利用超快激光进行透明材料三维结构的加工装置和加工方法与流程

本发明涉及超快激光三维加工领域，特别是一种利用超快激光进行透明材料三维结构的加工装置和加工方法。

背景技术：

一般将脉冲宽度低于几十皮秒的激光脉冲定义为超快激光，由于脉冲宽度极短，即使激光单脉冲能量仅为微焦量级，也很容易通过聚焦方式获得超过10¹⁵w/cm²的功率密度，这一强度足以使大部分原子发生光电离，使得激光与物质相互作用时呈现强烈的非线性效应，如多光子吸收或隧穿电离等。超快激光脉冲作用时间极短，热效应几乎可以忽略，因而可以大大提高加工精度。近红外区的超快激光又能避免紫外激光对大多数材料不透明的缺点，它可以深入透明材料内部在介观尺度上实现真正意义上的三维立体微加工。

低数值孔径的聚焦物镜拥有较长的工作距离，超快激光可由此类物镜聚焦后深入透明材料内部进行加工，但是随着深度增大，球差对加工的影响会越来越显著。由于空气与透明材料折射率不同，经物镜聚焦后的光束经过空气与透明材料的交界面时发生折射，导致光束无法在焦点处会聚到一起，使焦斑在纵向被拉长，这就是球差的作用。球差的存在大大降低了飞秒激光在材料深处的加工精度，阻碍了精细结构的加工。自适应光学元件可用于调节光波的相位，因而在加工光路中加入这类元件可补偿界面折射产生的波前畸变，即可减弱球差带来的不良影响(参见文献：a.jesacherandm.j.booth,opt.express18,21090-21099(2010))。然而对于低数值孔径物镜，即使将球差完全补偿，由于物镜本身数值孔径较低这一特性，天然的衍射作用也会导致焦斑纵向被拉长，使得焦斑呈纵向长于横向的椭球形，这种不对称的焦斑形状为结构的加工带来不利影响。为充分发挥飞秒激光加工技术的三维制备能力，在结构加工过程中可以同时实现大尺寸与高精度，如何提高低数值孔径物镜聚焦状态下的加工精度成为关键。

一种提高低数值孔径物镜加工精度的方法是使用飞秒激光时空聚焦技术，该技术通过在光路中引入色散装置，将不同频率成分首先在空间上分离再通过物镜进行聚焦，使得物镜焦点处脉宽最短，焦点之外的区域脉宽迅速增大，从而降低焦点之外区域激光的功率密度(参见文献：h.fei,x.han,c.yaetal.opt.lett.35,1106-1108(2010).)。该方法可降低焦斑在纵向的拉长程度，但在低数值孔径物镜聚焦情况下，依然很难实现焦斑在横向与纵向完全对称的加工精度。

技术实现要素：

本发明目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种利用超快激光进行透明材料三维结构的加工装置和加工方法，通过该方法可在低数值孔径物镜聚焦条件下产生近球形的焦斑，同时在工作距离范围内的任意深度保持焦斑形状不变，可用于加工拥有较大纵向尺寸的复杂三维结构。

本发明的技术解决方案如下：

一种利用超快激光进行透明材料三维结构的加工装置，其特征在于，包括飞秒激光器、衰减片、缩束镜、声光调制器、扩束镜、反射镜、显微物镜、电脑以及供待加工的透明材料放置的三维平移台；

沿所述的飞秒激光器的激光输出方向依次为所述的衰减片、缩束镜、声光调制器、扩束镜和反射镜，经该反射镜反射的反射光通过所述的显微物镜入射在待加工的透明材料上；

所述的声光调制器的控制端与所述的三维平移台的控制端分别与电脑相连。

利用所述的加工装置在透明材料内部进行三维结构的加工方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

1)将待加工的透明材料固定在三维平移台上，透明材料为尺寸a*b*c的长方体，所述的三维平移台可沿x、y、z三个方向平移，其中z方向为入射在待加工的透明材料的激光脉冲传输方向，x、y方向与z方向垂直，分别为透明材料的长边方向和宽边方向，其中从透明材料左表面至右表面为+x方向，从透明材料前表面至后表面为+y方向，如说明书图1所示；

2)打开飞秒激光器，设置飞秒激光器输出激光的重复频率和波长，通过调节飞秒激光器内部光栅对距离将其输出的激光脉冲宽度展宽至皮秒量级，旋转衰减片调节激光的能量，打开声光调制器，移动三维平移台使激光脉冲聚焦于透明材料内部距上表面4cm处，通过电脑控制三维平移台沿y方向移动距离l，关闭声光调制器；

3)将透明材料从三维平移台上取下，使用光学显微镜观察2)中产生的扫描痕迹的横截面(即xz平面)，若横截面为黑色的近圆形区域(如说明书图2所示)，则进入下一步骤，若不是则返回步骤2)；

4)将透明材料重新固定在三维平移台上，移动三维平移台使激光焦点落在透明材料左下角顶点处，执行电脑上的移动程序控制三维平移台移动，移动过程如下：

①激光焦点沿+y方向移动距离b，然后沿+x方向移动距离dx，再沿-y方向移动距离b，然后沿+x方向移动距离dx，扫描过程中扫描路径经过目标三维结构所在区域时，程序控制声光调制器关闭，扫描路径位于目标三维结构区域之外时，程序控制声光调制器开启；；

②步骤①循环执行a/(2*dx)次，执行完毕后回到x、y坐标起点；

③三维平移台向下移动距离dz；

④步骤①②③循环执行c/dz次。

移动结束，程序结束。

5)在步骤4)中激光扫描过的区域内，透明材料发生改性，将透明材料从三维平移台上取下，浸入氢氧化钾溶液中，同时进行超声和水浴加热处理，透明材料被改性的区域被氢氧化钾溶液腐蚀溶解，未被改性区域不会被腐蚀，腐蚀结束后将透明材料剩余部分取出，进行清洗和烘干，得到所需三维结构。

本发明的有益结果：

本发明解决了超快激光无法在透明材料中加工纵向尺寸较大的三维结构的问题。在加工大尺寸三维结构时，通常需要使用工作距离较长的低数值孔径物镜对加工光束进行聚焦，这样可以保证可实现的加工深度大于结构的尺寸，但普通的飞秒激光脉冲经过低数值孔径物镜聚焦后得到的焦斑尺寸较大(接近100μm)，且呈纵向较长的椭球形，使用这样的焦斑对透明材料进行加工时加工精度低，无法加工精细结构。本发明通过调整激光器的参数设置，将飞秒激光器输出的激光脉冲在时域上展宽，展宽后的飞秒激光脉冲再通过低数值孔径物镜进行聚焦，就会产生纵向尺寸被缩短的焦斑(约为10μm)，使用这样的焦斑进行加工，焦斑与透明材料的作用区域变为近球形分布，加工精度得到了显著提高。此外，普通飞秒激光脉冲经过低数值孔径物镜聚焦在透明材料内部后，如果聚焦在透明材料内部的深度不同，聚焦得到的焦斑形状也会变化，一般聚焦深度越大，焦斑的纵向越长，这使得加工深度越大，加工精度越低，而使用本发明中所述的方法，激光脉冲经由物镜聚焦至透明材料内部后，不同深度处的焦斑形状几乎保持不变，焦斑与材料的相互作用区域都为近球形分布，这使得透明材料内部的高精度加工摆脱了加工深度的束缚。最后，使用该方法进行超快激光对透明材料的扫描后，腐蚀溶液对扫描区域的腐蚀速率与激光的偏振方向无关，也与激光的扫描方向无关，可进行各方向均匀的腐蚀。综上所述，本发明提出一种新型的玻璃三维结构加工装置和加工方法，使得超快激光加工可同时实现大深度加工与高精度加工，结合高精度三维平移台与化学腐蚀方法，使得透明材料内部纵向尺寸较大的精细结构的加工成为可能。

附图说明

图1是本发明利用超快激光进行透明材料三维结构的加工装置的光路图。

图2是用光学显微镜观察的扫描痕迹的横截面的圆形图。

具体实施方式

下面结合实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。

请参阅图1，图1是本发明利用超快激光进行透明材料三维结构的加工装置的光路图。由图可见，该实施例装置包括包括飞秒激光器1、衰减片2、缩束镜3、声光调制器4、扩束镜5、反射镜6、显微物镜7、电脑10以及供待加工的透明材料8放置的三维平移台9；

所述的飞秒激光器1发出的激光脉冲的中心波长为1030nm，重复频率为200khz，沿所述的飞秒激光器1的激光输出方向依次为所述的衰减片2、2倍缩束镜3、声光调制器4、2倍扩束镜5和反射镜6，经该反射镜6反射的反射光通过所述的显微物镜7(数值孔径为0.14)入射在待加工的透明材料8上，透明材料8为尺寸40*30*50mm的熔石英玻璃材料；

所述的声光调制器4的控制端与所述的三维平移台9的控制端分别与电脑10相连。

利用所述的加工装置在透明材料内部进行三维结构的加工方法，该方法包括下列步骤：

1)将待加工的透明材料8固定在三维平移台9上，所述的三维平移台9可沿x、y、z三个方向平移，其中z方向为入射在待加工的透明材料8的激光脉冲传输方向，x、y方向与z方向垂直，分别为透明材料8的长边方向和宽边方向，其中从透明材料8左表面至右表面为+x方向，从透明材料8前表面至后表面为+y方向，如说明书图1所示；

2)打开飞秒激光器1，通过调节飞秒激光器1内部光栅对距离将其输出的激光脉冲宽度展宽至10ps，旋转衰减片2调节激光的功率至1.65w，打开声光调制器4，移动三维平移台9使激光脉冲聚焦于透明材料8内部距上表面4cm处，通过电脑10控制三维平移台9沿y方向移动距离3cm，关闭声光调制器4；

3)将透明材料8从三维平移台9上取下，使用光学显微镜观察2)中产生的扫描痕迹的横截面(即xz平面)，横截面为黑色的圆形(如说明书图2所示)。

4)将透明材料8重新固定在三维平移台9上，移动三维平移台9使激光焦点落在透明材料8左下角顶点处，执行电脑10上的圆锥体加工程序控制三维平移台9移动，移动过程如下：

①激光焦点沿+y方向移动距离3cm，然后沿+x方向移动距离0.1mm，再沿-y方向移动距离3cm，然后沿+x方向移动距离0.1mm，扫描过程中扫描路径经过圆锥体所在区域时，程序控制声光调制器4关闭，扫描路径位于圆锥体区域之外时，程序控制声光调制器4开启；；

②步骤①循环执行200次，执行完毕后回到x、y坐标起点；

③三维平移台9向下移动距离0.05mm；

④步骤①②③循环执行1000次。

移动结束，程序结束。

5)在步骤4)中激光扫描过的区域内，透明材料8发生改性，将透明材料8从三维平移台9上取下，浸入浓度为10mol/lkoh溶液中，同时进行超声和水浴加热处理，超声频率为40khz，加热温度为90℃，透明材料8被改性的区域被koh溶液腐蚀溶解，未被改性区域不会被腐蚀，腐蚀结束后将透明材料剩余部分取出，进行清洗和烘干，得到圆锥体结构。