[發(fā)明專利]利用飛秒激光在透明材料內(nèi)部進行大深度結構的加工裝置和加工方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810407783.3
• 申請日: 2018-05-02
• 公開（公告）號: CN108422111A
• 公開（公告）日: 2018-08-21
• 發(fā)明（設計）人: 程亞;儲蔚;王鵬;李文博;譚遠鑫;齊家
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海光學精密機械研究所
• 主分類號: B23K26/50
• 分類號: B23K26/50;B23K26/064
• 代理公司: 上海恒慧知識產(chǎn)權代理事務所(特殊普通合伙) 31317
• 代理人: 張寧展

一種在透明材料中使用飛秒激光進行大深度結構的加工裝置和加工方法。本方法的核心是改變飛秒激光壓縮器輸出激光脈沖寬度，對加工所用飛秒激光的時空特性進行操控，使得即使在低數(shù)值孔徑物鏡聚焦條件下也可得到三維對稱性良好的近球形焦斑，提高了低數(shù)值孔徑物鏡的加工精度。此外，在物鏡工作距離范圍內(nèi)，使用該方法可以在透明材料內(nèi)部任意深度進行相同高精度的加工，而無需對球差等不良效果進行附加校正。加工深度與加工精度是飛秒激光加工過程中的兩個關鍵指標，該方法使得“大深度”與“高精度”的同時實現(xiàn)成為可能，有利于大尺寸、高集成度的復雜三維結構的加工，在微流器件、光子集成芯片等領域有巨大的應用價值。

技術領域

本發(fā)明涉及飛秒激光微納加工領域，特別是一種利用飛秒激光在透明材料內(nèi)部進行大深度結構的加工裝置和加工方法。

背景技術

飛秒激光加工技術以其加工精度高、加工過程熱效應小、可在透明材料內(nèi)部進行三維加工等優(yōu)點在當代微制造領域獨樹一幟，為我們提供了一種全新的制備大規(guī)模、復雜三維微納結構的方法。使用飛秒激光在透明材料內(nèi)部進行三維加工時，加工結構距透明材料上表面的距離受限于聚焦物鏡的工作距離，通常使用的高數(shù)值孔徑物鏡的工作距離較短，使得結構的加工只能進行在距表面較近的區(qū)域，無法用于較大尺寸結構的加工。低數(shù)值孔徑的聚焦物鏡擁有較長的工作距離，使得加工可深入透明材料內(nèi)部進行，但是隨著深度增大，球差對加工的影響會越來越顯著。由于空氣與透明材料折射率不同，經(jīng)物鏡聚焦后的光束經(jīng)過空氣與透明材料的交界面時發(fā)生折射，導致光束無法在焦點處會聚到一起，使焦斑在縱向被拉長，這就是球差的作用。球差的存在大大降低了飛秒激光在材料深處的加工精度，阻礙了精細結構的加工。自適應光學元件可用于調(diào)節(jié)光波的相位，因而在加工光路中加入這類元件可補償界面折射產(chǎn)生的波前畸變，即可減弱球差帶來的不良影響(參見文獻：A. Jesacher and M.J.Booth,Opt.Express 18,21090-21099(2010))。然而對于低數(shù)值孔徑物鏡，即使將球差完全補償，由于物鏡本身數(shù)值孔徑較低這一特性，天然的衍射作用也會導致焦斑縱向被拉長，使得焦斑呈縱向長于橫向的橢球形，這種不對稱的焦斑形狀為結構的加工帶來不利因素，例如某些微流器件需要由橫截面為圓形的微流通道組成，這些微流通道就很難通過低數(shù)值孔徑物鏡加工出來。

一種提高低數(shù)值孔徑物鏡加工精度的方法是使用飛秒激光時空聚焦技術，該技術通過在光路中引入色散裝置，將不同頻率成分首先在空間上分離再通過物鏡進行聚焦，使得物鏡焦點處脈寬最短，焦點之外的區(qū)域脈寬迅速增大，從而降低焦點之外區(qū)域激光的功率密度(參見文獻：H.Fei,X.Han,C.Ya et al.Opt.Lett.35,1106-1108 (2010).)。該方法可降低焦斑在縱向的拉長程度，但在低數(shù)值孔徑物鏡聚焦情況下，依然很難實現(xiàn)焦斑在橫向與縱向完全對稱的加工精度。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的在于克服上述現(xiàn)有技術的不足，提供一種利用飛秒激光在透明材料內(nèi)部進行大深度結構的加工裝置和加工方法，通過該裝置和方法可在低數(shù)值孔徑物鏡聚焦條件下產(chǎn)生近球形的焦斑，同時在工作距離范圍內(nèi)的任意深度保持焦斑形狀不變，可用于加工大尺寸的復雜三維結構。

本發(fā)明的技術解決方案如下：

一種利用飛秒激光在透明材料內(nèi)部進行大深度結構的加工裝置，其特點在于該裝置包括飛秒激光放大器，在飛秒激光放大器的激光輸出方向依次是飛秒激光壓縮器、小孔、衰減片、光閘、第一光柵、第二光柵、分色鏡、低數(shù)值孔徑顯微物鏡、三維平移臺，所述的光閘的控制端與所述的三維平移臺的控制端分別與電腦輸出端相連，光源設置在所述的三維平移臺的下方，該光源發(fā)出的光經(jīng)所述的三維平移臺的透明窗口、所述的低數(shù)值孔徑顯微物鏡和分色鏡由CCD接收，所述的CCD的輸出端與所述的電腦輸入端相連。

利用上述加工裝置對透明材料內(nèi)部進行大深度結構的加工方法，該方法包括下列步驟：