一种改变激光聚焦光斑空间方向的方法及装置与流程

本发明属于激光材料加工领域，涉及使用空时同步聚焦的原理改变激光聚焦光斑空间方向的方法及装置，更具体地，涉及一种改变激光聚焦光斑空间方向的方法及装置。

背景技术

在过去的几十年里，利用飞秒激光在透明材料中进行三维加工已经发展成激光材料加工技术领域中的一个重要的分支。该方法不仅能加工各种光学器件，例如光波导、偏振光学元件等，还可用于制造微流体系统和光流控系统等。激光与透明材料的相互作用与材料的对光子的非线性吸收特性有关，激光与材料的作用区域受焦点处光强分布影响。

近年来，空时同步聚焦(sstf)方法被用在飞秒激光对透明材料的加工过程中，它可以减小焦点光斑的轴向尺寸，因此主要用于提高激光加工的轴向分辨率。例如，中科院上海光学精密机械研究所的何飞等通过sstf方法控制焦点的轴向长度，制造出了横截面为圆形的微流体通道。

目前，传统的激光加工方法都只能实现沿激光入射方向对材料进行加工，限制了激光加工技术应用的灵活性。因此，为了提高3d加工的精度，制造复杂的结构，需要精确地控制焦点的光场分布。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种改变激光聚焦光斑空间方向的方法及装置，其目的在于，通过改变光束的空间啁啾方向和光束纵横比对激光聚焦光斑的两个空间方向进行操控，由此解决无法精确控制焦点光场分布的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种改变激光聚焦光斑空间方向的方法：

一种改变激光聚焦光斑空间方向的方法，激光经物镜聚焦的聚焦光斑具有空间方向，所述空间方向包括聚焦光斑倾斜方向θ和倾斜角度其特征在于，

对激光光束聚焦之前先对其进行空间啁啾，所述空间啁啾是指将不同光谱分量在空间进行分离，所述空间啁啾的参数用空间啁啾的方向α与光束纵横比β表征；所述光束纵横比是指空间啁啾后的光束宽度与空间啁啾前的光束宽度之比；具体地，

通过仿真与实验得到光束纵横比β与聚焦光斑倾斜角度间的映射关系g；

通过仿真与实验得到光束空间啁啾的方向α与聚焦光斑倾斜方向θ间的映射关系f；

取定聚焦光斑的空间方向取值组合(θ，)，根据所述映射关系g和所述映射关系f确定空间啁啾的参数(α，β)的取值，采用该(α，β)的取值对激光光束进行空间啁啾后聚焦，得到空间方向为取定值的聚焦光斑，实现对聚焦光斑空间方向的精确控制。

优选地，空间啁啾时采用圆形光栅，当圆形光束以垂直入射角通过光栅时，光束产生色散，不同波长的光以不同的折射角射出，在出射光束横截面上，不同波长的光分布在不同半径的圆环上。

优选地，通过改变所述圆形光栅的参数或切换不同的圆形光栅，改变光束的折射角度，从而控制光束的纵横比。

优选地，空间啁啾时采用可旋转的狭缝选择所需空间啁啾方向的光束通过狭缝，阻挡不需要的光束，从而控制光束空间啁啾的方向。

按照本发明的另一方面，提供了一种用于实现上述方法的装置，包括依次同轴设置的圆形光栅、第一透镜、可旋转的狭缝组件以及第二透镜，其中，

所述圆形光栅中光栅的周期结构以同心圆的方式排列，工作时，当圆形光束以垂直入射角通过光栅时，光束产生色散，不同波长的光以不同的折射角射出，在出射光束横截面上，不同波长的光分布在不同半径的圆环上；

所述第一透镜用于将所述圆形光栅的出射光束转化为平行光束，入射至所述狭缝组件；

所述狭缝组件用于通过旋转选择所需空间啁啾方向的光束通过狭缝，阻挡不需要的光束；

所述第二透镜用于对通过所述狭缝组件的光束进行聚焦。

优选地，所述装置通过改变所述圆形光栅的参数或切换不同的圆形光栅，改变光束的折射角度，从而改变光束的纵横比。

优选地，所述第一透镜为锥透镜或者空间光调制器。

优选地，所述第二透镜为球面透镜。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明方法通过控制光束的空间啁啾方向和光束纵横比对激光聚焦光斑的两个空间方向进行操控，精确地控制焦点的光场分布，有利于实现复杂结构的加工，提高激光3d加工的精度和应用范围；

2、本发明装置通过圆形光栅对光束进行空间啁啾，通过改变圆形光栅的参数或切换不同的圆形光栅，可以改变光束的折射角度，从而改变光束的纵横比，实现对聚焦光斑倾斜角度的操纵；通过可选择的狭缝组件对选择出所需空间啁啾方向的光束，阻挡不需要的光束，实现对聚焦光斑倾斜方向的操纵，精确地控制焦点的光场分布，在激光精微加工领域有着广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明较佳实施例中改变激光聚焦光斑空间方向的装置示意图。

在所有的附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1、圆形光栅；2、第一透镜；3、狭缝组件；4、第二透镜。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明方法利用空时同步聚焦(sstf)法对聚焦光斑的空间方向进行操控。不同于普通聚焦，sstf方法聚焦得到的焦平面存在一定的倾斜，该倾斜会影响焦点处光场的空间分布。倾斜的方向与聚焦前光束的空间啁啾方向有关，倾斜的角度与光束纵横比有关。通过控制焦平面的倾斜方向与倾斜角度可以改变聚焦光斑的空间方向，从而实现对聚焦光斑形状的三维操纵。光束进过空间啁啾后在空间展宽，空间啁啾后的光束宽度与空间啁啾前的光束宽度之比定义为光束纵横比(bar)。

本发明实施例提供一种改变激光聚焦光斑空间方向的方法：

一种改变激光聚焦光斑空间方向的方法，激光经物镜聚焦的聚焦光斑具有空间方向，所述空间方向包括聚焦光斑倾斜方向θ和倾斜角度其特征在于，

对激光光束聚焦之前先对其进行空间啁啾，所述空间啁啾是指将不同光谱分量在空间进行分离，所述空间啁啾的参数用空间啁啾的方向α与光束纵横比β表征；所述光束纵横比是指空间啁啾后的光束宽度与空间啁啾前的光束宽度之比；具体地，

通过仿真与实验得到光束纵横比β与聚焦光斑倾斜角度间的映射关系g；

通过仿真与实验得到光束空间啁啾的方向α与聚焦光斑倾斜方向θ间的映射关系f；

取定聚焦光斑的空间方向取值组合(θ，)，根据所述映射关系g和所述映射关系f确定空间啁啾的参数(α，β)的取值，采用该(α，β)的取值对激光光束进行空间啁啾后聚焦，得到空间方向为取定值的聚焦光斑，实现对聚焦光斑空间方向的精确控制。

作为一种可选的实施方式，空间啁啾时采用圆形光栅，当圆形光束以垂直入射角通过光栅时，光束产生色散，不同波长的光以不同的折射角射出，在出射光束横截面上，不同波长的光分布在不同半径的圆环上。

作为一种可选的实施方式，通过改变所述圆形光栅的参数或切换不同的圆形光栅，改变光束的折射角度，从而改变光束的纵横比。

作为一种可选的实施方式，空间啁啾时采用可旋转的狭缝选择所需空间啁啾方向的光束通过狭缝，阻挡不需要的光束，从而控制光束空间啁啾的方向。本发明实施例中，sstf的核心是在光束进入物镜前将不同光谱分量在空间进行分离(即空间啁啾)。出现时域聚焦是因为不同的光谱分量只有在焦点附近才产生重叠，所以在焦点处可以得到最短的脉冲长度和最大的峰值光强。sstf另一个特性是聚焦光斑处存在固有的脉冲前沿倾斜(pft)，导致聚焦光斑的光强分布存在一定的方向。pft的方向与聚焦前光束的空间啁啾方向有关，pft的角度与光束纵横比(空间啁啾后与空间啁啾前光束宽度之比)有关。本发明所述方法对激光光束聚焦之前先对其进行空间啁啾，通过控制光束的空间啁啾方向和光束纵横比对激光聚焦光斑的倾斜的方向和角度进行精确的控制，从而实现对激光聚焦光斑的两个空间方向进行操控，实现对复杂结构的加工。

本发明实施例还提供一种实现上述方法的装置。装置包括：圆形光栅1，第一透镜2，可旋转的狭缝组件3和第二透镜4。

圆形光栅1中的光栅为一系列同心圆结构组成，为圆对称的结构，当圆形光束垂直入射到圆形光栅上时，光束会发生空间色散。不同波长的光分量以不同的角度折射，在出射光束横截面上，不同波长的光分布在不同半径的圆环上，因此，出射光束的光谱分布也应为圆对称的。通过改变圆形光栅的参数或切换不同的圆形光栅，可以改变光束的折射角度，从而改变光束的纵横比，实现对聚焦光斑倾斜角度的操纵。圆形光栅1的出射光束入射至第一透镜2。

第一透镜2用于将入射的色散光束转化为平行光束，它可以为图中所示的锥透镜，也可以是其他类型的透镜或者空间光调制器等可实现同样功能的光学器件。

狭缝组件3具有一个透光的狭缝，并且可以在电机的控制下旋转到任意角度。其功能是选择出所需空间啁啾方向的光束，使其透过狭缝，并且阻挡不需要的光束，从而实现对聚焦光斑倾斜方向的操纵。

第二透镜4为聚焦物镜，用于对通过狭缝的空间啁啾光束进行聚焦，得到所需空间方向的聚焦光斑。所述透镜可以为图中所示的球面透镜，也可为可实现同样功能的其他类型透镜或光学器件。

焦点光斑的空间方向与入射光束的特性有关。本发明装置通过圆形光栅1对光束进行空间啁啾；通过改变圆形光栅的参数或切换不同的圆形光栅，可以改变光束的折射角度，从而改变光束的纵横比，实现对聚焦光斑倾斜角度的操纵；第一透镜2用于将入射的色散光束转化为平行光束；通过狭缝组件3选择出所需空间啁啾方向的光束，实现对聚焦光斑倾斜方向的操纵；通过第二透镜4聚焦，即可得到所需空间方向的聚焦光斑。

本发明提供的方法及装置可以改变聚焦光斑的空间方向，在激光精微加工领域有着广阔的应用前景。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。