[發明專利]一種改變激光聚焦光斑空間方向的方法及裝置

有效

• 申請號: 201810977715.0
• 申請日: 2018-08-27
• 公開（公告）號: CN108957765B
• 公開（公告）日: 2020-05-19
• 發明（設計）人: 張靜宇;高驥超;劉思垣
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G02B27/09
• 分類號: G02B27/09;G02B27/10;G02B27/48
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 李智;曹葆青

本發明公開了一種改變激光聚焦光斑空間方向的方法及裝置，屬于激光材料加工領域，該方法對激光光束聚焦之前先對其進行空間啁啾，通過改變光束縱橫比控制聚焦光斑傾斜的角度，通過控制光束空間啁啾的方向改變聚焦光斑傾斜的方向。并公開了一種實現該方法的裝置。本發明通過改變光束的空間啁啾方向和光束縱橫比對激光聚焦光斑的兩個空間方向進行操控，由此解決無法精確控制焦點光場分布的技術問題，在激光精微加工領域有著廣闊的應用前景。

技術領域

本發明屬于激光材料加工領域，涉及使用空時同步聚焦的原理改變激光聚焦光斑空間方向的方法及裝置，更具體地，涉及一種改變激光聚焦光斑空間方向的方法及裝置。

背景技術

在過去的幾十年里，利用飛秒激光在透明材料中進行三維加工已經發展成激光材料加工技術領域中的一個重要的分支。該方法不僅能加工各種光學器件，例如光波導、偏振光學元件等，還可用于制造微流體系統和光流控系統等。激光與透明材料的相互作用與材料的對光子的非線性吸收特性有關，激光與材料的作用區域受焦點處光強分布影響。

近年來，空時同步聚焦(SSTF)方法被用在飛秒激光對透明材料的加工過程中，它可以減小焦點光斑的軸向尺寸，因此主要用于提高激光加工的軸向分辨率。例如，中科院上海光學精密機械研究所的何飛等通過SSTF方法控制焦點的軸向長度，制造出了橫截面為圓形的微流體通道。

目前，傳統的激光加工方法都只能實現沿激光入射方向對材料進行加工，限制了激光加工技術應用的靈活性。因此，為了提高3D加工的精度，制造復雜的結構，需要精確地控制焦點的光場分布。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種改變激光聚焦光斑空間方向的方法及裝置，其目的在于，通過改變光束的空間啁啾方向和光束縱橫比對激光聚焦光斑的兩個空間方向進行操控，由此解決無法精確控制焦點光場分布的技術問題。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種改變激光聚焦光斑空間方向的方法：

一種改變激光聚焦光斑空間方向的方法，激光經物鏡聚焦的聚焦光斑具有空間方向，所述空間方向包括聚焦光斑傾斜方向θ和傾斜角度其特征在于，

對激光光束聚焦之前先對其進行空間啁啾，所述空間啁啾是指將不同光譜分量在空間進行分離，所述空間啁啾的參數用空間啁啾的方向α與光束縱橫比β表征；所述光束縱橫比是指空間啁啾后的光束寬度與空間啁啾前的光束寬度之比；具體地，

通過仿真與實驗得到光束縱橫比β與聚焦光斑傾斜角度間的映射關系g；

通過仿真與實驗得到光束空間啁啾的方向α與聚焦光斑傾斜方向θ間的映射關系f；

取定聚焦光斑的空間方向取值組合(θ，)，根據所述映射關系g和所述映射關系f確定空間啁啾的參數(α，β)的取值，采用該(α，β)的取值對激光光束進行空間啁啾后聚焦，得到空間方向為取定值的聚焦光斑，實現對聚焦光斑空間方向的精確控制。

優選地，空間啁啾時采用圓形光柵，當圓形光束以垂直入射角通過光柵時，光束產生色散，不同波長的光以不同的折射角射出，在出射光束橫截面上，不同波長的光分布在不同半徑的圓環上。

優選地，通過改變所述圓形光柵的參數或切換不同的圓形光柵，改變光束的折射角度，從而控制光束的縱橫比。

優選地，空間啁啾時采用可旋轉的狹縫選擇所需空間啁啾方向的光束通過狹縫，阻擋不需要的光束，從而控制光束空間啁啾的方向。

按照本發明的另一方面，提供了一種用于實現上述方法的裝置，包括依次同軸設置的圓形光柵、第一透鏡、可旋轉的狹縫組件以及第二透鏡，其中，