[發(fā)明專利]利用超快激光進行透明材料三維結(jié)構(gòu)的加工裝置和加工方法

在審

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• 申請日: 2019-01-30
• 公開（公告）號: CN111496397A
• 公開（公告）日: 2020-08-07
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 程亞;儲蔚;王鵬
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所
• 主分類號: B23K26/53
• 分類號: B23K26/53;B23K26/064;B23K26/08;B23K26/32;B23K26/70
• 代理公司: 上海恒慧知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 31317
• 代理人: 張寧展

一種利用超快激光進行透明材料三維結(jié)構(gòu)的加工裝置，包括飛秒激光器、衰減片、縮束鏡、聲光調(diào)制器、擴束鏡、反射鏡、顯微物鏡、電腦以及供待加工的透明材料放置的三維平移臺。本發(fā)明對飛秒激光的整形通過調(diào)節(jié)飛秒激光器的壓縮器而實現(xiàn)，整形之后的激光脈沖在時域上被展寬，增長了激光的脈沖寬度，將整形后的激光通過低數(shù)值孔徑物鏡聚焦至透明材料內(nèi)部，即可在焦點處得到三維對稱性良好的近球形改性區(qū)域，提高了低數(shù)值孔徑物鏡聚焦條件下的加工精度。本發(fā)明使得“大深度”與“高精度”可同時實現(xiàn)，在激光對透明材料改性之后，通過化學(xué)腐蝕方法可高保真的將激光改性區(qū)域去除，使用該方法可進行大尺寸的復(fù)雜精細三維結(jié)構(gòu)的加工。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及超快激光三維加工領(lǐng)域，特別是一種利用超快激光進行透明材料三維結(jié)構(gòu)的加工裝置和加工方法。

背景技術(shù)

一般將脈沖寬度低于幾十皮秒的激光脈沖定義為超快激光，由于脈沖寬度極短，即使激光單脈沖能量僅為微焦量級，也很容易通過聚焦方式獲得超過10¹⁵W/cm²的功率密度，這一強度足以使大部分原子發(fā)生光電離，使得激光與物質(zhì)相互作用時呈現(xiàn)強烈的非線性效應(yīng)，如多光子吸收或隧穿電離等。超快激光脈沖作用時間極短，熱效應(yīng)幾乎可以忽略，因而可以大大提高加工精度。近紅外區(qū)的超快激光又能避免紫外激光對大多數(shù)材料不透明的缺點，它可以深入透明材料內(nèi)部在介觀尺度上實現(xiàn)真正意義上的三維立體微加工。

低數(shù)值孔徑的聚焦物鏡擁有較長的工作距離，超快激光可由此類物鏡聚焦后深入透明材料內(nèi)部進行加工，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(dǎo)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(jié)構(gòu)的加工。自適應(yīng)光學(xué)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(dǎo)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(jié)構(gòu)的加工帶來不利影響。為充分發(fā)揮飛秒激光加工技術(shù)的三維制備能力，在結(jié)構(gòu)加工過程中可以同時實現(xiàn)大尺寸與高精度，如何提高低數(shù)值孔徑物鏡聚焦?fàn)顟B(tài)下的加工精度成為關(guān)鍵。

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(shù)，該技術(shù)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(shù)的不足，提供一種利用超快激光進行透明材料三維結(jié)構(gòu)的加工裝置和加工方法，通過該方法可在低數(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，可用于加工擁有較大縱向尺寸的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：

一種利用超快激光進行透明材料三維結(jié)構(gòu)的加工裝置，其特征在于，包括飛秒激光器、衰減片、縮束鏡、聲光調(diào)制器、擴束鏡、反射鏡、顯微物鏡、電腦以及供待加工的透明材料放置的三維平移臺；

沿所述的飛秒激光器的激光輸出方向依次為所述的衰減片、縮束鏡、聲光調(diào)制器、擴束鏡和反射鏡，經(jīng)該反射鏡反射的反射光通過所述的顯微物鏡入射在待加工的透明材料上；

所述的聲光調(diào)制器的控制端與所述的三維平移臺的控制端分別與電腦相連。