一种具备时空整形功能的大深径比微孔加工装置及方法

本发明涉及微孔加工装置及方法，具体涉及一种具备时空整形功能的大深径比微孔加工装置及方法。

背景技术：

1、微纳结构通常具备增透、消光、减阻、防覆冰、隐身、防腐蚀等功能，在航空航天、微电子器件、柔性光子器件、全微分析系统、微型反应器、微机电系统(mems)、微型光学器件等方面都展示了极富前景的能力。例如：半导体探测器微纳结构能够有效提高光子耦合效率和等效光程，突破传统体材料的吸收极限，提高光电器件的量子效率并降低器件的暗电流，为高性能红外探测器的研究提供了全新的技术手段。微纳制造作为支撑微纳技术走向应用的基础，被认为是先进制造技术国际竞争的焦点之一。

2、目前对于微纳结构的传统加工手段主要包括以下四种：

3、1、化学刻蚀：指通过曝光制版、显影后，将要蚀刻区域的保护膜去除，在蚀刻时接触化学溶液，达到溶解腐蚀的作用，形成凹凸或者镂空成型的效果。

4、2、离子束刻蚀：氩气在辉光放电原理的作用下被分解为氩离子，氩离子通过阳极电场的加速物理轰击样品表面来达到刻蚀的作用。

5、3、电子束刻蚀：在计算机控制下，聚焦后的电子束按照加工要求的图形对基片上的抗蚀剂进行曝光，在抗蚀剂中产生具有不同溶解性能的区域，根据不同区域的溶解特性，利用具有选择性的显影剂进行显影，溶解性强的抗蚀剂部分被去除，溶解性差或不溶的部分保留下来，就可以得到所需要的抗蚀剂图形。

6、4、纳米压印：将模板进行大量复制的技术，从本质上是一种印刷复制技术，根据图形尺寸的大小可分为纳米压印技术和模压技术。

7、上述的四种加工技术均存在工序复杂、成本高、效率低、无法实现曲面加工等问题。然而飞秒激光的能量密度极高(最高达约1022w/cm2)，作用空间极小(约10-10m)，作用时间极短(约10-15s)，这使其在制造过程中的物理效应和作用机理完全不同于传统的制造方式，而且与长脉冲激光相比，飞秒激光脉冲也从根本上改变了激光与物质相互作用的机制。因其脉宽极短，与材料作用时间远小于晶格热传导的时间，从而可以有效的抑制加工导致的热效应。而脉宽极短又赋予了飞秒激光极高的峰值功率，使其“无坚不摧”，几乎可以加工所有的固体材料。可是现有技术中，由于飞秒激光的形状和性质不可控，使得采用其加工的微纳结构深径比不足且深孔形貌不可控，导致被加工的材料表面粗糙度过高，且材料品质较低。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种具备时空整形功能的大深径比微孔加工装置及方法，以解决采用现有飞秒激光加工装置及方法加工的微纳结构深径比不足且深孔形貌不可控，导致被加工的材料表面粗糙度过高，且材料品质较低的技术问题。

2、为了达到上述目的，本发明提供了一种具备时空整形功能的大深径比微孔加工装置，其特殊之处在于：包括锥透镜、分束镜、反射单元、反射延时单元、第一平凸镜、第二平凸镜、合束镜以及显微物镜；

3、所述锥透镜的大端接收入射激光，其小端出射贝塞尔光束至分束镜；

4、所述分束镜用于将贝塞尔光束分为第一分光束和/或第二分光束，所述分束镜上设有全透光、全反光以及分光比为1:1～1:10的多个分光区域；

5、所述反射单元和第一平凸镜依次设置在第一分光束所在光路上，用于对第一分光束进行反射，使得第一分光束通过第一平凸镜后能够到达所述合束镜；

6、所述反射延时单元和第二平凸镜依次设置在第二分光束所在光路上，用于对第二分光束进行反射，使得第二分光束通过第二平凸镜后能够到达所述合束镜，并对第二分光束到达合束镜的光程进行适时调节；

7、所述第一平凸镜的焦距f1和第二平凸镜的焦距f2不同；

8、所述合束镜分别与第一平凸镜和第二平凸镜对应，将第一分光束和第二分光束合束之后发射至所述显微物镜；

9、所述显微物镜出射加工激光。

10、进一步地，所述第一平凸镜与显微物镜入口之间的光程为f1+f3；其中f3为显微物镜的焦距；

11、所述第二平凸镜与显微物镜入口之间的光程为f2+f3。

12、进一步地，还包括半波片；

13、所述半波片设置于分束镜与第四反射镜之间的光路上；

14、所述锥透镜小端与半波片之间的光程≥zmax，其中zmax为入射激光经锥透镜后的衍射区域长度。

15、进一步地，还包括可变光阑；

16、所述可变光阑设置在入射激光所在光路上。

17、进一步地，所述反射延时单元包括位移平台以及设置在所述位移平台上的第四反射镜和第五反射镜；

18、所述第四反射镜和第五反射镜依次设置在第二分光束所在光路上；所述第四反射镜和第五反射镜相互垂直；

19、所述位移平台用于带动第四反射镜和第五反射镜在第二分光束所在光路上同时移动，以调节第二分光束到达合束镜的光程。

20、所述锥透镜小端至第二平凸镜之间的光程≥zmax/2+f2。

21、进一步地，还包括第一反射镜；

22、所述第一反射镜设置在所述可变光阑与锥透镜之间，且位于入射激光所在光路上。

23、进一步地，所述反射单元包括第二反射镜和第三反射镜；

24、所述第二反射镜和第三反射镜依次设置在第一分光束所在光路上；

25、所述锥透镜小端至第一平凸镜之间的光程≥zmax/2+f1。

26、本发明还提供了一种具备时空整形功能的大深径比微孔加工方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

27、步骤1、构建上述所述的具备时空整形功能的大深径比微孔加工装置；

28、步骤2、将分束镜切换至分光区域，使其将锥透镜小端出射的贝塞尔光束分束，调节所述反射延时单元，使得分束镜至合束镜之间第一分光束的光程与所述分束镜至合束镜之间第二分光束的光程相等，则被分束镜分束的两个子脉冲时间间隔为0；

29、步骤3、切换分束镜至全透光区域，使其将锥透镜小端出射的贝塞尔光束全透射；

30、步骤4、采用显微物镜出射的加工激光加工初始深孔；

31、步骤5、切换分束镜2至分光区域，并切换分束镜的分光比，以改变经分束镜分束后第一分光束和第二分光束的能量比，同时，调节反射延时单元，以改变分束镜至合束镜之间第二分光束的光程，从而改变两个所述子脉冲的时间间隔；

32、步骤6、采用显微物镜出射的加工激光修饰深孔的形貌。

33、进一步地，还包括以下步骤：

34、步骤7、重复步骤5和步骤6，平滑改变两个子脉冲的时间间隔，直至深孔形貌修饰完成。

35、本发明的有益效果：

36、1、本发明将入射激光贝塞尔光束进行分束，并在第二分光束所在光路上设置了反射延时单元，最后再进行合束、缩束，从而同时实现了激光加工微孔的长焦深空间整形和脉冲间隔时间整形，可以通过实际加工的需求，灵活选择空间整形、时空整形两种模式，其中空间整形可选择两种贝塞尔光束相互切换进行加工，时空整形模式中，两种贝塞尔光束的间隔可灵活调控。采用两种贝塞尔光束相互切换进行加工时，能够在具备较大焦深和光斑的单一脉冲形成的形貌基础上，采用另外的较小焦深和光斑的贝塞尔光束对微结构进行修饰加工，有利于得到更为可控的微孔/微槽加工形貌，从而提高加工品质；通过反射延时单元调整贝塞尔脉冲之间的时间间隔，在提高微孔深径比的同时，能够极大程度的抑制材料表面的热效应(重铸、裂纹、再结晶等)，降低材料表面的粗糙度，大幅提高制造品质。

37、2、本发明采用半波片抑制了两个子脉冲之间的干涉，保证了两路脉冲的整形质量。