一种飞秒激光高效率加工大深径比高质量微孔的方法
【专利摘要】本发明涉及激光应用领域，尤其涉及一种飞秒激光高效率加工大深径比高质量微孔的方法。本发明的加工方法，将近红外飞秒激光单脉冲利用飞秒激光光学参量放大器将近红外飞秒激光单脉冲的波长调节为可见光，然后利用迈克尔逊干涉仪结构的光路将其调制为激光双脉冲，再利用连续衰减片调整激光双脉冲的总能量；再将所得到的可见光双脉冲穿过光学快门，并通过物镜后垂直聚焦于待加工样品的上表面；最后利用光学快门控制可见光双脉冲的曝光时间，进而调整照射到待加工样品表面的激光脉冲个数，直至加工微孔的深度达到饱和。本发明的加工方法能够有效提高微孔加工的深径比和质量。
【专利说明】一种飞秒激光高效率加工大深径比高质量微孔的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及激光应用领域，尤其涉及一种飞秒激光高效率加工大深径比高质量微孔的方法。
【背景技术】
[0002]激光加工大深径比微孔在微光学元件、微电子器件、微生物学以及微化学领域中都有着广泛的应用。玻璃、陶瓷和聚合物等宽禁带材料拥有价格低廉，透明度高和易于塑形等优点，尤其是PMMA材料，在可见光范围内具有高的光穿透性，还有低的烧蚀效率和玻璃化转变温度，非常适合应用于微光学等领域的微孔加工。
[0003]相较于连续激光，脉冲激光可以调控脉冲持续时间和重复频率，在微孔加工中更加具有优势。在文献 S.Lazare, J.Lopez, and F.ffeisbuch:Appl.Phys.A69, SI (1999)中，作者通过降低光束发散度和改善光束均匀性的方法，使用纳秒激光加工出了大深径比的微孔，但当深径比增加的时候，这种加工的精度很差，因而不适合应用于大深径比、高精度加工领域，例如:染料喷射器、喷丝头和喷油嘴等。相比于纳秒激光，飞秒激光可以在很短的时间内将能量沉积到材料中，其热影响区显著降低，不会发生熔融和凝固现象，从而可以获得相对于纳秒激光更高的加工精度。在文献Y.Zhang, R.M.Lowe, E.Harvey, P.Hannaford, A.EndoiApp1.Surf.Sc1.186，345(2002)中，作者使用800nm波长的飞秒激光单脉冲在聚合物上加工出了深径比大于10的微孔，其直径为20-40 μ m，深度为300-400 μ m。但是使用传统红外波段飞秒激光(多数为单脉冲)加工方式，在给定的能量条件下，很难突破衍射极限，力口工出直径更小的孔；而且在大能量条件下，孔深也不会持续随着激光能量的增加而增长，孔径的扩大还会造成深径比降低，并伴随着孔壁粗糙度升高，孔尾端分叉等现象。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是为了克服飞秒激光加工微孔时效率低、深径比小、质量差的不足，提供一种采用可见光双脉冲技术来整体改善飞秒激光加工微孔的方法。该方法通过调节超快激光双脉冲的子脉冲延时、波长、能量等参数，有效调控局部瞬时电子动态，从而改变其对应材料特性和相应的激光与材料相互作用过程，提高激光加工微孔的效率、深径比和质量。
[0005]本发明的目的是通过以下技术方案来实现:
[0006]本发明的一种飞秒激光高效率加工大深径比高质量微孔的方法，所述方法包括以下步骤:
[0007]步骤I)采用飞秒激光系统产生近红外飞秒激光单脉冲，利用飞秒激光光学参量放大器将近红外飞秒激光单脉冲的波长调节为可见光，然后利用迈克尔逊干涉仪结构的光路把激光单脉冲调制为激光双脉冲，再利用连续衰减片调整激光双脉冲的总能量不小于待加工样品的加工阈值；
[0008]步骤2)使步骤I)中所得到的可见光双脉冲穿过光学快门，并通过物镜后垂直聚焦于待加工样品的上表面；
[0009]步骤3)利用光学快门控制可见光双脉冲的曝光时间，进而调整照射到待加工样品表面的激光脉冲个数，直至加工微孔的深度达到饱和。
[0010]所述待加工样品为宽禁带透明材料，包括玻璃、晶体、陶瓷和聚合物。
[0011]进一步的，步骤I)中，可见光波长调节范围为480-780nm。
[0012]进一步的，步骤I)中，双脉冲两个子脉冲之间的延时时间为100_300fs。
[0013]进一步的，步骤2)中，借助纵向C⑶和纵向白光光源实现待加工样品的上表面成像并用以检测激光聚焦。
[0014]进一步的，步骤3)中，借助横向CXD和横向白光光源实时监测微孔的加工形貌。
[0015]进一步的，步骤3)中，可以使用氮气吹走加工过程中产生的碎屑。
[0016]有益效果:
[0017]本发明通过将激光波长调节至可见光波段，并通过时域整形生成双脉冲序列，实现高效率微孔加工，与传统的飞秒激光制造方法相比，能够有效提高微孔加工的深径比和质量。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为本发明飞秒激光可见光双脉冲加工方法的光路图；
[0019]其中，1-飞秒激光器；2_飞秒激光光学参量放大器；3_连续衰减片；4_分光棱镜；5-合光棱镜；6_第一反射镜；7_第二反射镜；8_第三反射镜；9_第四反射镜；10-机械平移台；11-光纤光谱仪；12-自相关仪；13-光学快门；14-光学快门控制系统；15-二向色镜；16-物镜；17-待加工样品；18-6维精密移动平台；19-移动平台控制系统；20_纵向白光光源；21-纵向CXD ;22_横向白光光源23-横向CXD ;24_氮气装置。
[0020]图2为传统红外波段飞秒激光单脉冲加工方法与本发明加工方法加工微孔的形貌对比图。
【具体实施方式】
[0021 ] 下面结合附图和实施例对本发明的内容作进一步说明。
[0022]实施例
[0023]以加工PMMA聚合物(聚甲基丙烯酸甲酯)的微孔为例，采用本发明的飞秒激光可见光双脉冲加工方法，具体应用设备如下:
[0024]飞秒激光器I是美国光谱物理(Spectrum Physics)公司生产的激光器，激光波长800nm，脉冲宽度50fs，重复频率IKHz，单脉冲最大能量3mJ，光强分布为高斯型，线偏振。
[0025]飞秒激光光学参量放大器2为美国Light Conversion公司生产的T0PAS-C，可以将800nm的飞秒激光脉冲在290_2600nm波长范围内连续调节，调节精度为0.lnm。
[0026]迈克尔逊干涉仪结构组成部分包括:分光棱镜4，合光棱镜5，第一反射镜6、第二反射镜7、第三反射镜8、第四反射镜9，机械平移台10。通过调节机械平移台10的移动距离可以改变两个子脉冲间的延时。其中，机械平移台10调节范围为±25mm，调整精度为2um，则双脉冲延时调整范围为O — 83ps (首尾子脉冲最大间隔时间)，延时调节精度为6.6fs。
[0027]连续衰减片3为大恒光电GCC-3030圆形中性密度渐变滤光片，在可见光到红外光区内可通过调整镜片的旋转角度，改变吸收/反射光与透射光的比例来改变光衰减的大小，激光能量调节范围为1% — 90%。
[0028]光学快门13为Thorlabs公司生产的SH05，可以控制激光曝光时间，其开关响应时间为1ms。
[0029]具体加工步骤如下:
[0030](I)利用飞秒激光器I产生近红外飞秒激光单脉冲；然后利用飞秒激光光学参量放大器2调节激光波长为680nm，其中波长调节精度由光纤光谱仪11校正；激光单脉冲经过分光棱镜4后分为两束子脉冲光，其中反射子脉冲经由第一反射镜6、第二反射镜7反射，透射子脉冲经由安装在机械平移台10上的第三反射镜8、第四反射镜9反射，之后两束子脉冲光通过合光棱镜5合束，调制为双脉冲序列，其中手动控制机械平移台10的移动距离，使两束子脉冲在合光棱镜处的光程差为60 μ m,即两个子脉冲间的延时时间为200fs,其中延时零点由自相关仪12确认；再利用连续衰减片3调整激光双脉冲到达加工处的总能量为20μ J；
[0031](2)将飞秒激光可见光双脉冲穿过光学快门13、并通过二向色镜15反射到物镜16中垂直聚焦；待加工样品17水平固定在6维精密移动平台18上；借助纵向CCD21和白光光源20成像，通过平台控制系统19移动6维精密移动平台18使激光焦点位于水平放置的待加工样品17的上表面；
[0032](3)利用光学快门控制系统14将光学快门13的曝光时间设定为50ms，则一次开关照射到待加工样品17表面的激光脉冲个数为50个，逐次打开光学快门13，并借助横向(XD23和白光光源22实时监测微孔的加工形貌，直至孔深度达到饱和；加工过程中可以使用氮气24吹走从微孔底部喷溅出来的碎屑，防止碎屑干扰激光加工路径以及阻塞孔的入口。当脉冲个数为200个时孔加工深度饱和,孔深为890 μ m,深径比为91:1,且孔壁光滑，孔径均匀，孔尾端无分叉现象，其形貌如附图2中(b)所示。
[0033]对比例:
[0034]以加工PMMA聚合物(聚甲基丙烯酸甲酯)的微孔为例，采用传统的红外波段飞秒激光单脉冲加工方法，具体应用设备如下:
[0035]飞秒激光系统I是美国光谱物理(Spectrum Physics)公司生产的激光器，激光波长800nm，脉冲宽度50fs，重复频率ΙΚΗζ，单脉冲最大能量3mJ，光强分布为高斯型，线偏振。
[0036]连续衰减片3为大恒光电GCC-3030圆形中性密度渐变滤光片，在可见光到红外光区内可通过调整镜片的旋转角度，改变吸收/反射光与透射光的比例来改变光衰减的大小，激光能量调节范围为1% — 90%。
[0037]光学快门13为Thorlabs公司生产的SH05，可以控制激光曝光时间，其开关响应时间为1ms。
[0038](I)利用飞秒激光器I产生近红外飞秒激光单脉冲；关闭飞秒激光光学参量放大器2，不对激光波长作任何改变；使用遮光板挡住任意一路子脉冲光，再利用连续衰减片3调整剩余一路子脉冲光到达加工处的能量为20 μ J ;
[0039](2)将飞秒激光单脉冲穿过光学快门13、并通过二向色镜15反射到物镜16中垂直聚焦；待加工样品17水平固定在6维精密移动平台18上；借助纵向CCD21和白光光源20成像，通过平台控制系统19移动6维精密移动平台18使激光焦点位于水平放置的待加工样品17的上表面；
[0040](3)利用光学快门控制系统14将光学快门13的曝光时间设定为50ms，则一次开关照射到待加工样品17表面的激光脉冲个数为50个，逐次打开光学快门13，并借助横向(XD23和白光光源22实时监测微孔的加工形貌，直至孔深度达到饱和。加工过程中可以使用氮气24吹走从微孔底部喷溅出来的碎屑，防止碎屑干扰激光加工路径以及阻塞孔的入口。当脉冲个数为450个时孔加工深度饱和，孔深为552μπι，深径比为26:1，且孔壁粗糙，孔径粗细不均，孔尾端有分叉现象，其形貌如图2中(a)所示。
[0041]由实施例与对比例比较可见:
[0042](I)采用传统的红外波段单脉冲加工时，脉冲个数在450个时孔加工深度会趋于饱和，而当使用可见光双脉冲时，所用脉冲个数会降低到200个，其加工效率提高1.25倍。
[0043](2)在20 μ J的能量下，可见光双脉冲(波长680nm，两个子脉冲延时200fs)微孔加工的深度为890 μ m,深径比为91: 1，分别是传统红外波段单脉冲的1.61倍和3.45倍。而且可见光双脉冲方法加工出的微孔孔壁光滑，孔径均匀，孔尾端没有分叉现象。
【权利要求】
1.一种飞秒激光高效率加工大深径比高质量微孔的方法，其特征是所述方法包括以下步骤: 步骤I)采用飞秒激光系统产生近红外飞秒激光单脉冲，利用飞秒激光光学参量放大器将近红外飞秒激光单脉冲的波长调节为可见光，然后利用迈克尔逊干涉仪结构的光路把激光单脉冲调制为激光双脉冲，再利用连续衰减片调整激光双脉冲的总能量不小于待加工样品的加工阈值； 步骤2)使步骤I)中所得到的可见光双脉冲穿过光学快门，并通过物镜后垂直聚焦于待加工样品的上表面； 步骤3)利用光学快门控制可见光双脉冲的曝光时间，进而调整照射到待加工样品表面的激光脉冲个数，直至加工微孔的深度达到饱和。
2.如权利要求1所述的一种飞秒激光高效率加工大深径比高质量微孔的方法，其特征是:所述待加工样品为宽禁带透明材料。
3.如权利要求1所述的一种飞秒激光高效率加工大深径比高质量微孔的方法，其特征是:步骤I)中，可见光波长调节范围为480-780nm。
4.如权利要求1所述的一种飞秒激光高效率加工大深径比高质量微孔的方法，其特征是:步骤I)中，双脉冲两个子脉冲之间的延时时间为100-300fs。
5.如权利要求1所述的一种飞秒激光高效率加工大深径比高质量微孔的方法，其特征是:步骤2)中，借助纵向CCD和纵向白光光源实现样品的上表面成像并用以检测激光聚焦。
6.如权利要求1所述的一种飞秒激光高效率加工大深径比高质量微孔的方法，其特征是:步骤3)中，借助横向CCD和横向白光光源实时监测微孔的加工形貌。
7.如权利要求1所述的一种飞秒激光高效率加工大深径比高质量微孔的方法，其特征是:步骤3)中，使用氮气吹走加工过程中产生的碎屑。
【文档编号】B23K26/0622GK103878496SQ201410151016
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年4月15日 优先权日:2014年4月15日
【发明者】姜澜, 房巨强, 曹强 申请人:北京理工大学