CN205927544U - 用超短激光脉冲在光学透明薄层上打出精密孔的装置 - Google Patents

Abstract

所提出的是一种使用超短激光脉冲在光学透明薄层上打精密孔的装置，在该装置中用高数值孔径的物镜透过折射系数大于1.5的介质容量使激光辐射聚焦。这种装置用超短激光脉冲能在厚度达100微米的薄层上形成直径达5微米的孔。

Description

用超短激光脉冲在光学透明薄层上打出精密孔的装置

技术领域

本实用新型属于量子电子学领域激光材料加工，也属于用超短激光脉冲在透明薄层上打精密孔。

背景技术

近些年有关采用超短激光脉冲进行材料加工的刊物数量大量增长。采用长度达10-13c的超短激光脉冲具有优势，因为超短激光脉冲能发挥精确作用。

著名的有美国7807942专利，在专利中用超短激光脉冲来形成圆柱腔，使用提高系统聚焦深度的专业物镜在透明材料中形成柱形腔。但是这种物镜昂贵，校正复杂，是一种敏感的光学元件。

申请WO2013138802也很有名，其中描述了用激光束加工透明材料的方法。在这种方法中光束聚焦于样品体积表面，且依据自聚焦效应发生破裂。然而在自聚焦效应或者自沟道效应下仅仅有约15％的光束能量聚焦在破坏的沟道中。由于自聚焦效应的非线性，沟道自身是一个不稳定物。这种方法能够破坏或者削弱体积材料，但是不适宜于在薄层上打精密的孔。

研制在厚度达100微米的薄层上打出直径不超过5微米的圆柱腔的设备和方法是此次发明的任务。

发明内容

使用超短激光脉冲在厚度达100微米的光学透明薄层上打出精密孔的方法中，用在空气中所规定的数值孔径不小于0.33的物镜使超短激光脉冲聚焦，对于激光辐射而言要透过折射系数不小于1.5的透明介质使超短激光脉冲聚焦，在傍轴近似下其焦距拉伸长度与介质层厚度成正比。若焦距拉伸长度大于薄层厚度，则要将光学透明薄膜置于焦距拉伸范围内，使焦距拉伸长度覆盖部分薄膜，在薄膜上打孔，把超短脉激光冲动能量调整到那种使拉伸焦距范围内的激光辐射的能量密度超过薄膜材料的破损阈限的程度。当激光脉冲用物镜聚焦在折射系数大于1的透明薄层深处时，边缘射束在小范围内不聚焦，而是在柱形或者由于空气中光纤折射引起焦距拉伸范围内。在焦距拉伸长度Δ所产生的材料破坏条件按公式确定为：

$\mathrm{\Δ}=\frac{f_d}{n}*(\sqrt{\frac{n^2-{\mathrm{NA}}^2}{1-{\mathrm{NA}}^2}}-n)---\left(1\right)$

其中，n--材料折射系数

NA--物镜孔径

Fd---在傍轴近似下材料中的焦点深度。焦距拉伸直径与波长成正比。当拉伸焦距范围内的能量密度比分子材料的能量密度高时，在所有的圆柱腔中将产生材料破损的条件。在傍轴近似下焦距拉伸长度与介质层到焦点的厚度成正比。当物镜的孔径值大于0.33且折射系数不小于1.5时，当光学透明薄层在拉伸焦距范围内的位置使得焦距拉伸长度覆盖孔聚焦的一部分薄膜，在薄膜上打孔。而且这样的脉冲能量供给是为了使在拉伸焦距范围内的激光射线能量密度超过薄膜材料的破损阈限，薄层上的孔可以用一个光脉冲来获取。要指出，焦距拉伸取决于孔径值、折射系数，聚焦深度能够聚焦到40％的能量脉冲。所提出的这个方法使得能够预先有效使用激光脉冲能量在厚度达100微米光学透明薄层上形成精密孔，并且每一个孔可能都由一个脉冲形成。

用超短激光脉冲在光学透明薄层上打出精密孔的装置中，激光辐射包含超短激光脉冲源、形成的光学系统和光线运行，放在空气中数值孔径不小于0.33的物镜，薄层厚度达100微米。该设备包含对于激光辐射而言折射系数不小于1.5的透明介质，薄层放在介质旁边，因而在傍轴近似下物镜的焦点在薄层前面，物镜的临界边缘射束的几何焦点在薄层后面。薄层和介质材料对于激光射线而言是透明的。当用物镜使激光脉冲聚焦穿过折射系数不少于1.5的介质时，边缘射束聚焦在圆柱体或者拉伸焦距范围内，这种拉伸由空气-材料界的外声线引起。当薄膜材料的破损阈限产生于拉伸焦距范围中，其拉伸长度与介质层厚度成正比。当物镜的孔径值不小于0.33且折射系数不小于1.5时，可以使焦距拉伸长度大于透明薄层厚度，从而使在傍轴近似下物体的焦点在薄层前面，物镜的临界外声线的几何焦点在薄层后面。这种情况下，焦距拉伸使整个薄层一分为二。当拉伸焦距范围内的能量密度比分子材料的能量密度高时，材料的破损阈限产生于整个拉伸焦距范围内，也就是一个具有高纵横比的圆柱体内，而精密孔可能由一个光脉冲就能获得。在拉伸焦距范围内，当介质折射系数1.5和数值孔径0.33取决于介质层的厚度时，可能会聚集约40％的光线能量。因此，该设备是在透明薄层上形成精密孔的有效的仪器。

介质是一种被带有折射系数的透明材料物体所封闭的液体，且透明材料的折射系数与液体折射系数相等，而薄层就置于液体内部。在液体的表面可能出现翻浪、飞溅现象。为了保护物镜并且排除由表面翻浪所引起的干扰，要将与液体折射系数相等的透明材料放置在液体表面。当大能量的超短脉冲聚焦于介质时，可能会产生自聚焦条件。除此之外，焦距的拉抻长度根据公式(1)来确定，且大于薄层的厚度。由于超短激光脉冲作用下的自聚焦效应，液体中的破损区域会消失，所需要的那个孔就仅仅在薄层中才能获取。为了在薄层中形成多个精密孔，液体可以长时间使用。这种装置是可靠的，无需介质更换也能够长时间运行。

假设按照同一坐标该装置包含薄层移动系统。为了多数的科技任务，应该使得在薄层上打出许多孔。鉴于必须相对移动薄层和焦距拉伸位置。尽管按照同一坐标移动薄层也可能实现。

假设按照同一坐标，光线的形成和运行也包括扫描系统。为了在薄层中形成多个精密孔，可以使用光线扫描系统，哪怕按照同一坐标。

按照同一坐标移动薄层且用光线扫描是在薄层中形成多个孔的最佳方案。

液体-氯化钠溶于水的溶液，即盐水。使用盐水溶液作为液体是该装置的方案之一。当溶液浓度变化时，可以在液体和物体之间采集与放置在液体表面上的薄层折射系数相等的溶液折射系数。

介质是平面平行的材料板，在傍轴近似下物镜的焦点在板后面，物镜的数值孔径不小于0.5。该装置的另一个方案是将薄层放置在材料板后，用数值孔径不小于0.5的物镜辐射聚焦。在傍轴近似下物镜的焦点在板后面，所以当激光脉冲聚焦时，由于在折射系数大于1.5的材料范围内的折射辐射，从而引起板层外的焦距拉伸。所以板不会因超短脉冲而受损，可以长时间使用。物镜的数值孔径不小于0.5是因为在小孔径下焦距拉伸长度对于用一个脉冲形成柱形腔是不够的。

假设按照同一坐标该装置包含薄层移动系统。为了多数的科技任务，应该使得在薄层上能打出许多孔。鉴于此，必须相对移动薄层和焦距拉伸位置。尽管按照同一坐标移动薄层也可能实现。

假设按照同一坐标，光线的形成和运行包括扫描系统。为了在薄层中形成多个精密孔，可以使用光线扫描系统，哪怕按照同一坐标。

按照同一坐标移动薄层且用光线扫描是在薄层中形成多个孔的最佳方案。

创造出能够用超短激光脉冲在厚度达100微米的光学透明薄层上形成精密圆柱腔的方法和装置是所提出的科技解决结果。

附图说明

图1是焦距拉伸图

图2是薄层置于液体上的打孔装置图。

图3是薄层置于透明平面板后的打孔装置图。

图4是圆柱腔的显微照片，其中每一个孔都是由材料内的同一脉冲形成的。

图5是在厚度达50微米的光学透明薄层上的孔的照片，其中每一个孔都是由同一脉冲形成的。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对实用新型的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

图1示出了用数值孔径为NA的物镜1在折射系数为n的介质2中，当激光辐射聚焦时的光线运行图。来自超短激光脉冲源的平行光束(图中未示出)聚焦在置于空气中的物镜1上。当没有介质2时，光线就会聚焦到点F0上，在傍轴近似下会聚焦到点F1上。外声线聚焦在拉伸点F1、F2上，拉伸长度Δ由公式(1)决定，其中fd就是指从介质2表面到F1的距离。当拉伸范围内的脉冲能量密度大于分子材料密度时，在整个拉伸范围内都会产生材料破损的条件。每一个辐射脉冲中都会产生与拉伸长度相等的柱形体。当脉冲能量不足时，破损的柱体长度就会减少，但是其上限是F1。当光学击穿的实际能量密度更大且NA＜0.3时，材料中会产生自聚焦效应条件，并且破损区域将由点F1向物镜方向延伸。

表2示出了薄层置于液体上的打孔装置图。折射系数为n的液体4位于沟道6中。薄层3由液体4中的系统7稳定，折射系数为n的板5位于液体4表面。数值孔径为NA的物镜1要放在能使超短激光脉冲从源头(图中未示出)聚焦于液体深处的位置。薄层3的厚度按照公式(1)要小于拉伸长度，且要将其放在能被拉伸完全覆盖的位置。在傍轴近似下光线焦点F1位于薄层前面，临界外声线焦点F2在薄层后面。在开启超短激光脉冲源时，激光辐射聚焦到焦距拉伸范围内的F1F2上，每一个脉冲都会在薄层3上形成一个孔。薄层3保持在距物镜的选定距离内，并且借助系统7移动到液体4中。激光系统用扫描仪(图中未示出)安装，放置在激光辐射源和物镜1之间。扫描仪和薄层移动系统7一起就能根据制定的模板在薄层上打孔。脉冲激光作用下在液体中形成的真空腔不久就会消失。这种系统可以长时间使用，因为薄层穿孔产生焦距拉伸相当于薄层的长度、比薄层厚，但是薄层轻微偏离垂直线不会对整个进程造成影响。

图3示出了装置中的超短激光脉冲用物镜1通过透明材料板8聚焦图。要将板8所放位置，以致物镜1的几何焦点临近于面向薄层3的板8表面。薄层3用系统7稳定在一个离物镜距离比在傍轴近似下系统的焦点距离F1大的位置。板8的位置把因激光辐射聚焦而导致板破损的风险降到最低。每个超短激光脉冲都会在薄层中形成3个空。系统7按照同一坐标保持和移动薄层。放在辐射源和物镜1之间的扫描模具能够使焦距拉伸位置移动，尽管按照同一坐标，但总和起来还是有可能根据草图在薄层3上打孔。

图4表示圆柱腔的显微照片，其中每一个孔都是借助材料内的同一脉冲形成的。材料-聚碳酸酯。激光辐射：波长1.06微米，脉冲宽度350飞秒，脉冲能量7微焦。之前的能量是3.5微焦。带有数值孔径NA＝0.544的非球面透镜是物镜。材料的折射系数1.56。聚焦深度1.1毫米。图片4(a)-在天然光下自上而下的形状，图片4(6)-在天然光下从侧面看的形状，图片4(b)-从单个圆柱腔侧面看的形状。每个腔的长度是200微米，直径是2微米。

图5示出了天然光下在厚度达50微米的薄层材料上出射孔径冲模显微照片自上而下的形状。物镜54-18-23-1064纳米，NA＝0.39，特殊光学。薄层材料是聚丙烯，聚焦深度是1.1毫米，激光波长1.06微米，脉冲宽度350飞秒，脉冲能量5微焦，脉冲重复频率100赫兹，扫描速度100微米/秒，每个孔的直径是5微米。

工业适用性

所提出的结论可能在透明薄层上形成精密孔时得到运用。

Claims (8)

1.一种用超短激光脉冲在光学透明薄层上打出精密孔的装置，包括超短激光脉冲源、物镜和薄层，其中物镜在空气中的数值孔径不小于0.33，薄层的厚度为100微米，光线的运行形成光学系统，其特征在于，所述装置包含对于激光辐射而言折射系数不小于1.5的透明介质，薄层位于介质的一侧，因而在傍轴近似下物镜的焦点在薄层前面，物镜的临界边缘射束的焦点在薄层后面。

2.根据权利要求1所述的用超短激光脉冲在光学透明薄层上打出精密孔的装置，其特征在于：介质是一种被带有折射系数的透明材料和物体封闭的液体，且透明材料的折射系数与液体折射系数相等，而薄层就置于液体内部。

3.根据权利要求1所述的用超短激光脉冲在光学透明薄层上打出精密孔的装置，其特征在于：假设按照同一坐标，该装置还包含移动薄层系统。

4.根据权利要求2或3所述的用超短激光脉冲在光学透明薄层上打出精密孔的装置，其特征在于：假设按照同一坐标，光线的运行形成的光学系统包括扫描系统。

5.根据权利要求2所述的用超短激光脉冲在光学透明薄层上打出精密孔的装置，其特征在于：液体是氯化钠溶液。

6.根据权利要求1所述的用超短激光脉冲在光学透明薄层上打出精密孔的装置，其特征在于：介质是材料板，材料板具有相互平行的两个平面，在傍轴近似下物镜的焦点在板后面，物镜的数值孔径不小于0.5。

7.根据权利要求6所述的用超短激光脉冲在光学透明薄层上打出精密孔的装置，其特征在于：假设按照同一坐标，该装置包含薄层移动系统。

8.根据权利要求6或7所述的用超短激光脉冲在光学透明薄层上打出精密孔的装置，其特征在于：假设按照同一坐标，光线运行形成的光学系统也包括扫描系统。