一种子脉冲时间间隔可调的激光脉冲序列硅孔加工系统

1.本发明涉及超快激光加工技术领域，具体的说是一种子脉冲时间间隔可调的激光脉冲序列的硅孔加工系统。


背景技术：

2.飞秒激光以超快、超强的特点著称，其具有分辨率高、热效应小、高度灵活等优点，在工业上可满足高质量、高精度加工的需求。激光加工制造技术发展之迅速，致使其在激光打孔、激光表面改性、激光増材制造、激光焊接、激光切割等方面有着不可取代的优越性。较低脉冲能量的飞秒激光在加工品质上可以满足工业要求，但相应的低加工效率大大限制了在生产中应用。而使用能流密度远超烧蚀阈值的高能量飞秒激光时，虽然加工效率有所提高，但与此同时激光导致的热影响区扩大、重熔物质增多，烧蚀喷出物沉积对基片造成损伤和污染，烧蚀的精确性和平整性明显下降。
3.现有技术的高能量飞秒激光加工的品质无法保证，加工品质的下降导致一系列重要的应用问题，比如制造业中核心元器件的性能和寿命会受到影响，制药领域中微纳尺度下的化学反应动力学无法精确控制，安全性和效率难以保证，医疗美容产业中烧蚀点位周围的正常组织和皮肤易被“误伤”等。


技术实现要素：

4.本发明公开了一种子脉冲时间间隔可调的激光脉冲序列硅孔加工系统，采用调控法布里珀罗腔中一对平行的零锥度分束片的间距，产生子脉冲时间间隔在δt = 1~3500 ps范围内连续可调的脉冲序列，精准控制后续子脉冲到达样品表面的时间，从而优化烧蚀的动力学过程，实现对喷出物质的二次烧蚀，减少孔周围的重熔物质堆积，减少喷出物沉积对样品表面的污染和损伤，进一步提高硅孔表面的加工质量。
5.实现本发明目的的具体技术方案是：一种子脉冲时间间隔可调的激光脉冲序列硅孔加工系统，其特点是采用法布里珀罗腔与光源输入单元、样品加工单元和同轴监测单元组成的硅孔加工系统，产生子脉冲时间间隔在δt = 1~3500 ps范围内连续可调的脉冲序列，精准控制后续子脉冲到达硅片表面的时间，实现对喷出物质进行二次烧蚀的硅孔加工，所述光源输入单元由激光器与圆形渐变中性滤光片、偏振分束立方、四分之一波片依次连接的光路构成；所述法布里珀罗腔由一对平行设置的零锥度第一分束片和第二分束片组成；所述第二分束片设置在一维电控平移台上；所述样品加工单元由反射镜和物镜连接的光路与三维平移台组成；所述同轴监测单元由分束镜和白光光源依次连接的光路与ccd相机组成；所述激光器发出的激光经圆形渐变中性滤光片的功率调控后通过偏振分束立方和四分之一波片进入法布里珀罗腔，形成能量递减的脉冲序列由第二分束片通过反射镜和物镜连接的光路，将激光束汇聚在三维平移台上的硅片表面进行微孔加工；所述白光光源由分束镜通过反射镜和物镜到达硅片表面，其反射光沿原路径返回，并由ccd相机进行实时成像，实现硅孔加工过程的同步监测和校正。
6.所述偏振分束立方四分之一波片构成光隔离器，用于防止反射光返回激光器造成可能的损伤，输出圆偏振光；所述法布里珀罗腔，由一对平行的零锥度第一分束片和第二分束片组成，第一分束片固定在一维电控平移台上，通过调节第二分束片在一维电控平移台上的位置改变第一分束片和第二分束片的距离，激光脉冲的部分能量在法布里珀罗腔内来回反射，在第二分束片后形成能量递减的脉冲序列，脉冲序列的子脉冲时间间隔可灵活调节；所述脉冲序列经反射镜、物镜汇聚于三维平移台上的样品硅片表面；所述白光光源、分束镜和ccd相机构成实时成像系统，可对加工过程进行同步监测和校正。
7.本发明与现有技术相比具有以下有益技术效果和优点：1）采用偏振分束立方与四分之一波片构成光隔离器，可以使激光单向传播，将第一分束片反射回的光与入射光分离，避免其返回激光器。偏振分束立方使得p偏振光和s偏振光一个反射一个透射，激光在通过四分之一波片后，激光器输出的线偏振光会变为圆偏振光，到达第一分束片发生反射，反射光经过四分之一波片后，由圆偏光变成偏振方向与原入射光的偏振方向垂直的线偏振光，此反射光会经偏振分束立方反射，使反射光不会回到激光器，有效地保护了激光器，避免了反射光返回激光器可能造成的损伤。
8.2）法布里珀罗腔可灵活控制腔中第二分束片的位置来改变一对平行的零锥度分束片的间距，产生子脉冲时间间隔在δt = 1~3500 ps范围内连续可调的脉冲序列，大范围连续可调性满足了科研需求，有助于探究烧蚀规律、寻找最优参数范围。通过控制子脉冲时间间隔，精准控制后续子脉冲到达样品表面的时间，从而优化烧蚀的动力学过程，在合适的子脉冲时间间隔，后续子脉冲恰好能够再次烧蚀喷出的熔融材料，减少孔周围的重熔物质堆积，提升孔型烧蚀质量。
9.3）采用加工样品和同轴监测同步进行的方式，方便快捷的完成对加工过程进行同步监测和校正。
10.4）显著减少边缘重熔物质堆积，避开了飞秒激光在高能流密度下重熔物质多的不良影响，显著提高加工质量，是飞秒激光加工工艺提升非常有效的方法。
附图说明
11.图1为本发明结构示意图；图2为能量递减脉冲序列示意图；图3为高斯脉冲烧蚀的硅孔sem图；图4为本发明烧蚀的硅孔sem图；图5为本发明烧蚀的另一硅孔sem图。
具体实施方式
12.参阅附图1，本发明由光源输入单元、法布里珀罗腔、样品加工单元和同轴监测单元组成，所述光源输入单元由激光器1与圆形渐变中性滤光片2、偏振分束立方3、四分之一波片4依次连接的光路构成；所述法布里珀罗腔由一对平行设置的零锥度第一分束片5和第二分束片6组成；所述样品加工单元由反射镜8和物镜9连接的光路与三维平移台10组成；所述同轴监测单元由ccd相机13与依次连接的分束镜11和白光光源12组成。
13.所述光源输入单元和法布里珀罗腔的具体工作过程如下：从激光器1出射的激光脉冲垂直入射到圆形渐变中性滤光片2上，圆形渐变中性滤光片2对激光功率进行连续调节后到达偏振分束立方3与四分之一波片4构成的光隔离器，防止反射光返回激光器造成可能的损伤，输出圆偏振光；所述法布里珀罗腔由一对平行的零锥度的第一分束片5和第二分束片6组成，激光脉冲到达法布里珀罗腔，通过调节第二分束片6在一维电控平移台上的位置改变第一分束片5和第二分束片6的距离，激光脉冲的部分能量在法布里珀罗腔来回反射，在第二分束片6后形成能量递减的脉冲序列，脉冲序列的子脉冲时间间隔可通过调节第一分束片5和第二分束片6之间的间距，实现激光器1的脉冲选择输出功能可调节脉冲序列的个数。
14.所述样品加工单元和同轴监测单元的具体工作过程如下：激光脉冲经反射镜8、物镜9汇聚于三维平移台10上的样品硅片表面；所述白光光源12、分束镜11和ccd相机13构成实时成像系统，白光光源12发出白光通过分束镜11、反射镜8以及物镜9到达样品硅片表面，然后白光再经过样品硅片表面的反射，通过过物镜9、反射镜8以及分束镜11进入ccd相机13中，此过程可对加工过程进行同步监测和校正。
15.参阅附图2，所述法布里珀罗腔生成脉冲序列的工作过程如下：所述法布里珀罗腔由一对互相平行且与光路垂直的零锥度分束片构成，第一分束片5和第二分束片6的镀膜面相对放置。激光脉冲入射到第一分束片5和第二分束片6时会以确定的能量比例分为两个脉冲，其中一个被反射，另一个发生透射。其原始光照射第一分束片5时的透射部分将进入法布里珀罗腔，透射脉冲遇到第二分束片6再次发生分光，透射部分形成脉冲序列中的第一个子脉冲，反射部分回到第一分束片5再次分光，如此往复不断地输出子脉冲。每发生一次分光，反射脉冲能量就会衰减一次，最终输出的子脉冲光强序列为依次递减的等比数列。子脉冲的时间间隔即为脉冲在法布里珀罗腔中来回反射一次的时间，子脉冲的时间间隔可通过控制第一分束片5和第二分束片6间距连续调节。
[0016] 通过以下基于飞秒激光脉冲序列寻找硅孔型烧蚀质量最优参数的具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0017]
实施例1使用的激光器1为light conversion公司的pharos系列产品，出射脉冲中心波长为1030 nm，脉宽为169 fs，重复频率设为1 khz，光场分布为高斯分布，输出水平线偏振光，通过激光器1的选择输出功能可调节脉冲序列的个数；圆形渐变中性滤光片2为汇博光学公司的cvnd30
‑
b100a型号；使用的偏振分束立方3为麓邦科技公司的mpbs24
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1030
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hp型号；四分之一波片4为thorlabs公司的aqwp05m
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980型号；第一分束片5和第二分束片6为大恒光电公司的gcc
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4111型号；物镜9为nikon公司的数值孔径为na = 0.25，汇聚于硅样品表面的光斑直径为8.3 μm；样品三维平移台10为上海联谊公司的xyzm148h
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150d型号；白光光源12为睿鑫电子公司的ty
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m
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1型号；ccd相机13为微视界公司的ucmos型号；一维电控平移台为上海联谊公司的xmf198
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500s型号，行程为530 mm，精度为2μm。采用的第一分束片5和第二分束片6的反射率分别为r1 = 94.3%和r2 = 78.5%，脉冲序列的衰减系数为r1
×
r2 = 74.0%。子脉冲的时间间隔即为脉冲在法布里珀罗腔中来回反射一次的时间，可通过一维电控平移台控制第一分束片5和第二分束片6间距连续调节子脉冲时间间隔，产生子脉冲时间间隔
在δt = 1~3500 ps范围内连续可调的脉冲序列。
[0018]
参阅附图3，利用脉冲序列个数为200的原始高斯脉冲烧蚀的孔壁周围出现大量重熔物，烧蚀喷出物沉积在表面造成损伤和污染，表面粗糙。图中a为孔周围的重熔物质堆积，b为喷出物沉积对样品表面的污染和损伤。可以看出孔周围的重熔物质有严重堆积，喷出物沉积对样品表面的污染和损伤严重。
[0019]
参阅附图4，使用本发明分别改变子脉冲时间间隔和脉冲序列的个数，寻找硅片的最适条件的时间间隔在100 ps左右时，脉冲序列的个数为200，激光烧蚀得到的孔型圆度最高、表面最平整、品质最好。图中a为孔周围的重熔物质堆积，可以看出孔周围的重熔物质明显减少，几乎看不到喷出物沉积。
[0020]
参阅附图5，使用本发明脉冲序列的个数为200，脉冲序列的子脉冲时间间隔在500 ps，重熔物质出现堆积，热影响区较大且对基片造成了损伤和污染。图中a为孔周围的重熔物质堆积，介于原始高斯脉冲烧蚀情况和基于飞秒激光脉冲序列（时间间隔为100ps）的情况之间，b为喷出物沉积对样品表面的污染和损伤也介于两种情况之间。
[0021]
上述实施例充分证明了本发明的有效性，飞秒激光高重复频率脉冲序列在合适的参数下具有优越性。以上只是对本发明做进一步说明，并非用以限制本发明专利，凡为本发明等效实施，均应包含于本发明专利的权利要求范围之内。