d为单点烧蚀坑之间的距离，控制其大于烧蚀坑直径，同时控制扫描间距大于烧蚀坑直径；对于单点烧蚀坑去除质量为10pg的烧蚀坑，最快能实现效率为10ng/s的去重效率。

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