后分光瞳共焦Raman-LIBS-质谱探测的飞秒激光加工监测方法与装置与流程

本发明涉及后分光瞳共焦raman-libs-质谱探测的飞秒激光加工监测方法与装置，特别涉及后分光瞳共焦raman-libs-质谱探测的飞秒激光加工监测一体化方法与装置，属于激光精密检测技术、飞秒激光加工监测技术领域，可用于复杂微细结构的飞秒激光加工与形态性能综合参数原位检测。

背景技术：

飞秒激光加工由于具有材料适应性广、加工精细度高、加工无需掩模等显著优点，而被视为“可能引起新工业革命”的世纪性技术备受关注，并被作为宏—微跨尺度微纳制造的首选手段得到中国、美国等世界各制造大国的优先发展。

飞秒激光加工就是利用激光与材料的非线性效应，在超越光学衍射极限的纳米尺度上使材料发生成形与成性，其本质是材料形态与性能参数的同时改变与调控，因而，我们只有同时监测加工过程中材料形态、性能参数的瞬时变化状态，才能真正揭示飞秒激光非线性加工的作用机理及其演化规律。

目前飞秒激光加工还存在非线性加工使物镜轴向进给量无法精确对应样品轴向去除量这一重大瓶颈问题，但现有的基于三角光位移传感器轴向监测、背向散射相干层析监测和光学相干层析监测等方法，其分辨能力均为微米或亚微米量级，如加拿大皇后大学和德国哥廷根激光实验室利用干涉成像法(oct)开展了在线监测技术研究，但其x-y-z方向的监测分辨能力仅达微米量级。可见，飞秒加工装备由于受现有监测技术制约，仍然缺乏高性能的原位监测手段，这就使基于点加工、长耗时的飞秒激光加工设备普遍存在：非线性去除，使轴向去除不准；长耗时漂移，使加工系统不稳；非稳定点加工，使加工尺度不大等共性问题。其根源在于加工系统轴向定焦不准，进而制约了飞秒激光在跨尺度关键元件微纳制造方面的应用。

此外，飞秒激光加工过程中，加工材质不同，飞秒脉冲激光与物质的作用机理不同，加工过程中样品产生的形态和性能变化不同；在脉冲激光的作用下，样品的分子结构、元素比例和带电离子等均会发生变化，如何对加工完成后样品的物性参数和形态参数进行精确的检测，不仅是保证加工精度的关键、也是研究飞秒激光加工机理、提升加工工艺水平的重要前提。

由此可见，随着飞秒激光加工技术的飞速发展，迫切需要研究飞秒激光加工中形态性能参数的原位监测手段。

在形态性能参数探测中，基于拉曼(raman)散射效应的激光共焦拉曼光谱探测技术，由于可通过探测样品微区拉曼光谱谱峰的强度、位置、位移、比值、半高宽等信息，来测得材料微区组分、应力、温度等参数，而被作为形态性能参数测试的重要的手段在飞秒激光加工的光致应变、晶体晶态、折射率变化、载流子密度、温度状态、成分等离线监测中得到成功应用，但现有飞秒激光加工仍然缺乏飞秒激光加工形态性能参数的一体化原位监测手段，同时拉曼光谱形态性能探测方法亦不能完全反映加工样品的形态性能参数，还必须借助其它手段，如libs(laser-inducedbreakdownspectroscopy)光谱和质谱来探测样品微区物质组分的完整信息。

综上所述，现有飞秒激光加工中无法对样品进行精准的定焦和对准，无法对加工中的样品形态性能参数进行高精度的原位监测，其结果限制了飞秒激光加工效果稳定性和跨尺度加工能力，也制约了飞秒激光加工机理研究和加工工艺水平的提高。

为此，本发明提出在飞秒激光加工系统中创造性地融入激光后分光瞳共焦raman-libs-质谱探测技术，以期实现飞秒激光加工中形态性能参数的一体化原位监测，为飞秒激光加工形态性能参数一体化原位监测提供新手段，提升飞秒激光加工的精度性能和宏-微跨尺度加工能力等。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决飞秒激光加工中样品易产生轴向漂移和加工完成后样品复杂形态性能参数原位检测等问题，本发明提出飞秒激光加工后置分光瞳共焦拉曼、libs光谱和质谱在线监测方法与装置，实现了样品加工过程中的轴向漂移、倾斜的高空间分辨在线监控和样品结构轴向尺寸的纳米级监测，确保了加工过程中样品的精确实时定焦，并实现了加工完成后样品微区形貌结构和复杂物性参数的综合检测，为飞秒激光加工的反馈修正、机理研究和工艺改进提供了技术基础，提高了激光加工精度的可控性和样品的加工质量。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的，利用飞秒激光加工系统对样品进行微细结构加工，利用后置分光瞳激光共焦轴向监测模块对样品表面形貌轮廓、加工中样品表面轴向位置进行实时监控，并对加工后样品表面的几何参数进行检测，利用拉曼光谱探测模块对飞秒激光加工后样品材料的分子结构变化进行检测分析，利用libs光谱探测模块对材料的原子、小分子和元素信息进行检测分析，利用质谱仪对材料的离子信息进行检测分析，对上述信息进行融合获得样品微区形态和物性综合参数，进而实现微细结构飞秒激光高精度加工与微区形态性能原位监测分析一体化，提高微细结构飞秒激光加工精度的可控性和样品的加工质量；

后分光瞳共焦raman-libs-质谱探测的飞秒激光加工监测方法包括以下步骤：

步骤一、将样品置于精密工作台上，由精密工作台带动样品进行扫描运动，利用后置分光瞳共焦轴向监测模块对样品的表面轮廓进行扫描测量，并将其测量结果反馈给计算机，用于飞秒激光加工系统对加工控制参数的调整；

其中，后置分光瞳共焦轴向监测模块由激光器、扩束器、反射镜、探测物镜、分光瞳探测模块组成，轴向监测平行光束经二向色镜a反射、二向色镜b透射后，进入物镜并被聚焦到样品上，经样品反射的反射轴向监测光束被分光镜反射后，经过后置光瞳、探测物镜、光斑放大物镜后汇聚透过针孔后被光强探测器接收，经过光强信号处理器得到分光瞳共焦曲线；

依据分光瞳共焦曲线的峰值点位置对样品的轴向离焦位置进行高精度监测；

步骤二、利用飞秒激光器、激光时空整形模块、二维扫描器构成的飞秒激光加工系统对样品进行微纳结构加工，加工过程中利用后置分光瞳共焦轴向监测模块对加工过程中样品表面的轴向位置进行监测；依据分光瞳共焦曲线的峰值点位置对样品的轴向位置进行高精度监测；

步骤三、计算机依据测量结果调整样品的轴向位置，实时调整精密工作台的位置，实现加工过程中样品的精确定焦；

步骤四、加工完成后，可利用后置分光瞳共焦轴向监测模块对加工完成后的样品结构进行扫描测量，实现加工后样品的高精度在线检测。样品的轴向位置实时监控和轴向定焦，同时，记录样品的轴向结构尺寸，实现样品轴向尺寸的高精度检测；

步骤五、轴向监测平行光束经物镜聚焦到样品上，激发出拉曼散射光谱，该光谱经二向色镜b反射后透过二向色镜c由拉曼光谱探测模块探测，对加工后样品的分子结构参数进行原位检测分析，其中，拉曼探测模块由拉曼耦合镜和拉曼光谱探测器组成；

步骤六、脉冲光束经物镜聚焦到样品上，激发出等离子体羽，部分等离子体通过离子吸管由质谱仪探测，对加工后样品的带电离子进行原位检测分析；等离子体羽湮灭发出libs光谱，该光谱经二向色镜b反射后再次被二向色镜c反射，由libs光谱探测模块探测，对加工后样品的原子、小分子和元素信息进行原位检测分析；

步骤七、由光强信号处理器、拉曼光谱探测器、libs光谱探测器和质谱仪探测得到信号传输至计算机进行信息融合，得到加工后的样品的微区形态和性能综合参数，并根据样品的微区形态和性能综合参数分析加工过程中的样品物性变化规律和加工后的效果，对通过激光时空整形模块对加工激光束进行调制，提高了微纳结构飞秒激光加工精度的可控性和样品的加工质量。

本发明所述的后分光瞳共焦raman-libs-质谱探测的飞秒激光加工监测方法，还包括在加工前，可利用显微成像模块对样品进行粗对准；白光光源发出的光经照明系统、照明分光镜、二向色镜b、物镜后均匀照射到样品上，经样品返回的光经照明分光镜反射后经成像透镜成像到ccd上，可判断样品的倾斜和位置。

本发明所述的后分光瞳共焦raman-libs-质谱探测的飞秒激光加工监测方法，飞秒激光加工系统发出的加工激光光束与轴向监测平行光束经物镜同轴耦合到样品表面，分别实现微纳结构的加工与检测。

本发明的后分光瞳共焦raman-libs-质谱探测的飞秒激光加工监测装置，包括飞秒激光器、位于飞秒激光器出射方向的激光时空整形模块和二维扫描器，位于飞秒激光器出射光束垂直方向的二向色镜a、二向色镜b、物镜和精密工作台，位于二向色镜a反射方向的后置分光瞳共焦轴向监测模块和位于二向色镜b反射方向的二向色镜c、拉曼光谱探测模块，位于二向色镜c反射方向的libs光谱探测模块，位于样品一侧的离子吸管和质谱仪，物镜由轴向扫描器轴向驱动；分光瞳共焦轴向监测模块包括激光器，位于激光器出射方向的扩束器、分光镜a和位于分光镜a反射方向的分光瞳探测模块；其中轴向监测平行光束和加工激光光束经二向色镜a、物镜同轴入射到样品表面。

本发明所述的后分光瞳共焦raman-libs-质谱探测的飞秒激光加工监测装置，分光瞳探测模块可由光斑放大物镜、针孔和光强探测器构成，其中针孔位于光斑放大物镜的像面上；

本发明所述的后分光瞳共焦raman-libs-质谱探测的飞秒激光加工监测装置，分光瞳探测模块还可由光斑放大物镜和探测ccd探测区域构成，其中探测区域位于探测ccd的像面中心；

本发明所述的后分光瞳共焦raman-libs-质谱探测的飞秒激光加工监测装置，激光时空整形模块可由空间整形器、时间整形器构成，对飞秒激光器发出的激光束进行时域和空域参数的联合调控，提高飞秒飞秒激光加工能力。

本发明所述的后分光瞳共焦raman-libs-质谱探测的飞秒激光加工监测装置，还可以利用显微成像模块对样品进行观察，其中，显微成像模块由白光光源、照明系统、照明分光镜、成像物镜、ccd组成。白光光源发出的光经照明系统、照明分光镜、二向色镜b、物镜后均匀照射到样品上，经样品返回的光经照明分光镜反射后经成像透镜成像到ccd上。

有益效果

本发明方法对比已有技术具有以下创新点：

1)采用后置分光瞳共焦轴向监测技术，提高了加工过程中的轴向位置监测能力和轴向尺寸检测能力，解决了飞秒激光加工过程中的漂移问题和高精度实时定焦问题，这是本发明的创新点之一；

2)采用后置分光瞳共焦轴向纳米级监测技术，提高了照明光束的有效数值孔径，保证了检测成像空间分辨力，解决了飞秒激光加工样品的高空间分辨在线检测问题，这是本发明的创新点之二；

3)将后置分光瞳共焦系统、飞秒激光加工系统的光束经同一物镜耦合到样品，实现了微纳结构加工过程中样品的在线位置监测和轴向尺寸检测，提高了加工过程的可控性和加工质量，这是本发明的创新点之三；

本发明特点：

1.采用具有长工作距和高分辨力的后置分光瞳共焦技术与飞秒激光加工技术相结合，实现了加工过程中的样品轴向离焦位置的在线监测，解决了加工过程中的样品漂移问题，提高了加工过程的可控性；

2.利用分光瞳共焦曲线的峰值点进行样品轴向位置监测，使飞秒激光光束以最小聚焦光斑聚焦到样品表面，可实现样品的高精度微纳加工；

3.采用后置分光瞳共焦技术同时兼顾了样品的成像横向分辨力和监测轴向分辨力，提高了加工过程中的精度轴向监测和加工后的高空间分辨成像。

4.采用激光共焦拉曼光谱、libs光谱和质谱探测技术结合，实现了对加工后的样品微区形态和物性综合参数变化的原位监测和分析，提高了加工工艺水平和加工质量的可控性。

5.利用共焦拉曼光谱、libs光谱和质谱探测技术对飞秒激光加工后样品材料的组分分子结构、元素信息和离子结构变化进行原位监测，可改善现有飞秒激光加工工艺。

6.采用显微成像技术对样品进行成像，可实现样品位置的倾斜校正，提高加工过程中的位置调整效率。

附图说明

图1为本发明后分光瞳共焦raman-libs-质谱探测的飞秒激光加工监测方法示意图；

图2为本发明后分光瞳共焦raman-libs-质谱探测的飞秒激光加工监测方法与装置示意图；

图3为本发明后分光瞳共焦raman-libs-质谱探测的飞秒激光加工监测方法与装置示意图；

图4为本发明后分光瞳共焦raman-libs-质谱探测的飞秒激光加工监测方法示意图；

图5为本发明后分光瞳共焦raman-libs-质谱探测的飞秒激光加工监测方法与装置示意图；

图6为本发明后分光瞳共焦raman-libs-质谱探测的飞秒激光加工监测方法与装置示意图；

其中：1-后置分光瞳共焦轴向监测模块、2-激光器、3-扩束器、4-轴向监测平行光束、5-二向色镜a、6-二向色镜b、7-物镜、8-轴向扫描器、9-样品、10-精密工作台、11-后置光瞳、12-分光镜a、13-探测物镜、14-分光瞳探测模块、15-飞秒激光器、16-激光时空整形模块、17-加工激光光束、18-二维扫描器、19-光斑放大物镜、20-针孔、21-光强探测器、22-光强信号处理器、23-分光瞳共焦曲线、24-拉曼耦合透镜、25-拉曼光谱探测器、26-拉曼光谱探测模块、27-libs耦合透镜、28-libs光谱探测器、29-libs光谱探测模块、30-等离子体羽、31-离子吸管、32-质谱仪、33-计算机、34-二向色镜c、35-探测ccd、36-探测光斑、37-探测区域、38-图像信号处理器、39-空间整形器、40-时间整形器、41-白光光源、42-照明系统、43-显微成像模块、44-照明分光镜、45-分光镜b、46-成像透镜、47-ccd。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明的基本思想是：将长工作距、高轴向分辨的后置分光瞳激光共焦轴向监测模块与飞秒激光加工系统有机融合，利用分光瞳共焦曲线峰值点对样品轴向离焦位置进行纳米级监测，样品的轴向实时定焦和轴向位置监控，解决飞秒激光加工过程中的轴向漂移和原位检测等问题，并利用连续激光激发的拉曼光谱进行样品分子结构探测，利用脉冲激光激发样品产生的等离子体羽进行质谱探测获得样品带电粒子和分子量信息，并收集探测等离子体湮灭产生的libs光谱获得样品的小分子和元素信息，通过信息的融合获得样品的微区形态和性能综合参数，实现对飞秒激光加工的效果的综合监测和分析，提高了微纳结构飞秒激光加工精度的可控性和样品的加工质量等。还可以在上述系统中融合显微成像模块，利用显微成像模块对样品进行粗对准。

实施例1

如图1，利用后置分光瞳共焦轴向监测模块1对加工前样品9的表面位置和加工过程中样品9的轴向位置进行监测，计算机33对二维扫描器18、精密工作台10、轴向扫描器8进行反馈控制，实现对样品9加工与监控的三维扫描和位置调整；飞秒激光加工系统由飞秒激光器15、激光时空整形模块16、二维扫描器18构成。

分光瞳探测器14由光斑放大物镜19和二象限探测器20构成。后分光瞳共焦raman-libs-质谱探测的飞秒激光加工监测方法实施步骤如下：

1)将样品9置于精密工作台10上，由精密工作台10带动样品9进行扫描运动；

2)加工前，利用后置分光瞳共焦轴向监测模块1对样品9的表面进行扫描测量；轴向监测平行光束4经二向色镜a5反射、二向色镜b6透射后，由物镜7聚焦到样品9上，经样品9反射的反射轴向监测光束被后置分光瞳共焦轴向监测模块1接收；其中，后置分光瞳共焦轴向监测模块1由激光器2、扩束器3、分光镜a12、探测物镜13、分光瞳探测器14组成；轴向监测平行光束4经二向色镜a5反射、二向色镜b6透射后，由物镜7聚焦到样品9上，经样品9反射的反射轴向监测光束经过分光镜a12反射后，经过后置光瞳11、探测物镜13、光斑放大物镜19后汇聚通过针孔20后被光强探测器21接收，经过光强信号处理器22处理得到样品9表面一点的分光瞳共焦信号；

3)通过计算机33控制轴向扫描器8对样品9进行轴向扫描，得到分光瞳共焦曲线23；

4)依据分光瞳共焦曲线23的峰值点位置对样品9的轴向位置进行高精度监测，计算机33依据测量结果，对飞秒激光加工系统的加工控制参数进行调整；

5)经激光时空整形模块16调制的加工激光光束17经二向色镜a5、二向色镜b6和物镜7聚焦到样品9的表面对样品9进行激光加工，微区域的扫描加工由计算机33控制二维扫描器18完成；

6)加工过程中，后置分光瞳共焦轴向监测模块1对加工过程中样品9的轴向位置进行监测；

7)计算机33控制精密工作台10、依据后置分光瞳共焦轴向监测模块1反馈的对探测光斑36的监测结果对样品9位置进行调整，实现加工过程中样品的精确定焦，消除了样品漂移的影响；

8)通过计算机33控制轴向扫描器18和精密工作台10对样品9进行扫描，得到加工后样品微纳结构轴向尺寸，实现样品9轴向尺寸的高精度检测；通过拉曼光谱探测模块26、libs光谱探测器28和质谱仪32获取加工后样品的分子结构、原子、小分子和元素等性能参数，进而实现加工后样品9形态性能参数的高精度原位检测；

9)根据样品的微区形态和性能综合参数分析加工过程中的样品物性变化规律和检测加工后的效果，对通过激光时空整形模块16对加工激光束17进行调制，提高了微纳结构飞秒激光加工精度的可控性和样品的加工质量。

实施例2

如图2所示，分光瞳探测器14由光斑放大物镜19和探测ccd35、探测区域37和图像信号处理器38构成，其中探测区域37位于探测ccd35的像面中心位置；利用后置分光瞳共焦轴向监测模块1对加工过程中样品9的轴向位置和轴向尺寸进行监测时，轴向监测平行光束4经二向色镜a5反射、二向色镜b6透射后，由物镜7聚焦到样品9上，经样品9反射的反射轴向监测光束被分光镜a12反射后，经过后置光瞳11、探测物镜13、光斑放大物镜19后汇聚到探测ccd35上，图像信号处理器38对探测ccd35像面上的探测区域37的信号进行处理，得到样品9表面一点的分光瞳共焦信号。

其余步骤与实施例1相同。

实施例3

如图3所示，激光时空整形模块16由空间整形器39和时间整形器40构成，对飞秒激光器15发出的光束分别进行时域和空域参数的调整，使飞秒激光加工性能最佳。

其余与实施例1相同。

实施例4

如图4所示，在加工前，将样品9置于精密工作台10后，利用显微成像模块43对样品9进行粗对准，白光光源41发出的光经照明系统42、照明分光镜44、二向色镜b6、物镜7后生成平行光束均匀照射到样品9上，样品9散射的照明光经照明分光镜44反射后经成像透镜46成像到ccd47上，可得到样品9的位置和成像区域，进而可判断样品9的倾斜和位置。

其余与实施例1相同。

实施例5

如图5所示，在加工前，将样品9置于精密工作台10后，利用显微成像模块43对样品9进行粗对准，白光光源41发出的光经照明系统42、照明分光镜44、二向色镜b6、物镜7后生成平行光束均匀照射到样品9上，样品9散射的照明光经照明分光镜44反射后经成像透镜46成像到ccd47上，可得到样品9的位置和成像区域，进而可判断样品9的倾斜和位置。

其余与实施例2相同。

实施例6

如图6所示，激光时空整形模块16由空间整形器39和时间整形器40构成，对飞秒激光器15发出的光束分别进行时域和空域参数的调整，使飞秒激光加工性能最佳。

在加工前，将样品9置于精密工作台10后，利用显微成像模块43对样品9进行粗对准，白光光源41发出的光经照明系统42、照明分光镜44、二向色镜b6、物镜7后生成平行光束均匀照射到样品9上，样品9散射的照明光经照明分光镜44反射后经成像透镜46成像到ccd47上，可得到样品9的位置和成像区域，进而可判断样品9的倾斜和位置。

其余与实施例2相同。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。