基于光栅光阀角色散补偿的飞秒激光扫描刻写装置及方法与流程

本发明属于微纳光学及光学元件加工制造领域，尤其涉及一种基于光栅光阀角色散补偿的飞秒激光扫描刻写装置及方法。

背景技术：

1、光栅光阀(grating light valve，glv)作为一种常用的相位型光学调制器件，已在基于连续激光的商业型线扫描刻写系统中得到广泛应用，基于高速扫描器件和glv本身高的刷新频率，具有高效率刻写的能力。但由于glv本身的衍射光栅属性，与飞秒激光结合使用时，飞秒激光经过glv将产生角色散，该角色散将导致飞秒激光不同波长成分在空间和时间上分离，从而大幅度降低飞秒激光功率密度，激光强度无法达到刻写阈值，将难以实现刻写功能，因此目前尚未有基于光栅光阀的飞秒激光直写设备用于生产，在文献中也鲜有相关技术被报道。研究如何消除飞秒激光在glv器件中产生的角色散问题，将有利推进该glv器件在飞秒激光直写设备中的应用。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于光栅光阀角色散补偿的飞秒激光扫描刻写装置及方法。本发明基于飞秒激光和光栅光阀(glv)，通过glv对飞秒激光线形光斑进行强度调制，并引入角色散补偿模块，消除飞秒激光通过glv时产生的角色散，最终得到任意目标强度分布的飞秒激光线光场以实现高速扫描刻写。

2、本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：本发明实施例第一方面提供了一种基于光栅光阀角色散补偿的飞秒激光扫描刻写装置，按光前进方向依次包括飞秒激光光源、第一柱面透镜、第二柱面透镜、偏振分束棱镜、光栅光阀、透镜、四分之一波片、反射镜、套筒透镜、物镜和位移台，其中，所述第一柱面透镜和所述第二柱面透镜组成4f系统，所述光栅光阀、所述透镜和所述反射镜组成角色散补偿模块，所述套筒透镜和所述物镜组成成像系统；

3、该装置的光学路径具体包括：所述飞秒激光光源生成的入射激光经过所述4f系统一维扩束成线形光斑，该线形光斑从所述偏振分束棱镜透射，并垂直入射到所述光栅光阀，通过所述光栅光阀的各子单元对入射的线形光斑的各子区域进行强度独立调控，以输出任意强度分布的一级衍射光线形光斑，该线形光斑随后依次经过所述透镜和所述四分之一波片垂直入射到所述反射镜上，通过所述角色散补偿模块补偿飞秒激光的角色散，飞秒激光经过所述反射镜反射后沿原光路返回，再依次经过所述四分之一波片、所述透镜、所述光栅光阀和所述偏振分束棱镜，经由所述偏振分束棱镜反射后入射到所述套筒透镜，通过所述成像系统将所述光栅光阀表面的光场成像到所述物镜的焦面，最终在所述物镜的焦面得到所需的飞秒激光线光场，其中所述物镜的焦面位于所述位移台所承载的样品内，通过所述位移台的扫描，使得飞秒激光线光场扫描样品内的不同位置。

4、进一步地，所述第一柱面透镜的焦面和所述第二柱面透镜的焦面重合。

5、进一步地，所述入射的飞秒激光经过4f系统一维扩束成线形光斑的方法具体包括：所述飞秒激光光源输出的光斑经过第一柱面透镜后在一维方向上汇聚，传输到第二柱面透镜时呈发散状态，一维发散的光斑经过第二柱面透镜后被调制成平行传输的线形光斑。

6、进一步地，所述线形光斑相对于初始飞秒激光光斑直径，在x方向上实现了f2/f1比例的扩束，其中f1和f2分别为第一柱面透镜和第二柱面透镜的焦距，f1和f2的大小根据光栅光阀的光学窗口尺寸和初始飞秒激光光斑直径的大小确定。

7、进一步地，所述飞秒激光光源生成的入射激光具有水平偏振，一维扩束后的线形光斑为具有水平偏振的线偏光，该线偏光经偏振分束棱镜透射后入射到光栅光阀表面，光栅光阀出射的一级衍射光束向前传输，该一级衍射光束仍具有水平偏振属性，直到经过四分之一波片后变为圆偏振光，该圆偏振光垂直入射到反射镜上，反射镜将圆偏振光反射回原光学路径，再次经过四分之一波片后由圆偏振光变为垂直偏振光，该垂直偏振光经过光栅光阀向前传输到偏振分束棱镜，偏振分束棱镜对该垂直偏振光进行反射后进入套筒透镜和物镜所在刻写光路。

8、进一步地，所述光栅光阀由n个相同子单元在x方向上并行排列成一维阵列，每个所述子单元由多个条状结构在y方向上并行排列而成；所述条状结构分为固定条和可动条，所述固定条和所述可动条周期间隔分布，所述固定条始终固定不动，所述可动条在电压驱动下沿z轴向下产生位移，其中可动条产生的位移大小根据施加的驱动电压确定。

9、进一步地，所述通过所述光栅光阀的各子单元对入射的线形光斑的各子区域进行强度独立调控，以输出任意强度分布的一级衍射光线形光斑，具体包括：通过控制光栅光阀的子单元中可动条的位移大小连续调节该子单元的一级衍射光的光强，以完成光栅光阀的各子单元出射的一级衍射光的光强的独立调控，获取任意光强分布的一级衍射光线形光斑；

10、所述一级衍射光的光强和所述位移大小的关系为：其中i1为一级衍射光的光强，imax为一级衍射光的光强最大值，σ为可动条的位移大小，独立调控。

11、进一步地，所述条状结构的表面镀膜，具有反射激光的作用。

12、进一步地，所述通过所述角色散补偿模块补偿飞秒激光的角色散的补偿原理具体包括：将光栅光阀设置于透镜的焦面处，从光栅光阀以不同角度出射的不同波长的飞秒激光，经过透镜汇聚后，将在空间不同位置以相同角度平行于光轴向前传输，反射镜垂直于光轴放置，不同波长的飞秒激光垂直入射到反射镜上，经反射镜反射后沿原光路返回，由于光路的可逆性，不同波长的飞秒激光平行于光轴传输回透镜，并经过透镜后以不同入射角重新汇聚到光栅光阀表面，在光栅光阀表面不同波长成分在空间上重新重叠，基于光栅光阀的衍射光栅属性和光路可逆性原则，不同波长的飞秒激光再次从光栅光阀出射后，将以相同角度出射并沿原光路返回，完成对飞秒激光的角色散的补偿。

13、本发明实施例第二方面提供了一种基于上述的基于光栅光阀角色散补偿的飞秒激光扫描刻写装置的扫描刻写方法，该方法具体包括：飞秒激光光源生成水平偏振的飞秒激光，水平偏振的飞秒激光经过由第一柱面透镜和第二柱面透镜组成的4f系统，将入射的飞秒激光在一维方向上扩束成线形光斑，该线形光斑经偏振分束棱镜透射后入射到光栅光阀，光栅光阀各子单元对覆盖其上的线形光斑的子光斑区域进行调控，采用光栅光阀的一级衍射光作为刻写光斑，通过控制子单元内可动条的位移大小控制一级衍射光的光强，以输出任意目标强度分布的线光场；从光栅光阀输出的一级衍射光束具有角色散，通过角色散补偿模块包含的光栅光阀、透镜和反射镜补偿角色散，其中光栅光阀位于透镜的焦面处，波长的飞秒激光从光栅光阀以不同角度向前发散传输，经透镜后，不同波长成分以相同角度向前平行传输，经过四分之一波片后再垂直入射到反射镜，经反射镜反射后沿原光路返回，再原光学路径经过四分之一波片、透镜和光栅光阀，再次从光栅光阀出射时复原到其初始无角色散状态；其中四分之一波片用于改变飞秒激光的偏振态，经过四分之一波片两次后飞秒激光由水平偏振变为垂直偏振；飞秒激光经偏振分束棱镜反射后进入套筒透镜所在光路，由套筒透镜和物镜组成的成像系统将光栅光阀表面的光场成像到物镜的焦面，在物镜的焦面得到目标强度分布的无角色散的飞秒激光线光场，结合位移台的扫描，使该线光场依次扫描位移台所承载样品的不同位置，以完成快速扫描刻写。

14、本发明的有益效果是，本发明结合飞秒激光和光栅光阀(glv)，通过glv对飞秒激光线光场的光斑进行强度调制，并引入角色散补偿模块对飞秒激光在glv中产生的角色散进行补偿，最终在物镜焦面产生无角色散的具有任意目标强度分布的飞秒激光线光场；glv的响应速度极快，结合位移台的高速同步扫描，使每个扫描位置同步切换不同强度分布的线光场，可实现高效、灵活的灰度刻写和高均匀结构加工。