CN213934277U - 一种利用飞秒激光多路并行技术制备衍射光栅的装置 - Google Patents

Abstract

一种利用飞秒激光多路并行技术制备衍射光栅的装置，该装置包括飞秒激光系统、第一准直光阑，第二准直光阑，二分之一波片、格兰泰勒偏光镜、电子高速快门、第一计算机、第一凸透镜、针孔滤波器、第二凸透镜、双色镜、Dammann光栅、汇聚透镜、三维精密移动平台、附有金属膜的玻璃基片、照明光源、半透半反镜、CCD相机、第二计算机、氦氖激光光源。该实用新型基于Dammann光栅均匀分束性质实现飞秒激光多路并行直写加工，大大提升了加工效率；加工过程采用LabView软件编写控制程序，可一次性完成光栅加工，调节方便；采用CCD相机实时观测加工光栅的表面形貌及反射光衍射图样，保证了加工质量。本实用新型在利用飞秒激光制备光栅方面具有良好的应用前景。

Description

一种利用飞秒激光多路并行技术制备衍射光栅的装置

技术领域

本实用新型属于光栅的制作技术领域，特别是一种利用飞秒激光多路并行技术制备衍射光栅的装置。

背景技术

衍射光栅是由大量等缝宽、等缝间距的平行狭缝所构成的一种最基本光学元件之一，它通过规律性结构，使入射光的振幅或相位(或两者同时)受到周期性空间调制。衍射光栅在光学上作为一种重要的分光器件，常被应用在单色仪和光谱仪上，还广泛应用于光学精密测量、天文学、光通信、激光器等诸多领域。衍射光栅制作技术大致可以分为掩膜光刻技术和无掩膜直写技术。掩膜光刻技术存在加工环节多、时间长、成本高且对准精度难以控制、分辨率受衍射极限影响。近年来，随着具有良好加工性能的飞秒激光的出现，飞秒激光直写作为一种无掩膜直写技术在微加工领域中的应用得到广泛的关注。由于飞秒激光具有超高峰值功率和超短脉宽的特点，在飞秒激光与材料作用时间内，被吸收的激光能量来不及向材料内部传导，绝大部分能量沉积在材料表面一定厚度的薄层之内。在相互作用的区域内，高能量密度的飞秒激光会使得材料表面薄层迅速升温，瞬间达到或者高于热力学临界温度，超过被烧蚀材料的击穿阈值，材料表面薄层将发生电离击穿，直接从固态转变为等离子状态向外喷发，脱离材料表面形成烧蚀，达到去除材料的目的，实现微米尺度的激光加工。飞秒激光加工材料具有阈值效应明显、热影响区域小、边缘光滑锐利、加工精度高、可控性强等优势。

目前，在飞秒激光直写技术中大多采用单束激光聚焦，待加工材料固定于微动平台，通过微动平台的移动，实现待加工材料的单路激光扫描。单路激光扫描存在加工速度慢、效率低下的问题。为提升效率，一般采用多路并行方式进行加工，一种方法是利用多个分束器级联方式实现，这无疑会增加光路实现和调试的复杂性。另一种方法是通过微透镜阵列实现，该方法存在制作成本高、对光源均匀性要求高、光束能量利用率不充分等不足。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的缺陷和不足，本实用新型提出一种利用飞秒激光多路并行技术制备衍射光栅的装置。本装置基于Dammann光栅分束特性，通过LabView软件联动控制三维精密移动平台移动轨迹和快门开关，可实现光栅的飞秒激光多路并行加工。并且，本装置在光栅制备的同时，可对光栅表面形貌和反射光衍射图样进行实时观测。

为实现上述目的，本实用新型的技术解决方案如下：

一种利用飞秒激光多路并行技术制备衍射光栅的装置，包括飞秒激光系统、第一准直光阑，第二准直光阑，二分之一波片、格兰泰勒偏光镜、电子高速快门、第一计算机、第一凸透镜、针孔滤波器、第二凸透镜、双色镜、Dammann光栅、汇聚透镜、三维精密移动平台、附有金属膜的玻璃基片、照明光源、半透半反镜、 CCD相机、第二计算机、氦氖激光光源；其特征是从飞秒激光系统出射的飞秒激光光束先后经过第一准直光阑、第二准直光阑、二分之一波片、格兰泰勒偏光棱镜、电子高速快门，电子高速快门通过控制器与第一计算机相连接，利用第一计算机中软件程序可以控制电子高速快门的开关；光束随后经过第一凸透镜、针孔滤波器、第二凸透镜、双色镜、Dammann光栅、汇聚透镜聚焦于固定在三维精密移动平台上的附有金属膜的玻璃基片上，双色镜与光路呈45度角放置，光束经过Dammann光栅后产生不同方向的衍射光束，随后经汇聚透镜聚焦于附有金属膜的玻璃基片形成多个能量均匀的聚焦光斑，照明光源照射样品表面，提供明亮视场，三维精密移动平台与第一计算机相连接，利用第一计算机可以控制三维精密移动平台定位和移动；双色镜的透射侧依次放置半透半反镜、CCD相机，半透半反镜与光路呈45度角放置，CCD相机与第二计算机相连接，半透半反镜的反射侧放置氦氖激光光源。

所述的飞秒激系统是由振荡级、放大级构成的中心波长为1040nm的高功率高重复频率光子晶体光纤飞秒激光系统。

所述的二分之一波片与所述的格兰泰勒偏光棱镜构成激光功率连续调节系统，可以实现飞秒激光光束功率的连续改变。

所述的第一准直光阑与所述的第二准直光阑为圆形孔径、直径可调式光阑。

所述的电子高速快门，通过控制器与第一计算机连接后可以控制快门的开启和关闭状态。

所述的第一凸透镜、所述的第二凸透和所述的汇聚透镜均为消色差双凸透镜。

所述的针孔滤波器可防止空中的灰尘，光学元件或激光本身散射干扰，并与所述的第一凸透镜和所述的第二凸透镜将飞秒激光光束转化为平面波。

所述的双色镜是指可以实现飞秒激光光源覆盖波段全反射和可见光波段全透射的介质膜镜片。

所述的Dammann光栅是根据需要制作的高破坏阈值1×N分束Dammann光栅。

所述的附有金属膜的玻璃基片是在玻璃基底上镀有单层金属膜的基片。

所述的三维精密移动平台和第一计算机相连接，通过第一计算机中LabView 软件可对三维精密移动平台连同待加工附有金属膜的玻璃基片进行三维精密定位、移动调节。

所述的第一计算机是安装了电子高速快门控制软件和LabView软件的计算机。

所述的照明光源为白光LED光源。

所述的半透半反镜是能实现可见光波段半透射和半反射的介质膜镜片。

所述的CCD相机是具有光学变焦功能且与第二计算机连接，可在第二计算机屏幕上显示加工过程。

所述的第二计算机是安装了CCD相机图像采集软件的计算机。

所述的氦氖激光光源为普通氦氖激光器，发射波长为632.8nm，功率大于 1.5mW。

本实用新型一种利用飞秒激光多路并行技术制备衍射光栅的装置原理如下：

Dammann光栅作为一种纯位相衍射光学器件，通过优化控制一个周期内相位变化点位置和相值大小可以产生一维或二维的等光强光点阵列(参见文献： Zhou,Changhe,Liu,Liren.Numerical study of Dammann array illuminators[J]. Applied Optics,1995,34(26):5961-5969.)。当飞秒激光入射到根据需要的设计的 Dammann光栅后，经汇聚透镜在后焦平面可以在产生设定数目的等光强阵列。

待加工附有金属膜的玻璃基片同样置于汇聚透镜后焦平面处。当分束飞秒激光聚焦后辐照金属膜时，金属中的自由电子发生高频振荡，在脉冲持续时间内，导带中的电子利用轫致辐射过程吸收激光能量，电子弛豫时间很短，电子温度迅速升高。在几皮秒到几百皮秒范围内，晶格通过电子-声子碰撞的方式得到能量，电子与晶格温度近似达到热平衡态，金属材料作用区域内在超短时间内温度急剧上升，瞬间便可超过金属材料的熔化(汽化)所需要的的温度，金属材料会被高度电离，产生高温、高压、高密度的等离子体，并以等离子体形式向外喷发，达到去除金属材料的烧蚀效果。在此过程中等离子体喷发几乎带走了飞秒激光烧蚀材料产生的热量，随后加工区域内温度下降到加工前的状态，在相对意义上实现了飞秒激光“冷”加工。双温模型被经常用作描述金属中将电子能量传递给晶格这一过程(参见文献Chichkov B N,Momma C,Nolte S,et al.Femtosecond, picosecond andnanosecond laser ablation ofsolids[J].Applied Physics A,1996,63(2): 109-115.和Jiang L,Tsai H L.Improved two-temperature model and its application inultrashort laser heating of metal films[J].Journal of Heat Transfer,2005,127(10): 1167-1173.)。

与现有技术相比，本实用新型的优点如下：

(1)本实用新型采用Dammann光栅进行分束实现多路并行加工，相比于单光束加工，具有成本低、加工效率高的优势。

(2)本实用新型采用LabView软件编写三维精密移动移动平台和快门开关联动控制程序，通过参数设置可在实现自动化加工，具有调节方便、加工灵活度高的优势。

(3)本实用新型在加工光栅的过程中可实现光栅形貌和衍射图样的实时观测，保证了加工质量。

附图说明：

图1为本实用新型一种利用飞秒激光多路并行技术制备衍射光栅的装置的结构示意图。

其中：1-飞秒激光系统，2-第一准直光阑，3-第二准直光阑，4-二分之一波片，5-格兰泰勒偏光镜，6-电子高速快门，7-第一计算机，8-第一凸透镜，9-针孔滤波器，10-第二凸透镜，11-双色镜，12-Dammann光栅，13-汇聚透镜，14- 三维精密移动平台，15-附有金属膜的玻璃基片，16-照明光源，17-半透半反镜， 18-CCD相机，19-第二计算机，20-氦氖激光光源。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明，但不限于此。

实施例1:

本实用新型实施例1如图1所示，一种利用飞秒激光多路并行技术制备衍射光栅的装置，该装置包括飞秒激光系统1、第一准直光阑2，第二准直光阑3，二分之一波片4、格兰泰勒偏光镜5、电子高速快门6、第一计算机7、第一凸透镜8、针孔滤波器9、第二凸透镜10、双色镜11、Dammann光栅12、汇聚透镜 13、三维精密移动平台14、附有金属膜的玻璃基片15、照明光源16、半透半反镜17、CCD相机18、第二计算机19、氦氖激光光源20；其特征是从飞秒激光系统1出射的飞秒激光光束先后经过第一准直光阑2、第二准直光阑3、二分之一波片4、格兰泰勒偏光棱镜5、电子高速快门6，电子高速快门6通过控制器与第一计算机7相连接，利用第一计算机7中软件程序可以控制电子高速快门6 的开关；光束随后经过第一凸透镜8、针孔滤波器9、第二凸透镜10、双色镜11、 Dammann光栅12、镜汇聚透镜13聚焦于固定在三维精密移动平台14上的待加工附有金属膜的玻璃基片15上，双色镜11与光路呈45度角放置，光束经过Dammann光栅12后产生不同方向的衍射光束，随后经汇聚透镜13聚焦于待加工附有金属膜的玻璃基片15形成多个能量均匀的个聚焦光斑，照明光源16照射样品表面，提供明亮视场，三维精密移动平台14与第一计算机7相连接，利用第一计算机7可以控制三维精密移动平台14精密定位和移动；双色镜11的透射侧依次放置半透半反镜17、CCD相机18，半透半反镜17与光路呈45度角放置， CCD相机18与第二计算机19相连接，半透半反镜17的反射侧放置氦氖激光光源20，利用图像采集软件可以在第二计算机19屏幕上实时观测加工光栅的表面形貌及氦氖激光光源20照射加工光栅的反射光衍射图样。

所述的飞秒激光系统1是由振荡级、放大级组成的光子晶体光纤光子晶体光纤非线性飞秒激光系统，其重复频率为56.9MHz、中心波长为1040nm、最大平均功率为18W、脉冲宽度为66.5fs。

所述的第一准直光阑2、第二准直光阑3为圆形孔径、直径可调式光阑。

所述的电子高速快门6，通过控制器与第一计算机7连接后可以控制快门6 的开启和关闭状态。

所述的双色镜11是指可以实现飞秒激光光源覆盖波段全反射和可见光波段全透射的介质膜镜片。

所述的Dammann光栅12是根据需要制作的高破坏阈值1×N分束Dammann 光栅。

所述的三维精密移动平台14与第一计算机7相连接，通过第一计算机7中 LabView软件可实现自由路径三维精密移动与定位，精度小于1μm。

所述的附有金属膜的玻璃基片15为在玻璃基底上镀有单层金属膜的基片。

所述的第一计算机7是安装了电子快门控制软件和LabView软件的计算机。

所述的照明光源16是白光LED光源。

所述半透半反镜17是可以实现在45度角放置可实现可见光波段透射和反射各占50％的介质膜镜片。

所述的第二计算机19是安装了CCD相机图像采集软件的计算机。

所述的氦氖激光光源20为普通氦氖激光器，发射波长为632.8nm，功率大于1.5mW。

本实施例中使用的飞秒激光光源是由振荡级、放大级构成的光子晶体光纤非线性飞秒激光系统。系统振荡级和放大级的增益介质均为掺镱大模场面积光子晶体光纤，从而保证振荡级和放大级之间具有很高的兼容性和耦合效率。振荡级和放大级均采用波长为976nm的多模商用半导体激光器泵浦。振荡级出射的种子脉冲经增益光纤非线性放大、光栅对压缩后，最终可以输出的脉冲时间宽度为 66.5fs，重复频率为56.9MHz，中心波长为1040nm，最大功率可达18W的飞秒激光。所述的二分之一波片与所述的格兰泰勒偏光镜构成透射光功率连续调节系统；所述的第一准直光阑和第二准直光阑为Thorlabs公司生产的最大孔径为 20mm的光阑；所述的电子快门是VincentAssociates公司生产的电控快门，其通光孔径为25mm，与计算机相连通过程序控制飞秒激光辐照时间；所述的第一凸透镜、第二凸透镜和汇聚透镜为具有增透膜双凸透镜；所述的针孔滤波器为 Thorlabs公司生产精密孔径可调滤波器；所述的Dammann光栅是熔融石英基底高破坏阈值1×3分束达曼光栅；所述的三维精密移动平台是Newport公司生产 Esp300电控三维精密移动平台，通过计算机控制三维最小分辨率为1μm，定位精度为0.1μm，行程为100mm；所述的附有金属膜的玻璃基片是在玻璃基底上镀有单层金属膜的基片；所述的氦氖激光光源为普通氦氖激光器，发射波长为632.8nm，功率大于1.5mW。

Claims (9)

1.一种利用飞秒激光多路并行技术制备衍射光栅的装置，包括飞秒激光系统、第一准直光阑，第二准直光阑，二分之一波片、格兰泰勒偏光镜、电子高速快门、第一计算机、第一凸透镜、针孔滤波器、第二凸透镜、双色镜、Dammann光栅、汇聚透镜、三维精密移动平台、附有金属膜的玻璃基片、照明光源、半透半反镜、CCD相机、第二计算机、氦氖激光光源；其特征是从飞秒激光系统出射的飞秒激光光束先后经过第一准直光阑、第二准直光阑、二分之一波片、格兰泰勒偏光棱镜、电子高速快门，电子高速快门通过控制器与第一计算机相连接，利用第一计算机中软件程序可以控制电子高速快门的开关；光束随后经过第一凸透镜、针孔滤波器、第二凸透镜、双色镜、Dammann光栅、汇聚透镜聚焦于固定在三维精密移动平台上的附有金属膜的玻璃基片上，双色镜与光路呈45度角放置，光束经过Dammann光栅后产生不同方向的衍射光束，随后经汇聚透镜聚焦于附有金属膜的玻璃基片形成多个能量均匀的聚焦光斑，照明光源照射样品表面，提供明亮视场，三维精密移动平台与第一计算机相连接，利用第一计算机可以控制三维精密移动平台定位和移动；双色镜的透射侧依次放置半透半反镜、CCD相机，半透半反镜与光路呈45度角放置，CCD相机与第二计算机相连接，半透半反镜的反射侧放置氦氖激光光源。

2.如权利要求1所述的一种利用飞秒激光多路并行技术制备衍射光栅的装置，其特征在于所述的飞秒激系统是由振荡级、放大级构成的中心波长为1040nm的高功率高重复频率光子晶体光纤飞秒激光系统。

3.如权利要求1所述的一种利用飞秒激光多路并行技术制备衍射光栅的装置，其特征在于所述的第一凸透镜、所述的第二凸透镜和所述的汇聚透镜均为消色差双凸透镜。

4.如权利要求1所述的一种利用飞秒激光多路并行技术制备衍射光栅的装置，其特征在于所述的针孔滤波器可防止空中的灰尘，光学元件或激光本身散射干扰，并与所述的第一凸透镜和所述的第二凸透镜将飞秒激光光束转化为平面波。

5.如权利要求1所述的一种利用飞秒激光多路并行技术制备衍射光栅的装置，其特征在于所述的双色镜是能实现飞秒激光光源覆盖波段全反射和可见光波段全透射的介质膜镜片。

6.如权利要求1所述的一种利用飞秒激光多路并行技术制备衍射光栅的装置，其特征在于所述的Dammann光栅是根据需要制作的高破坏阈值1×N分束Dammann光栅。

7.如权利要求1所述的一种利用飞秒激光多路并行技术制备衍射光栅的装置，其特征在于所述的三维精密移动平台和第一计算机相连接，通过第一计算机中LabView软件可对三维精密移动平台连同待加工附有金属膜的玻璃基片进行三维精密移动调节。

8.如权利要求1所述的一种利用飞秒激光多路并行技术制备衍射光栅的装置，其特征在于所述的附有金属膜的玻璃基片是在玻璃基底上镀有单层金属膜的基片。

9.如权利要求1所述的一种利用飞秒激光多路并行技术制备衍射光栅的装置，其特征在于所述的CCD相机具有光学变焦功能，与第二计算机相连接可在第二计算机屏幕上实时观测加工过程。

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