[發明專利]利用錐透鏡實現硬脆材料納米級小孔的加工系統及方法

有效

• 申請號: 202011286364.2
• 申請日: 2020-11-17
• 公開（公告）號: CN112570911B
• 公開（公告）日: 2022-05-20
• 發明（設計）人: 陳烽;陸宇;杜廣慶;楊青
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: B23K26/382
• 分類號: B23K26/382;B23K26/064;B23K26/03;B23K26/04;B82Y40/00
• 代理公司: 西安智邦專利商標代理有限公司 61211
• 代理人: 鄭麗紅

1.一種利用錐透鏡實現硬脆材料納米級小孔的加工系統，其特征在于：包括飛秒激光器(1)、偏振控制模塊(2)、能量控制模塊(3)、錐透鏡(4)、準直鏡(5)、顯微加工模塊(6)、控制系統(7)、球透鏡(8)和光譜探測模塊(9)；

所述偏振控制模塊(2)、能量控制模塊(3)、錐透鏡(4)、準直鏡(5)、顯微加工模塊(6)沿飛秒激光器(1)的出射光路依次設置，飛秒激光器(1)出射的飛秒激光入射至偏振控制模塊(2)，偏振控制模塊(2)控制飛秒激光的偏振態后將其入射至能量控制模塊(3)，能量控制模塊(3)控制飛秒激光的輸入功率后將其入射至錐透鏡(4)，錐透鏡(4)將空間高斯分布的光束整形為貝塞爾光束，貝塞爾光束經準直鏡(5)準直后進入顯微加工模塊(6)，顯微加工模塊(6)將出射的貝塞爾光錐聚焦于待加工硬脆材料表面，實現納米小孔的加工；

所述控制系統(7)用于分別控制光譜探測模塊(9)、飛秒激光器(1)和顯微加工模塊(6)；所述光譜探測模塊(9)通過球透鏡(8)對納米小孔的光散射信息進行采集，并將該信息反饋至控制系統(7)，控制系統(7)根據該信息對貝塞爾光錐在硬脆材料中的Z軸位置進行精確補償控制和修正；

所述貝塞爾光錐的光錐長度DOF和中心光斑d的計算如下，所述貝塞爾光錐的光錐長度DOF為10～200um，中心光斑d為300～1000nm；

其中，k為光波波矢；β為光錐體的發散角，光錐體的發散角β由錐透鏡的錐角α得到，n·sinα＝sin(α+β)，n為錐透鏡折射率；f₁為顯微加工模塊的長焦透鏡焦距，f₂為顯微加工模塊的短焦物鏡焦距；w為束腰半徑。

2.根據權利要求1所述的利用錐透鏡實現硬脆材料納米級小孔的加工系統，其特征在于：所述能量控制模塊(3)和錐透鏡(4)之間還設置有倍頻晶體(10)，用于將輸入的飛秒激光波長減半。

3.根據權利要求2所述的利用錐透鏡實現硬脆材料納米級小孔的加工系統，其特征在于：所述錐透鏡(4)為錐透鏡微陣列。

4.根據權利要求1或2或3所述的利用錐透鏡實現硬脆材料納米級小孔的加工系統，其特征在于：所述光譜探測模塊(9)為光譜儀。

5.根據權利要求4所述的利用錐透鏡實現硬脆材料納米級小孔的加工系統，其特征在于：所述偏振控制模塊(2)包括偏振棱鏡和波片。

6.根據權利要求5所述的利用錐透鏡實現硬脆材料納米級小孔的加工系統，其特征在于：所述能量控制模塊(3)包括中性密度片和可控衰減片。

7.根據權利要求6所述的利用錐透鏡實現硬脆材料納米級小孔的加工系統，其特征在于：所述飛秒激光器(1)出射的飛秒激光波長為800nm和1030nm。

8.一種基于權利要求1至7任一所述利用錐透鏡實現硬脆材料納米級小孔的加工系統的加工方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一、選擇相匹配的錐透鏡和顯微加工模塊，使得貝塞爾光錐的光錐長度DOF和中心光斑d如下：

步驟二、飛秒激光器開始工作，顯微加工模塊將出射的貝塞爾光錐聚焦于待加工硬脆材料表面，實現納米小孔的加工；

步驟三、光譜探測模塊通過球透鏡對納米小孔的光散射信息進行實時采集，并將該信息反饋至控制系統，控制系統根據該信息對貝塞爾光錐在硬脆材料中的位置進行精確補償控制，直至符合小孔尺寸要求，從而實現加工能量在z軸輸入的修正；

步驟四、根據步驟三補償后的位置信息在待加工硬脆材料表面進行高精度納米小孔的加工。