一种时间整形器的制作方法

本发明涉及飞秒激光脉冲整形技术领域，具体涉及一种时间整形器。

背景技术：

在硅加工、集成电路(ic)后端处理、微电子封装和太阳能制造等各个行业中，随着晶圆厚度不断缩小，脆性材料加工面临着严峻的挑战，并且对其制造的精度(刻线宽度)、品质(崩边、粗糙度等)都提出了更高的要求，催生了飞秒激光脉冲整形技术的诞生。时间整形是将一个激光脉冲整形成为几个子脉冲，且子脉冲之间的时间延迟、子脉冲的数目、子脉冲的能量均可以按照实际的需要进行整形。时间整形后的飞秒激光脉冲由于能更灵活多样地进而更深刻影响材料相变等过程，因而为实现高精度、高质量、高效率的材料加工提供了更大便利，尤其在精密钻孔、划线、切割(例如玻璃、硅晶圆切割)和打标方面具有明显的优势。

如图1所示，现有的飞秒激光脉冲时间整形器主要是4f时间整形器，入射的飞秒激光脉冲以一定角度照射到第一光栅101上，在横向产生色散，不同的频率成分的激光以不同的衍射角度入射到柱面镜上，由于光栅中心到第一透镜102的中心的距离为f，则入射的激光经过第一光栅101和第一透镜102后，实现了时域到频域的傅里叶变换，且不同频率成分的光在空间上依次分布。而位于第一透镜102焦平面的位相板103能够对不同频率成分的光进行独立调制，可调控的量包括相位、振幅及偏振。通过位相板103后的激光入射到第二透镜104后聚焦到第二光栅105上，经第二光栅105压缩后射出，实现了频域到时域的转换。一般此类位相板103使用的介质材料通常是折射率受光或者声子显著影响的材料，其脉冲延时的控制精度取决于电压的控制精度。4f时间整形器在脉冲延时的控制精度、高阶色散的抑制、加工光斑的对正等方面具有优势，但其也具有明显的劣势：转换效率低(仅为60％左右)、子脉冲能量/偏振调控能力差、脉冲延时的调控范围小且价格极为昂贵(价格在八十万左右)。这对于一些重要透明材料加工造成困难，因为透明材料的加工阈值很高；此外如果提供的脉冲延时较小也极大地限制了飞秒激光对于硬脆透明材料的加工能力。

目前还有另一种基于光程差原理的飞秒激光脉冲时间整形器，通过将激光分成两路光束，然后调节光路上的反射镜从而使两路光束产生不同的光程差最后再进行合束，实现时间整形；该方法能量利用率较高、且产生的脉冲延迟可以调节，但是只能产生两个子脉冲，并且对合束镜、分光镜等空间姿态的要求极高，装调非常困难。

技术实现要素：

为了解决现有的基于4f结构的飞秒激光脉冲时间整形器转换效率低、价格极为昂贵、装调困难，以及基于光程差原理的飞秒脉冲时间整形器对合束镜、分光镜等空间姿态的要求极高，装调困难的技术问题，本发明提供了一种转换效率高、成本低、结构简单易装调的时间整形器。

本发明的技术方案是：

一种时间整形器，其特殊之处在于：包括棱镜组、反射镜和合束镜组；

所述棱镜组包括第一棱镜、第二棱镜，…，第n棱镜；第一棱镜、第二棱镜，…，第n-1棱镜上均镀制有分光膜；n≥2；

所述合束镜组包括第一合束镜，…，第n-1合束镜；第一合束镜、…、第n-1合束镜上均镀制有分光膜；

第二棱镜，…，第n棱镜依次设置在所述第一棱镜的反射光路/透射光路上；

反射镜设置在第一棱镜的透射光路/反射光路上；

第一合束镜，…，第n-1合束镜依次设置在所述反射镜的反射光路上，且分别位于所述第二棱镜，…，第n棱镜的反射光路上。

进一步地，定义第一棱镜的透射光束为子脉冲一，第一棱镜的反射光束为子脉冲二，在子脉冲一和/或子脉冲二的传播路径上设有光阑；n＝2。

或者，定义第一棱镜的透射光束为子脉冲一，第一棱镜的反射光束为子脉冲二，第二棱镜的透射光束为子脉冲三，…，第n-1棱镜的透射光束为子脉冲n；n≥3；

在子脉冲一、子脉冲二、子脉冲三…，子脉冲n的传播路径上均分别设置有光阑；或者，在子脉冲一、子脉冲二，…，子脉冲n中的一个或多个子脉冲的传播路径上分别设置有光阑。

进一步地，第一棱镜、第二棱镜，…，第n棱镜均为等腰棱镜。

进一步地，第一棱镜、第2棱镜，…，第n棱镜尺寸相等或不相等。

进一步地，第一棱镜、第2棱镜，…，第n棱镜材质相同。

进一步地，所述光阑为电控可变光阑。

本发明的优点是：

1.能量转换效率高

由于本发明只存在光学元件间的透过率衰减，光能损失小，光能利用率(即转换效率)可以达到90％以上。

2.成本低

本发明结构简单、成本低，易于实现，有利于实际应用。

3.易于装调

与传统方案产生光程差原理不同，本发明是基于光学元件材料与空气折射率差异产生光程差，整个装置中无运动器件，并且采用了易于装调的棱镜，能够有效保证合束精度，对反射镜的空间姿态要求较低，装调更便捷。

4.易于保证合束精度

针对现有分束与合束之间存在的各类误差例如分光镜法向与入射光之间角度误差会造成分束比、聚焦光斑圆度的问题，导致两个或者多个子脉冲能量比与1:1偏差较大，或者两个子脉冲的空间特性不一致(一个为圆形一个为椭圆)，采用了易于装调的棱镜，使得光束易于合束；

5.简化了子脉冲之间的能量调制

通过调节电控可变光阑即可灵活实现子脉冲序列间的能量调制，和/或通过对棱镜的分光面进行膜层比例设计实现子脉冲序列能量比的调制。

6.可产生两个及以上子脉冲，能够满足激光加工的实际需求，拓宽了激光加工能力，有利于提高超快激光加工的品质及效率。

7.时间整形精度高

棱镜与传统利用调节反射镜产生光程差的方案相比，由于棱镜的基准面精度高，因而装调精度更高，故整个时间整形器的精度更高。

附图说明

图1是现有的4f时间整形器的原理示意图。

图2是本发明实施例的原理示意图。

附图标记说明：

101-第一光栅，102-第一透镜，103-位相板，104-第二透镜，105-第二光栅；

201-第一等腰棱镜，202-第二等腰棱镜，203-第三等腰棱镜，204-第一光阑，205-第二光阑，206-反射镜，207-第一合束镜，208-第二合束镜，209-子脉冲一，210-子脉冲二，211-子脉冲三。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图2所示，本发明的时间整形器基于光程差的原理实现时间整形，主要由等腰棱镜组、光阑组、反射镜组等构成，其中光程差主要由光路中的等腰棱镜组实现(等腰棱镜的数量取决于系统需要产生几个子脉冲)，子脉冲之间的能量比由电控可变光阑实现。

实施例1：

本实施例能够产生两个子脉冲，组成如图2中实线部分的光路所示，包括第一等腰棱镜201；飞秒激光器输出的超快激光脉冲入射至第一等腰棱镜201后分为两路：在子脉冲一209的光路(即透射光路)上依次设置有第一光阑204和反射镜206；在子脉冲二210的光路(即反射光路)上依次设置有第二光阑205和第二等腰棱镜202；

在子脉冲一209经反射镜206反射的反射光路与子脉冲210经第二等腰棱镜202反射的反射光路的交汇处，设置有第一合束镜207；

第一等腰棱镜201和第一合束镜207的入射面上均设置有半透半反膜(分光比为1:1)。

第一等腰棱镜201、第二等腰棱镜202的半腰长相等，均记为l；第一等腰棱镜201、第二等腰棱镜202的折射率与空气折射率之间的差值相等，均记为△n。

飞秒激光器输出的超快激光脉冲进入第一等腰棱镜201，被分为能量相等的子脉冲一209和子脉冲二210(当分光比为1:1时)，子脉冲二210的光路与子脉冲一209的光路之间的光程差和时间延迟的通用计算公式为：光程差△s＝△n×l，时间延迟△t＝△s/c；c为光速；l为光的传播路径长度。

若n1为空气折射率，n2为单个等腰棱镜的折射率，d为单个反射镜的厚度，n3为单个反射镜的折射率，c为光速。那么子脉冲二210与子脉冲一209的时间延迟为：[(n2-n1)l1+n2l2/2-n3d/0.707]/c。

子脉冲一209被反射镜206反射后入射至第一合束镜207，子脉冲二210被第二等腰棱镜202反射后入射至第一合束镜207，由于第一合束镜207上镀制有半透半反膜，因而第一合束镜207可将子脉冲一209与子脉冲二210合束输出，从而得到由任意能量比、时间间隔为△t的子脉冲一209和子脉冲二210构成的超快子激光脉冲序列。

若想调整子脉冲一209与子脉冲二210之间的能量比例，可以通过调节第一光阑204和/或第二光阑205实现；第一光阑204和第二光阑205优选电控可变光阑。

实施例2：

如图2中整个光路(实线+虚线部分)所示，为了产生三个子脉冲，可以在第二等腰棱镜202的反射面上镀半透半反膜，这样子脉冲二210经第二等腰棱镜202透射后得到子脉冲三211，在子脉冲三211的光路上还设置有第三等腰棱镜203；在子脉冲三211经第三等腰棱镜203反射的反射光路与子脉冲二210经第一合束镜207反射的反射光路的交汇处还设置有第二合束镜208。

第二合束镜208的入射面上镀有半透半反膜。

第三等腰棱镜203与第一等腰棱镜201、第二等腰棱镜202的半腰长相等，也为l；第三等腰棱镜203的折射率与空气折射率之间的差值也为△n。

子脉冲一209被反射镜206反射后入射至第一合束镜207，子脉冲二210被第二等腰棱镜202反射后入射至第一合束镜207，由于第一合束镜207上设置有半透半反膜；

子脉冲一209的一部分被第一合束镜207透射后被第二合束镜208反射；子脉冲二210的一部分被第一合束镜207反射后也被第二合束镜208反射；子脉冲三211被第三等腰棱镜203反射后被第二合束镜208透射；从而，第二合束镜208实现了子脉冲一209、子脉冲二210和子脉冲三211的合束输出，得到子脉冲一209、子脉冲二210和子脉冲211构成的超快子激光脉冲序列。

若n1为空气折射率，n2为单个等腰棱镜折射率，d为单个反射镜的厚度，c为光速。则子脉冲二210与子脉冲一209的时间延迟为：[(n2-n1)l1+n2l2/2-n3d/0.707]/c，子脉冲三211与子脉冲二210的时间延迟为：[(n2-n1)l1/2-n3d/0.707]/c。

为方便调节能量比，在子脉冲三211的传播路径上可设置第三光阑(图中未示出)，第三光阑可位于第二等腰棱镜202与第三等腰棱镜203之间，也可位于第三等腰棱镜203与第二合束镜208之间。

在实际应用中，可利用上述实施例1、2的方式，依次类推，实现＞3束子脉冲。