一種飛秒激光高效率加工大深徑比高質(zhì)量微孔的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及激光應(yīng)用領(lǐng)域，尤其涉及一種飛秒激光高效率加工大深徑比高質(zhì)量微孔的方法。本發(fā)明的加工方法，將近紅外飛秒激光單脈沖利用飛秒激光光學(xué)參量放大器將近紅外飛秒激光單脈沖的波長調(diào)節(jié)為可見光，然后利用邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)的光路將其調(diào)制為激光雙脈沖，再利用連續(xù)衰減片調(diào)整激光雙脈沖的總能量；再將所得到的可見光雙脈沖穿過光學(xué)快門，并通過物鏡后垂直聚焦于待加工樣品的上表面；最后利用光學(xué)快門控制可見光雙脈沖的曝光時間，進而調(diào)整照射到待加工樣品表面的激光脈沖個數(shù)，直至加工微孔的深度達到飽和。本發(fā)明的加工方法能夠有效提高微孔加工的深徑比和質(zhì)量。
【專利說明】一種飛秒激光高效率加工大深徑比高質(zhì)量微孔的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及激光應(yīng)用領(lǐng)域，尤其涉及一種飛秒激光高效率加工大深徑比高質(zhì)量微孔的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]激光加工大深徑比微孔在微光學(xué)元件、微電子器件、微生物學(xué)以及微化學(xué)領(lǐng)域中都有著廣泛的應(yīng)用。玻璃、陶瓷和聚合物等寬禁帶材料擁有價格低廉，透明度高和易于塑形等優(yōu)點，尤其是PMMA材料，在可見光范圍內(nèi)具有高的光穿透性，還有低的燒蝕效率和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，非常適合應(yīng)用于微光學(xué)等領(lǐng)域的微孔加工。
[0003]相較于連續(xù)激光，脈沖激光可以調(diào)控脈沖持續(xù)時間和重復(fù)頻率，在微孔加工中更加具有優(yōu)勢。在文獻 S.Lazare, J.Lopez, and F.ffeisbuch:Appl.Phys.A69, SI (1999)中，作者通過降低光束發(fā)散度和改善光束均勻性的方法，使用納秒激光加工出了大深徑比的微孔，但當深徑比增加的時候，這種加工的精度很差，因而不適合應(yīng)用于大深徑比、高精度加工領(lǐng)域，例如:染料噴射器、噴絲頭和噴油嘴等。相比于納秒激光，飛秒激光可以在很短的時間內(nèi)將能量沉積到材料中，其熱影響區(qū)顯著降低，不會發(fā)生熔融和凝固現(xiàn)象，從而可以獲得相對于納秒激光更高的加工精度。在文獻Y.Zhang, R.M.Lowe, E.Harvey, P.Hannaford, A.EndoiApp1.Surf.Sc1.186，345(2002)中，作者使用800nm波長的飛秒激光單脈沖在聚合物上加工出了深徑比大于10的微孔，其直徑為20-40 μ m，深度為300-400 μ m。但是使用傳統(tǒng)紅外波段飛秒激光(多數(shù)為單脈沖)加工方式，在給定的能量條件下，很難突破衍射極限，力口工出直徑更小的孔；而且在大能量條件下，孔深也不會持續(xù)隨著激光能量的增加而增長，孔徑的擴大還會造成深徑比降低，并伴隨著孔壁粗糙度升高，孔尾端分叉等現(xiàn)象。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是為了克服飛秒激光加工微孔時效率低、深徑比小、質(zhì)量差的不足，提供一種采用可見光雙脈沖技術(shù)來整體改善飛秒激光加工微孔的方法。該方法通過調(diào)節(jié)超快激光雙脈沖的子脈沖延時、波長、能量等參數(shù)，有效調(diào)控局部瞬時電子動態(tài)，從而改變其對應(yīng)材料特性和相應(yīng)的激光與材料相互作用過程，提高激光加工微孔的效率、深徑比和質(zhì)量。
[0005]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
[0006]本發(fā)明的一種飛秒激光高效率加工大深徑比高質(zhì)量微孔的方法，所述方法包括以下步驟:
[0007]步驟I)采用飛秒激光系統(tǒng)產(chǎn)生近紅外飛秒激光單脈沖，利用飛秒激光光學(xué)參量放大器將近紅外飛秒激光單脈沖的波長調(diào)節(jié)為可見光，然后利用邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)的光路把激光單脈沖調(diào)制為激光雙脈沖，再利用連續(xù)衰減片調(diào)整激光雙脈沖的總能量不小于待加工樣品的加工閾值；
[0008]步驟2)使步驟I)中所得到的可見光雙脈沖穿過光學(xué)快門，并通過物鏡后垂直聚焦于待加工樣品的上表面；
[0009]步驟3)利用光學(xué)快門控制可見光雙脈沖的曝光時間，進而調(diào)整照射到待加工樣品表面的激光脈沖個數(shù)，直至加工微孔的深度達到飽和。
[0010]所述待加工樣品為寬禁帶透明材料，包括玻璃、晶體、陶瓷和聚合物。
[0011]進一步的，步驟I)中，可見光波長調(diào)節(jié)范圍為480-780nm。
[0012]進一步的，步驟I)中，雙脈沖兩個子脈沖之間的延時時間為100_300fs。
[0013]進一步的，步驟2)中，借助縱向C⑶和縱向白光光源實現(xiàn)待加工樣品的上表面成像并用以檢測激光聚焦。
[0014]進一步的，步驟3)中，借助橫向CXD和橫向白光光源實時監(jiān)測微孔的加工形貌。
[0015]進一步的，步驟3)中，可以使用氮氣吹走加工過程中產(chǎn)生的碎屑。
[0016]有益效果:
[0017]本發(fā)明通過將激光波長調(diào)節(jié)至可見光波段，并通過時域整形生成雙脈沖序列，實現(xiàn)高效率微孔加工，與傳統(tǒng)的飛秒激光制造方法相比，能夠有效提高微孔加工的深徑比和質(zhì)量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明飛秒激光可見光雙脈沖加工方法的光路圖；
[0019]其中，1-飛秒激光器；2_飛秒激光光學(xué)參量放大器；3_連續(xù)衰減片；4_分光棱鏡；5-合光棱鏡；6_第一反射鏡；7_第二反射鏡；8_第三反射鏡；9_第四反射鏡；10-機械平移臺；11-光纖光譜儀；12-自相關(guān)儀；13-光學(xué)快門；14-光學(xué)快門控制系統(tǒng)；15-二向色鏡；16-物鏡；17-待加工樣品；18-6維精密移動平臺；19-移動平臺控制系統(tǒng)；20_縱向白光光源；21-縱向CXD ;22_橫向白光光源23-橫向CXD ;24_氮氣裝置。
[0020]圖2為傳統(tǒng)紅外波段飛秒激光單脈沖加工方法與本發(fā)明加工方法加工微孔的形貌對比圖。
【具體實施方式】
[0021 ] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的內(nèi)容作進一步說明。
[0022]實施例
[0023]以加工PMMA聚合物(聚甲基丙烯酸甲酯)的微孔為例，采用本發(fā)明的飛秒激光可見光雙脈沖加工方法，具體應(yīng)用設(shè)備如下:
[0024]飛秒激光器I是美國光譜物理(Spectrum Physics)公司生產(chǎn)的激光器，激光波長800nm，脈沖寬度50fs，重復(fù)頻率IKHz，單脈沖最大能量3mJ，光強分布為高斯型，線偏振。
[0025]飛秒激光光學(xué)參量放大器2為美國Light Conversion公司生產(chǎn)的T0PAS-C，可以將800nm的飛秒激光脈沖在290_2600nm波長范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)精度為0.lnm。
[0026]邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)組成部分包括:分光棱鏡4，合光棱鏡5，第一反射鏡6、第二反射鏡7、第三反射鏡8、第四反射鏡9，機械平移臺10。通過調(diào)節(jié)機械平移臺10的移動距離可以改變兩個子脈沖間的延時。其中，機械平移臺10調(diào)節(jié)范圍為±25mm，調(diào)整精度為2um，則雙脈沖延時調(diào)整范圍為O — 83ps (首尾子脈沖最大間隔時間)，延時調(diào)節(jié)精度為6.6fs。
[0027]連續(xù)衰減片3為大恒光電GCC-3030圓形中性密度漸變?yōu)V光片，在可見光到紅外光區(qū)內(nèi)可通過調(diào)整鏡片的旋轉(zhuǎn)角度，改變吸收/反射光與透射光的比例來改變光衰減的大小，激光能量調(diào)節(jié)范圍為1% — 90%。
[0028]光學(xué)快門13為Thorlabs公司生產(chǎn)的SH05，可以控制激光曝光時間，其開關(guān)響應(yīng)時間為1ms。
[0029]具體加工步驟如下:
[0030](I)利用飛秒激光器I產(chǎn)生近紅外飛秒激光單脈沖；然后利用飛秒激光光學(xué)參量放大器2調(diào)節(jié)激光波長為680nm，其中波長調(diào)節(jié)精度由光纖光譜儀11校正；激光單脈沖經(jīng)過分光棱鏡4后分為兩束子脈沖光，其中反射子脈沖經(jīng)由第一反射鏡6、第二反射鏡7反射，透射子脈沖經(jīng)由安裝在機械平移臺10上的第三反射鏡8、第四反射鏡9反射，之后兩束子脈沖光通過合光棱鏡5合束，調(diào)制為雙脈沖序列，其中手動控制機械平移臺10的移動距離，使兩束子脈沖在合光棱鏡處的光程差為60 μ m,即兩個子脈沖間的延時時間為200fs,其中延時零點由自相關(guān)儀12確認；再利用連續(xù)衰減片3調(diào)整激光雙脈沖到達加工處的總能量為20μ J；
[0031](2)將飛秒激光可見光雙脈沖穿過光學(xué)快門13、并通過二向色鏡15反射到物鏡16中垂直聚焦；待加工樣品17水平固定在6維精密移動平臺18上；借助縱向CCD21和白光光源20成像，通過平臺控制系統(tǒng)19移動6維精密移動平臺18使激光焦點位于水平放置的待加工樣品17的上表面；
[0032](3)利用光學(xué)快門控制系統(tǒng)14將光學(xué)快門13的曝光時間設(shè)定為50ms，則一次開關(guān)照射到待加工樣品17表面的激光脈沖個數(shù)為50個，逐次打開光學(xué)快門13，并借助橫向(XD23和白光光源22實時監(jiān)測微孔的加工形貌，直至孔深度達到飽和；加工過程中可以使用氮氣24吹走從微孔底部噴濺出來的碎屑，防止碎屑干擾激光加工路徑以及阻塞孔的入口。當脈沖個數(shù)為200個時孔加工深度飽和,孔深為890 μ m,深徑比為91:1,且孔壁光滑，孔徑均勻，孔尾端無分叉現(xiàn)象，其形貌如附圖2中(b)所示。
[0033]對比例:
[0034]以加工PMMA聚合物(聚甲基丙烯酸甲酯)的微孔為例，采用傳統(tǒng)的紅外波段飛秒激光單脈沖加工方法，具體應(yīng)用設(shè)備如下:
[0035]飛秒激光系統(tǒng)I是美國光譜物理(Spectrum Physics)公司生產(chǎn)的激光器，激光波長800nm，脈沖寬度50fs，重復(fù)頻率ΙΚΗζ，單脈沖最大能量3mJ，光強分布為高斯型，線偏振。
[0036]連續(xù)衰減片3為大恒光電GCC-3030圓形中性密度漸變?yōu)V光片，在可見光到紅外光區(qū)內(nèi)可通過調(diào)整鏡片的旋轉(zhuǎn)角度，改變吸收/反射光與透射光的比例來改變光衰減的大小，激光能量調(diào)節(jié)范圍為1% — 90%。
[0037]光學(xué)快門13為Thorlabs公司生產(chǎn)的SH05，可以控制激光曝光時間，其開關(guān)響應(yīng)時間為1ms。
[0038](I)利用飛秒激光器I產(chǎn)生近紅外飛秒激光單脈沖；關(guān)閉飛秒激光光學(xué)參量放大器2，不對激光波長作任何改變；使用遮光板擋住任意一路子脈沖光，再利用連續(xù)衰減片3調(diào)整剩余一路子脈沖光到達加工處的能量為20 μ J ;
[0039](2)將飛秒激光單脈沖穿過光學(xué)快門13、并通過二向色鏡15反射到物鏡16中垂直聚焦；待加工樣品17水平固定在6維精密移動平臺18上；借助縱向CCD21和白光光源20成像，通過平臺控制系統(tǒng)19移動6維精密移動平臺18使激光焦點位于水平放置的待加工樣品17的上表面；
[0040](3)利用光學(xué)快門控制系統(tǒng)14將光學(xué)快門13的曝光時間設(shè)定為50ms，則一次開關(guān)照射到待加工樣品17表面的激光脈沖個數(shù)為50個，逐次打開光學(xué)快門13，并借助橫向(XD23和白光光源22實時監(jiān)測微孔的加工形貌，直至孔深度達到飽和。加工過程中可以使用氮氣24吹走從微孔底部噴濺出來的碎屑，防止碎屑干擾激光加工路徑以及阻塞孔的入口。當脈沖個數(shù)為450個時孔加工深度飽和，孔深為552μπι，深徑比為26:1，且孔壁粗糙，孔徑粗細不均，孔尾端有分叉現(xiàn)象，其形貌如圖2中(a)所示。
[0041]由實施例與對比例比較可見:
[0042](I)采用傳統(tǒng)的紅外波段單脈沖加工時，脈沖個數(shù)在450個時孔加工深度會趨于飽和，而當使用可見光雙脈沖時，所用脈沖個數(shù)會降低到200個，其加工效率提高1.25倍。
[0043](2)在20 μ J的能量下，可見光雙脈沖(波長680nm，兩個子脈沖延時200fs)微孔加工的深度為890 μ m,深徑比為91: 1，分別是傳統(tǒng)紅外波段單脈沖的1.61倍和3.45倍。而且可見光雙脈沖方法加工出的微孔孔壁光滑，孔徑均勻，孔尾端沒有分叉現(xiàn)象。
【權(quán)利要求】
1.一種飛秒激光高效率加工大深徑比高質(zhì)量微孔的方法，其特征是所述方法包括以下步驟: 步驟I)采用飛秒激光系統(tǒng)產(chǎn)生近紅外飛秒激光單脈沖，利用飛秒激光光學(xué)參量放大器將近紅外飛秒激光單脈沖的波長調(diào)節(jié)為可見光，然后利用邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)的光路把激光單脈沖調(diào)制為激光雙脈沖，再利用連續(xù)衰減片調(diào)整激光雙脈沖的總能量不小于待加工樣品的加工閾值； 步驟2)使步驟I)中所得到的可見光雙脈沖穿過光學(xué)快門，并通過物鏡后垂直聚焦于待加工樣品的上表面； 步驟3)利用光學(xué)快門控制可見光雙脈沖的曝光時間，進而調(diào)整照射到待加工樣品表面的激光脈沖個數(shù)，直至加工微孔的深度達到飽和。
2.如權(quán)利要求1所述的一種飛秒激光高效率加工大深徑比高質(zhì)量微孔的方法，其特征是:所述待加工樣品為寬禁帶透明材料。
3.如權(quán)利要求1所述的一種飛秒激光高效率加工大深徑比高質(zhì)量微孔的方法，其特征是:步驟I)中，可見光波長調(diào)節(jié)范圍為480-780nm。
4.如權(quán)利要求1所述的一種飛秒激光高效率加工大深徑比高質(zhì)量微孔的方法，其特征是:步驟I)中，雙脈沖兩個子脈沖之間的延時時間為100-300fs。
5.如權(quán)利要求1所述的一種飛秒激光高效率加工大深徑比高質(zhì)量微孔的方法，其特征是:步驟2)中，借助縱向CCD和縱向白光光源實現(xiàn)樣品的上表面成像并用以檢測激光聚焦。
6.如權(quán)利要求1所述的一種飛秒激光高效率加工大深徑比高質(zhì)量微孔的方法，其特征是:步驟3)中，借助橫向CCD和橫向白光光源實時監(jiān)測微孔的加工形貌。
7.如權(quán)利要求1所述的一種飛秒激光高效率加工大深徑比高質(zhì)量微孔的方法，其特征是:步驟3)中，使用氮氣吹走加工過程中產(chǎn)生的碎屑。
【文檔編號】B23K26/0622GK103878496SQ201410151016
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年4月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月15日
【發(fā)明者】姜瀾, 房巨強, 曹強 申請人:北京理工大學(xué)