[發(fā)明專利]一種超快激光脈沖長焦深空間整形方法

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• 申請日: 2018-03-11
• 公開（公告）號: CN108519679A
• 公開（公告）日: 2018-09-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李明;姜瀾
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所;北京理工大學(xué)
• 主分類號: G02B27/09
• 分類號: G02B27/09;G02B27/00
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本發(fā)明提出了一種超快激光脈沖長焦深空間整形方法，分析微結(jié)構(gòu)整形元件因光熱效應(yīng)引起的輸出波前畸變，引入位相預(yù)補(bǔ)償機(jī)制，結(jié)合激光傳輸能量守恒法則，研究軸向會聚光束像差分離技術(shù)，實(shí)現(xiàn)激光輸入?輸出振幅、位相等參量精確調(diào)控和整形元件位相分割，保持長焦深范圍內(nèi)光束會聚狀態(tài)。研究微結(jié)構(gòu)整形元件設(shè)計(jì)和制作誤差對輸出光強(qiáng)分布的影響，結(jié)合誤差校正與快速收斂技術(shù)，利用ST改進(jìn)位相設(shè)計(jì)算法提高迭代搜索效率，實(shí)現(xiàn)多階位相離散逼近，從而實(shí)現(xiàn)高衍射效率平頂方形均勻分布光斑的光束脈沖能量空間整形調(diào)制效果。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于激光整形領(lǐng)域，涉及一種超快激光脈沖長焦深空間整形方法。用于提高雕刻材料時(shí)的去除質(zhì)量，減小器件表面不規(guī)則的影響。

背景技術(shù)

20世紀(jì)60年代出現(xiàn)一種新型光源，具有單色性好、方向性好、相干性好、能量集中等特點(diǎn)。飛秒光脈沖是指持續(xù)時(shí)間為10^-12s-10^-15s的激光脈沖，這種激光脈沖具有極高的峰值功率，很寬的光譜寬度和極短的激光發(fā)射時(shí)間的特點(diǎn)。飛秒激光以其獨(dú)特的超短持續(xù)時(shí)間和超強(qiáng)峰值功率開創(chuàng)了材料超精細(xì)、低損傷和空間三維加工處理的新領(lǐng)域，而且應(yīng)用越來越廣。根據(jù)飛秒激光超短和超強(qiáng)的特點(diǎn)，大體上可以將應(yīng)用研究領(lǐng)域分成超快瞬態(tài)現(xiàn)象的研究和超強(qiáng)現(xiàn)象的研究。它們都是隨著激光脈沖寬度的縮短和脈沖能量的增加而不斷的得以深入和發(fā)展。飛秒脈沖激光的最直接應(yīng)用是人們利用它作為光源, 形成多種時(shí)間分辨光譜技術(shù)和泵浦/探測技術(shù)。它的發(fā)展直接帶動物理、化學(xué)、生物、材料與信息科學(xué)的研究進(jìn)入微觀超快過程領(lǐng)域, 并開創(chuàng)了一些全新的研究領(lǐng)域, 如飛秒化學(xué)、量子控制化學(xué)、半導(dǎo)體相干光譜等。飛秒脈沖激光與納米顯微術(shù)的結(jié)合, 使人們可以研究半導(dǎo)體的納米結(jié)構(gòu)(量子線、量子點(diǎn)和納米晶體)中的載流子動力學(xué)。在生物學(xué)方面,人們正在利用飛秒激光技術(shù)所提供的差異吸收光譜、泵浦/ 探測技術(shù), 研究光合作用反應(yīng)中心的傳能、轉(zhuǎn)能與電荷分離過程。超短脈沖激光還被應(yīng)用于信息的傳輸、處理與存貯方面。

第一臺利用啁啾脈沖放大技術(shù)實(shí)現(xiàn)的臺式太瓦激光的成功運(yùn)轉(zhuǎn)始于1988年，這一成果標(biāo)志著在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)飛秒超強(qiáng)及超高強(qiáng)光物理研究的開始。在這一領(lǐng)域研究中，由于超短激光場的作用已相當(dāng)于或者大大超過原子中電子所受到的束縛場，微擾論已不能成立，新的理論處理有待于發(fā)展。在1020W/cm2的光強(qiáng)下，可以實(shí)現(xiàn)模擬天體物理現(xiàn)象的研究。1019-1021W/ cm2的超高強(qiáng)激光產(chǎn)生的熱電子（200KeV）。飛秒激光的另一個(gè)重要的應(yīng)用就是微精細(xì)加工。通常，按激光脈沖標(biāo)準(zhǔn)來說，持續(xù)時(shí)間大于10皮秒（相當(dāng)于熱傳導(dǎo)時(shí)間）的激光脈沖屬于長脈沖，用它來加工材料，由于熱效應(yīng)使周圍材料發(fā)生變化，從而影響加工精度。而脈沖寬度只有幾千萬億分之一秒的飛秒激光脈沖則擁有獨(dú)特的材料加工特性，如加工孔徑的熔融區(qū)很小或者沒有；可以實(shí)現(xiàn)多種材料，如金屬、半導(dǎo)體、透明材料內(nèi)部甚至生物組織等的微機(jī)械加工、雕刻；加工區(qū)域可以小于聚焦尺寸，突破衍射極限等等。一些汽車制造廠和重型設(shè)備加工廠目前正研究用飛秒激光加工更好的發(fā)動機(jī)噴油嘴。使用超短脈沖激光，可在金屬上打出幾百納米寬的小孔。在最近于奧蘭多舉行的美國光學(xué)學(xué)會會議上，IBM公司的海特說，IBM已將一種飛秒激光系統(tǒng)用于大規(guī)模集成電路芯片的光刻工藝中。用飛秒激光進(jìn)行切割，幾乎沒有熱傳遞。美國勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員發(fā)現(xiàn)，這種激光束能安全地切割高爆炸藥。該實(shí)驗(yàn)室的洛斯克說：“飛秒激光有希望作為一種冷處理工具，用于拆除退役的火箭、火炮炮彈及其他武器。”

飛秒激光能用于切割易碎的聚合物，而不改變其重要的生物化學(xué)特性。生物醫(yī)學(xué)專家已將它作為超精密外科手術(shù)刀，用于視力矯正手術(shù)，既能減少組織損傷又不會留下手術(shù)后遺癥，甚至可對單個(gè)細(xì)胞動精密手術(shù)或者用于基因療法。目前人們還在研究如何將飛秒激光用于牙科治療。有科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，利用超短脈沖激光能去掉牙的一小塊，而不影響周圍的物質(zhì)。美國Clark-MXR公司最近推出的UMW系列超快激光微加工工作臺正是代表了這個(gè)領(lǐng)域里最前沿的商用飛秒激光微加工系統(tǒng)，它包括了用超短脈沖激光進(jìn)行微加工所需的一切設(shè)備與配件，可用于微加工任何材料，生成亞微米精細(xì)結(jié)構(gòu)，而不會對周邊材料造成損害，不會造成材料飛濺，加工結(jié)果極其精確并具有高度可重復(fù)性。