CN101890575A - 具有实时监测的基于达曼光栅的飞秒激光并行微加工装置 - Google Patents
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Abstract
一种具有实时监测的基于达曼光栅的飞秒激光并行微加工装置，特点是基于达曼光栅的分束特性来进行飞秒激光并行微加工，可大大提高飞秒激光加工的效率，同时利用CCD探测器来实时观察监测加工过程。本发明在飞秒激光微加工方面有很好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及飞秒脉冲激光微加工，特别是一种具有实时监测的飞秒脉冲激光并行微加工装置。
背景技术
飞秒脉冲激光具有飞秒量级的脉冲持续时间，极高的峰值功率和功率密度，因而在材料微加工中具有作用时间极短，并能够诱发各种非线性效应等独特的优势。从1995年飞秒激光开始用于材料加工以来，由于其独特的加工优势很快得到人们广泛的关注。飞秒激光几乎能够加工金属、半导体和电介质等所有的材料，飞秒激光的超短脉冲、高峰值功率与极小的热效应作用区域的特性，使对材料加工表面的间接损伤小，加工精度高，可以用来加工制作金属掩膜板等。此外，利用飞秒激光在各种玻璃(掺锗的硅玻璃、纯硅玻璃、硼玻璃等)及光纤等透明材料内部诱导的多光子效应，使被照射区域材料的折射率发生变化，可以在各种透明材料内直接写入光波导、各种耦合器、光栅以及进行光存储等，另外飞秒激光微爆炸时产生的比如激光诱导熔化、材料表面烧蚀和透明材料内部的光学击穿等，还可以用于制作如衍射光学元件、光子晶体及光栅等。
目前，常见的飞秒激光微加工一般都是利用单束激光经过聚焦，然后进行单路扫描，加工速度慢，效率低下。为了提高效率一般采用并行加工的方式，一种并行加工方法是靠镀膜获得的分束镜来实现，但是分束镜一般只能实现1×2的分束，要实现多路分束，就要求进行级联，这样就带来了光路的复杂性；另一种并行加工方法为通过微透镜阵列来实现多束聚焦光束来进行并行微加工，但利用微透镜阵列也存在一定的不足之处，如制造成本比较高，对于光源的均匀性要求比较高，否则微透镜阵列中每个焦点光强不均匀，引起较大的加工精度误差；微透镜阵列的光源点阵是固定的，无法调整，且微透镜阵列的空隙处会产生多余的杂散光。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术的不足，提供一种具有实时监测的基于达曼光栅的飞秒激光并行微加工装置，该装置可以实现多路光束同步微加工，而且可以实时监测加工过程。
本发明的基本构思是：
基于达曼光栅的分束对样品进行飞秒激光并行微加工，以提高加工效率，同时利用CCD探测器实时观察监测微加工过程。达曼光栅是一种依靠优化一个周期内的相位转折点来实现高的衍射效率的分束器件。选择激光破环阈值大的基底，就可以轻易实现很大的抗强激光损伤能力的分束器件，且根据需要达曼光栅可以分成一维的1×N或两维的N×N的多路光束。
本发明的技术解决方案如下：
一种具有实时监测的基于达曼光栅的飞秒激光并行微加工装置，其特点在于该装置包括激光光源、第一半透半反镜、第一针孔滤波器、第一准直透镜、达曼光栅、聚光透镜、二向色镜、移动平台、BBO晶体、全反射镜、第二针孔滤波器、第二准直透镜、二向色镜、滤光片和光电探测器，待加工的样品置于所述的移动平台上、上述零部件的位置关系如下：
从所述的激光光源出射的飞秒激光，经所述的第一半透半反镜分成透射光束和反射光束，所述的透射光束经所述的第一针孔滤波器滤波扩束为发散的球面波，经所述的第一准直透镜变成平面波光束，此平面波光束经过所述的达曼光栅后形成不同衍射方向的多个平面波光束，随后经所述的聚光透镜变成多束会聚光束，该多束会聚光束经过所述的二向色镜反射后形成间距相等的会聚光点阵，聚焦在置于移动平台上的样品表面上进行多光束加工，所述的反射光束经BBO晶体倍频后，经全反射镜反射进入第二针孔滤波器滤波扩束为发散的球面波，扩束后经第二准直透镜变换成准直平面波光束，此平面波光束经第二半透半反镜反射后，经二向色镜照射在所述的样品的表面，经样品表面反射后形成携带有样品信息的物光束，经二向色镜、第二半透半反镜和滤光片进入所述的光电探测器，用于实时监测样品的被加工过程。
于所述的第一半透半反镜和第二半透半反镜是一块宽光谱镀介质膜半透半反镜，所述的二向色镜是对800nm波长的光全反射，对400nm波长的光增透的镜片。
所述的第一针孔滤波器和第二针孔滤波器是去除杂散光的针孔滤波器。
所述的第一准直透镜、第二准直透镜和聚光透镜都是消色差双凸透镜。
所述的达曼光栅是一个高激光破坏阈值的N×N分束的达曼光栅，其中N为大于1的正整数。
所述的移动平台是一个三维精密移动平台。
所述的滤光片是一个只允许透过400nm波长光的滤光片。
所述的光电探测器是一个对400nm具有灵敏光谱响应的CCD探测器。
所说的激光光源是一台飞秒激光器，脉宽为90fs，输出功率大于250mW，带宽为大于50nm，辐射波长为780nm-840nm，中心波长为800nm，重复频率为76MHz的钛宝石激光震荡系统。
所说的滤光片是一个只透过400nm波长光的滤光片。此滤波片可有效去除经样品反射后产生的杂散光。
本发明的技术效果：
1、由于本发明采用高激光破坏阈值的N×N达曼光栅作分束器，由单光束变成多光束进行微加工，多光束之间的间距调整方便，成本低，大大提高了加工效率；
2、通过CCD探测器实时监视加工样品的加工情况和定位情况，可以较好地保障样品的加工质量。
附图说明
图1是本发明具有实时监测的基于达曼光栅的飞秒激光并行微加工装置的结构示意图。
其光路根据编号依次是：1-激光光源；2-第一半透半反镜；3-第一针孔滤波器；4-第一准直透镜；5-达曼光栅；6-聚光透镜；7-二向色镜；8-样品；9-移动平台；10-BBO晶体；11-全反射镜；12-第二针孔滤波器；13-第二准直透镜；14-二向色镜；15-滤光片；16-光电探测器。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
本发明的具有实时监测的基于达曼光栅的飞秒激光并行微加工装置的结构如图1所示，图1是本发明具有实时监测的基于达曼光栅的飞秒激光并行微加工装置实施例的结构示意图。
由图可见，本发明具有实时监测的基于达曼光栅的飞秒激光并行微加工装置，包括激光光源1、第一半透半反镜2、第一针孔滤波器3、第一准直透镜4、达曼光栅5、聚光透镜6、二向色镜7、样品8、移动平台9、BBO晶体10、全反射镜11、第二针孔滤波器12、第二准直透镜13、二向色镜14、滤光片15和光电探测器16，上述零部件的位置关系如下：
从所述的激光光源1出射的飞秒激光，经所述的第一半透半反镜2分成透射光束和反射光束，所述的透射光束经所述的第一针孔滤波器3滤波扩束为发散的球面波，经所述的第一准直透镜4变成平面波光束，此平面波光束经过所述的达曼光栅5后形成不同衍射方向的多个平面波光束，随后经所述的聚光透镜6变成多束会聚光束，该多束会聚光束经过所述的二向色镜7反射后形成间距相等的会聚光点阵，聚焦在置于移动平台9上的样品8表面上进行多光束加工，所述的反射光束经BBO晶体10倍频后，经全反射镜11反射进入第二针孔滤波器12滤波扩束为发散的球面波，扩束后经第二准直透镜13变换成准直平面波光束，此平面波光束经第二半透半反镜14反射后，经二向色镜7照射在所述的样品8的表面，经样品表面反射后形成携带有样品信息的物光束，经二向色镜7、第二半透半反镜14和滤光片15进入所述的光电探测器16，用于实时监测样品的被加工过程。
在本实施例中：
所说的激光光源1是一台飞秒激光器，脉宽为90fs，输出功率大于250mW，带宽为大于50nm，辐射波长为780nm-840nm，中心波长为800nm，重复频率为76MHz的钛宝石激光震荡系统。
所说的第一半透半反镜2和第二半透半反镜14是一块宽光谱镀介质膜半透半反镜，它将光束分为透射和反射各50％的两束光。所述的第一半透半反镜2用来将光束分为两束光：一束用于并行加工，一束用于实时监测。
所述的二向色镜7是对800nm波长的光反射，对400nm波长的光透射的镜片。二向色镜7用来反射聚焦光束，使聚焦点阵垂直聚焦在样品8的表面，且使探测光束经样品反射后，可透过进入所述的光电探测器16。
所说的第一针孔滤波器3和第二针孔滤波器12为一个可有效去除杂散光的针孔滤波器。
所说的BBO晶体10是一块厚度为100um，长宽都为5mm的BBO晶体。是用来将中心波长为800nm的脉冲光倍频为400nm的脉冲光。
所说的全反射镜11是一块镀银全反射镜。
所说的滤光片15是一个只透过400nm波长光的滤光片，此滤波片可有效去除经样品反射后产生的杂散光。
本发明的工作原理和基本过程是：
中心波长为800nm的飞秒激光从激光光源1出射后，经第一半透半反镜2分成两束光，即A光束与B光束，A光束用于飞秒激光的并行微加工，B光束经BBO倍频晶体倍频成400nm波长的脉冲激光后，用于加工过程中的实时监测。其中A光束经第一针孔滤波器3扩束为发散球面波，经第一准直透镜4变换成平面波光束，此平面波光束经过达曼光栅5后形成不同衍射方向的多个平面波光束，随后经第二聚光透镜6变换成多束会聚光束，经过二向色镜7反射后形成间距相等的会聚光点阵，聚焦在样品8表面，其中，样品8置于移动平台9上，可在不同方向上移动；B光束经BBO晶体10倍频形成400nm光束后，经全反射镜11反射后进入第二针孔滤波器12，扩束后经第二准直透镜13变换成平面波光束，此平面波光束经第三半透半反镜14反射后，照射在样品8表面，经样品8表面反射后形成携带有样品信息的物光束，经二向色镜7、第二半透半反镜14和滤光片15(只透过400nm光)进入CCD探测器16，通过CCD探测器16实时监视加工样品的加工情况和定位情况，有利于保障样品加工质量。
实验表明，本发明的具有实时监测的基于达曼光栅的飞秒激光并行微加工装置，结构简单，加工效率高，有很好的应用前景。
Claims (9)
1.一种具有实时监测的基于达曼光栅的飞秒激光并行微加工装置，其特征在于该装置包括激光光源(1)、第一半透半反镜(2)、第一针孔滤波器(3)、第一准直透镜(4)、达曼光栅(5)、聚光透镜(6)、二向色镜(7)、样品(8)、移动平台(9)、BBO晶体(10)、全反射镜(11)、第二针孔滤波器(12)、第二准直透镜(13)、二向色镜(14)、滤光片(15)和光电探测器(16)，上述零部件的位置关系如下：
从所述的激光光源(1)出射的飞秒激光，经所述的第一半透半反镜(2)分成透射光束和反射光束，所述的透射光束经所述的第一针孔滤波器(3)滤波扩束为发散的球面波，经所述的第一准直透镜(4)变成平面波光束，此平面波光束经过所述的达曼光栅(5)后形成不同衍射方向的多个平面波光束，随后经所述的聚光透镜(6)变成多束会聚光束，该多束会聚光束经过所述的二向色镜(7)反射后形成间距相等的会聚光点阵，聚焦在置于移动平台(9)上的样品(8)表面上进行多光束加工，所述的反射光束经BBO晶体(10)倍频后，经全反射镜(11)反射进入第二针孔滤波器(12)滤波扩束为发散的球面波，扩束后经第二准直透镜(13)变换成准直平面波光束，此平面波光束经第二半透半反镜(14)反射后，经二向色镜(7)照射在所述的样品(8)的表面，经样品表面反射后形成携带有样品信息的物光束，经二向色镜(7)、第二半透半反镜(14)和滤光片(15)透射后进入光电探测器(16)，用于实时监测样品的被加工过程。
2.根据权利要求1所述的飞秒激光并行微加工装置，其特征在于所述的激光光源(1)是一台飞秒脉冲激光器。
3.根据权利要求1所述的飞秒激光并行微加工装置，其特征在于所述的第一半透半反镜(2)和第二半透半反镜(14)是一块宽光谱镀介质膜半透半反镜，所述的二向色镜(7)是对800nm波长的光全反射，对400nm波长的光增透的镜片。
4.根据权利要求1所述的飞秒激光并行微加工装置，其特征在于所述的第一针孔滤波器和第二针孔滤波器(3、12)是一个去除杂散光的针孔滤波器。
5.根据权利要求1所述的飞秒激光并行微加工装置，其特征在于所述的第一准直透镜(4)、第二准直透镜(13)和聚光透镜(6)都是消色差双凸透镜。
6.根据权利要求1所述的飞秒激光并行微加工装置，其特征在于所述的达曼光栅(5)是一个高激光破坏阈值的N×N分束的达曼光栅，取值N为大于1的正整数。
7.根据权利要求1所述的飞秒激光并行微加工装置，其特征在于所述的移动平台(9)是一个三维精密移动平台。
8.根据权利要求1所述的飞秒激光并行微加工装置，其特征在于所述的滤光片(15)是一个只允许透过400nm波长光的滤光片。
9.根据权利要求1所述的飞秒激光并行微加工装置，其特征在于所述的光电探测器(16)是一个对400nm具有灵敏光谱响应的CCD探测器。
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