[發明專利]旋轉臺式飛秒激光直寫方法及裝置

有效

• 申請號: 201510362761.6
• 申請日: 2015-06-26
• 公開（公告）號: CN104959730A
• 公開（公告）日: 2015-10-07
• 發明（設計）人: 孫洪波;于顏豪;陳岐岱;姜俊
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: B23K26/082
• 分類號: B23K26/082;B23K26/064
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 湯雄軍

技術領域

本發明的實施例屬于微納加工領域，具體地，涉及一種旋轉臺式飛秒激光直寫方法及裝置。

技術背景

飛秒激光微納直寫加工，是一種利用超短激光脈沖緊聚焦的“焦點”與物質發生非線性相互作用，最小可在亞波長的尺度上誘導光物理、光化學變化，而使局部材料特性發生不可逆轉變，通過計算機圖案生成和焦點掃描，實現微納器件結構的制造技術。它具有的顯著特點是：適用材料廣譜，適合藍寶石等易碎硬質難加工材料的加工；非掩模技術，適合非平面三維復雜結構的加工；精度較高，適用于對加工精度要求在微米乃至納米級別的器件制備。

目前對微納結構的激光加工一般采用如下幾種方案：二維激光振鏡掃描、壓電位移臺掃描及直線電機線性掃描。二維激光振鏡掃描可以實現較高的加工速度，但掃描范圍受物鏡傍軸條件的限制，可加工的范圍較小，盡管可以通過提高物鏡的焦距乃至使用f-θ透鏡來改善加工范圍，但長焦物鏡或f-θ透鏡的低數值孔徑將對加工精度造成不利影響；壓電位移臺可以獲得納米級的高加工精度，但加工范圍和加工速度都十分受限；直線電機線性掃描可以實現大范圍的加工，配合氣浮導軌及閉環反饋器件的使用，至少能夠達到亞微米級的高定位精度，但線性掃描不可避免頻繁地加減速，需要克服平臺本身較大的慣性，加工速度很難達到很高，并且在加減速過程中如不對激光曝光功率進行復雜地調控，不可避免造成直寫質量的劣化。當前飛秒激光直寫技術加工效率、加工精度與加工范圍三者間的不可調和，限制了這項技術的廣泛應用。

發明內容

本發明提供一種旋轉臺式飛秒激光直寫方法及裝置，主要解決現有中飛秒激光直寫方案存在的加工效率、加工精度與加工范圍間不可調和的問題。

根據本發明的實施例的一個方面，提出了一種旋轉臺式飛秒激光直寫裝置，包括：飛秒激光源；激光路徑，設置有激光調制器、二維激光掃描振鏡和顯微物鏡，來自飛秒激光源的激光束被激光調制器調制后經過二維激光掃描振鏡后經由顯微物鏡入射到加工件上；X-Y軸二維平移臺以及布置在X-Y軸二維平移臺上的旋轉臺，旋轉臺的轉軸與直寫光軸對準，旋轉臺的臺面垂直于直寫光軸，加工件固定于所述旋轉臺的臺面上；和控制器，所述控制器構造成經由激光路徑控制入射到加工件上的激光束，以及控制X-Y軸二維平移臺以及旋轉臺的操作，其中，所述激光路徑包括位于二維激光掃描振鏡下游的4f光學系統，4f光學系統由焦距相同的第一透鏡和第二透鏡構成，第一透鏡距離掃描振鏡出射軸鏡片的光程為第一透鏡的一倍焦距，第一透鏡與第二透鏡間的光程為第一透鏡的二倍焦距，第二透鏡距離顯微物鏡入瞳的光程為第一透鏡的一倍焦距。

進一步地，所述激光路徑還包括位于第二透鏡與顯微物鏡之間的反射鏡，自第二透鏡射出的激光束經由反射鏡反射而入射到顯微物鏡；所述旋轉臺式飛秒激光直寫裝置還包括照明光源、可見光分光片、圖像傳感器，其中來自照明光源的可見光經由可見光分光片反射后透射通過反射鏡而通過顯微物鏡入射到加工件上，由加工件反射的可見光通過顯微物鏡、反射鏡、可見光分光片而進入圖像傳感器。

更進一步地，所述控制器還包括顯示器，所述控制器與圖像傳感器通信，以在顯示器上顯示圖像傳感器獲取的圖像。

可選地，X-Y軸二維平移臺采用氣浮導軌用于位移引導，利用光柵尺作為位移反饋裝置；旋轉臺采用空氣軸承用于旋轉引導，利用光電編碼器作為角度反饋裝置。

可選地，上述旋轉臺式飛秒激光直寫裝置中，所述激光路徑包括位于二維激光掃描振鏡上游的由第一平凸透鏡與第二平凸透鏡構成的激光光束準直擴束系統，第一平凸透鏡與第二平凸透鏡的透鏡凸面面對激光光束平行傳輸方向，擴束后的激光光束的直徑為顯微物鏡入瞳直徑的1-1.2倍。

根據本發明的實施例的另一方面，提出了一種旋轉臺式飛秒激光直寫方法，包括步驟：提供上述的旋轉臺式飛秒激光直寫裝置；將加工件固定在旋轉臺的臺面上；利用旋轉臺旋轉對加工件進行激光回轉直寫掃描；和利用二維激光掃描振鏡偏轉聚焦光斑位置對加工件進行單點直寫。

可選地，上述方法中，在掃描半徑不小于第一掃描半徑時，采用恒定激光功率以設定的恒線速度進行回轉直寫掃描，其中在不小于第一掃描半徑的情況下，旋轉臺的最高轉速能夠保證以設定的線速度進行掃描；在掃描半徑小于第一掃描半徑且不小于第二掃描半徑時，采用恒角速度回轉直寫掃描，控制器依據角速度對應的線掃描速度調控激光功率，其中第二掃描半徑限定了二維激光掃描振鏡的最大掃描范圍；在掃描半徑小于第二掃描半徑時，利用二維激光掃描振鏡偏轉聚焦光斑位置對加工件進行單點直寫。