本發(fā)明涉及一種用于飛秒和皮秒激光束的掩模投射的設(shè)備。

背景技術(shù)：

用于準(zhǔn)分子激光束的掩模投射的方法和設(shè)備是已知的并且用于固態(tài)表面的微結(jié)構(gòu)化，并且特別是也用于通過(guò)借助于準(zhǔn)分子激光器進(jìn)行結(jié)構(gòu)化、逐層材料燒蝕來(lái)生成三維微結(jié)構(gòu)(尤其參見(jiàn)Excimer laser technology，Ed.Dr.Dirk Basting，Lambda Physik AG2001，ISBN 3-00-006395-1，以及Weissmantel,S.；Reisse,G.；Haehnel,F.；Bertram,R.；Boettcher,R.；Production of microstructures in wide-band-gap and organic materials using pulsed laser ablation at 157nm wavelength；Applied Physics A 101(2010)491.)。在這些方法中，激光束由波長(zhǎng)為157nm，193nm，248nm，308nm或351nm的準(zhǔn)分子激光器發(fā)射，并且具有實(shí)質(zhì)上矩形的橫截面、在激光束橫截面上的不均勻強(qiáng)度分布和短相干長(zhǎng)度，并且因此在沒(méi)有進(jìn)一步的束成形的情況下不能用于微結(jié)構(gòu)化的目的，所述激光束通過(guò)均化器形成，所述均化器將激光束分解成預(yù)定數(shù)量的部分光束，并且優(yōu)選地再次重疊這些部分光束，并且通過(guò)場(chǎng)透鏡元件形成具有預(yù)定方形激光束橫截面的激光束，在光束傳播方向上的位置P處的所謂均勻光點(diǎn)處具有均勻強(qiáng)度分布(頂部平坦強(qiáng)度剖面)。具有透射掩模區(qū)域的預(yù)定幾何形狀的掩模位于該位置P處。通過(guò)使用該掩模，在待生成的微結(jié)構(gòu)所需的激光束橫截面上的強(qiáng)度剖面(例如，格柵狀強(qiáng)度剖面)由在均勻光點(diǎn)處的激光束的均勻強(qiáng)度分布形成，并且在將通過(guò)適合于準(zhǔn)分子激光波長(zhǎng)的聚焦光學(xué)器件結(jié)構(gòu)化的襯底上以預(yù)定的縮小成像比成像。透射區(qū)域或布置在掩模的上游或下游的小距離處或者優(yōu)選布置成與掩模接觸的光闌的孔徑的幾何形狀在該情況下生成由掩模形成的激光束的強(qiáng)度分布的橫截面幾何形狀(輪廓形狀)(參見(jiàn)例如WO2010111798和EP 2 336 823 A1的公開(kāi)文本)。借助于準(zhǔn)分子激光掩模投射方法可獲得的最小結(jié)構(gòu)尺寸位于幾微米的區(qū)域中。

發(fā)明人的研究沒(méi)有產(chǎn)生用于飛秒激光束和皮秒激光束的掩模投射的任何進(jìn)一步可比較的方法和設(shè)備。飛秒激光器(fs激光器)和皮秒激光器(ps激光器)發(fā)射中心波長(zhǎng)主要在775nm至1064nm范圍內(nèi)的激光束，在激光束橫截面上具有基本上高斯強(qiáng)度分布，并且具有比準(zhǔn)分子激光器明顯更大的相干長(zhǎng)度。這些fs和ps激光束借助于商業(yè)上可獲得的聚焦光學(xué)器件形成以使光束具有小焦點(diǎn)橫截面，并且例如也用于固態(tài)表面的微結(jié)構(gòu)化。在該聚焦方法中，激光束的焦點(diǎn)橫截面上的強(qiáng)度分布因此類似地是高斯而不是均勻的；高斯半徑的位置處的強(qiáng)度僅為光束中心處的值的1/e倍，即36.8％，并且光束半徑的位置處的強(qiáng)度僅為光束中心的值的1/e²倍，即13.5％。

為了在fs和ps激光束的焦點(diǎn)橫截面上生成更均勻的強(qiáng)度分布，已開(kāi)發(fā)布置在激光輸出和聚焦光學(xué)器件之間的光束均化器。在先前已知的用于fs和ps激光束的光束均化器中(參見(jiàn)例如A.Laskin和V.Laskin，πShaper-Refractive Beam Shaping Optics for Advanced Laser Technologies in Journal of Physics：Conference Series 276(2011)012171)，注量的一部分借助于折射透鏡系統(tǒng)從光束橫截面的內(nèi)部部分傳送到光束橫截面的外部部分，使得在光束均化器下游的激光束橫截面上生成更均勻的強(qiáng)度分布；然而，大致到目前為止僅實(shí)現(xiàn)在整個(gè)光束橫截面上的平坦頂部強(qiáng)度剖面。

具有高斯分布的激光束的焦點(diǎn)半徑是波長(zhǎng)、由激光器發(fā)射的原始光束的半徑和焦距的函數(shù)，并且不能任意地減小。作為例子，在由德國(guó)Chemnitz的3D-Micromac AG生產(chǎn)的FS-150-10fs激光微結(jié)構(gòu)化裝置中，其具有由美國(guó)Clark Inc.生產(chǎn)的CPA 2010激光器，該激光器具有775nm的中心波長(zhǎng)，1mJ(1毫焦耳)脈沖能量和150fs脈沖持續(xù)時(shí)間，最小高斯焦點(diǎn)半徑為5.7μm，具有32mm焦距的透鏡，盡管有兩倍的光束擴(kuò)展，從3mm高斯半徑到6mm，以及均勻化。

已知的fs和ps聚焦方法的缺點(diǎn)

至少幾微米的可獲得的焦點(diǎn)半徑對(duì)于微結(jié)構(gòu)化和納米結(jié)構(gòu)化領(lǐng)域中的多種應(yīng)用來(lái)說(shuō)太大；不能獲得幾微米(μm)和更小的結(jié)構(gòu)尺寸。作為例子，借助于聚焦方法生成的具有高達(dá)幾十微米的尺寸的微結(jié)構(gòu)的邊緣銳度太低，即使在激光束的脈沖重疊的情況下也是如此。例如借助于聚焦方法，不能產(chǎn)生具有對(duì)于可見(jiàn)波長(zhǎng)范圍高達(dá)一微米和更小的光柵常數(shù)的光學(xué)有效透射和反射光柵。

作為激光束橫截面上的高斯強(qiáng)度分布的結(jié)果，在焦點(diǎn)橫截面上并且因此在結(jié)構(gòu)化軌道的寬度上的燒蝕深度在軌道中心中比在軌道邊緣處明顯更大。作為例子，在用于生成平面材料燒蝕的聚焦激光束的曲折線掃描的情況下，這導(dǎo)致高表面粗糙度，甚至在軌道重疊的情況下。在微結(jié)構(gòu)化的情況下和在分離由具有幾納米厚度的不同材料制成的幾個(gè)子層組成的層堆疊的情況下，該強(qiáng)度分布例如導(dǎo)致軌道邊緣處的不完全層燒蝕或者導(dǎo)致軌道中心處的襯底材料的損壞。在軌道寬度大于10微米的情況下，該缺點(diǎn)可以通過(guò)使用光束均化器來(lái)部分地矯正；然而，借助于聚焦方法不能獲得高達(dá)一微米和更小并且具有均勻燒蝕深度的更小的軌道寬度。

在聚焦方法中不能在激光束橫截面上生成預(yù)定的結(jié)構(gòu)化強(qiáng)度剖面。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

使用根據(jù)本發(fā)明的解決方案，將該克服先前使用的fs和ps聚焦方法的缺點(diǎn)。特別地，期望實(shí)現(xiàn)的是在待加工的襯底表面(工件表面)上的整個(gè)成像橫截面上的均勻強(qiáng)度分布，和與可以使用聚焦方法設(shè)置的焦點(diǎn)橫截面相比，明顯更小的成像橫截面，例如在優(yōu)選在775nm至1064nm的范圍內(nèi)的中心激光束基波波長(zhǎng)的情況下具有1μm的直徑的圓形成像橫截面區(qū)域或1μm²方形成像橫截面區(qū)域，或者更加小的橫截面，例如當(dāng)使用激光束的倍頻(SHG)或三倍頻(THG)或四倍頻(FHG)時(shí)，在幾百納米的范圍內(nèi)。

在至少1mJ的fs和ps激光器的足夠高的脈沖能量的情況下和在由此產(chǎn)生并且也取決于結(jié)構(gòu)化所需的光束強(qiáng)度和成像比的均勻光點(diǎn)的可能可調(diào)節(jié)橫截面區(qū)域的情況下，另外也應(yīng)當(dāng)能夠借助于位于均勻光點(diǎn)中并且具有透射掩模區(qū)域的預(yù)定幾何形狀的掩模，從激光束的均勻強(qiáng)度分布形成用于生成預(yù)定微結(jié)構(gòu)所需的激光束橫截面上的強(qiáng)度剖面，例如光柵形狀的強(qiáng)度剖面，并且應(yīng)當(dāng)能夠借助于合適的聚焦光學(xué)器件以預(yù)定縮小成像比在待結(jié)構(gòu)化的襯底上對(duì)其進(jìn)行成像。

根據(jù)本發(fā)明的解決方案包含一種用于將飛秒和皮秒激光束掩模投射到襯底表面上的設(shè)備，其中由激光束脈沖組成的激光束在光軸的位置處形成以產(chǎn)生具有擴(kuò)展的激光束橫截面的激光束脈沖或具有減小的激光束橫截面的激光束脈沖，并且所述激光束在激光束橫截面上具有均勻強(qiáng)度分布。具有預(yù)定光闌孔徑幾何形狀的光闌和具有預(yù)定掩?？讖綆缀涡螤畹难谀＿B續(xù)地定位在該位置處的光束路徑中。該設(shè)備還包括場(chǎng)透鏡系統(tǒng)和成像透鏡，其以這樣的方式定位，使得由光闌和掩模透射的激光束脈沖的非衍射和衍射光束分量借助于場(chǎng)透鏡系統(tǒng)以這樣的方式被引導(dǎo)到具有預(yù)定孔徑的成像透鏡中，使得由光闌和掩模生成的強(qiáng)度剖面的在每個(gè)細(xì)節(jié)上精確并且具有預(yù)定成像比的縮小圖像在成像平面中的激光束脈沖的激光束橫截面上生成。在光束引導(dǎo)變型1中，加入的透鏡系統(tǒng)、場(chǎng)透鏡系統(tǒng)和成像透鏡以這樣的方式相對(duì)于彼此定位，使得在成像透鏡和襯底表面之間生成焦點(diǎn)1，并且在光束引導(dǎo)變型2中，加入的透鏡系統(tǒng)、場(chǎng)透鏡系統(tǒng)和成像透鏡以這樣的方式相對(duì)于彼此定位，使得在場(chǎng)透鏡系統(tǒng)和成像透鏡之間生成焦點(diǎn)2。存在圍繞焦點(diǎn)1和焦點(diǎn)2的區(qū)域的至少一個(gè)真空容器。

在另一優(yōu)選實(shí)施例中，在場(chǎng)透鏡系統(tǒng)和成像透鏡之間布置90°偏轉(zhuǎn)鏡。

在另一優(yōu)選實(shí)施例中，存在用于改變成像透鏡的主平面與襯底表面之間的距離的裝置，借助于所述用于改變成像透鏡的主平面與襯底表面之間的距離的裝置，通過(guò)改變成像透鏡的主平面與襯底表面之間的距離，成像平面的預(yù)定位置選擇性地置于襯底表面的上方、上面或下方，其中預(yù)定位置被限定為離成像透鏡的主平面的圖像距離的距離。

在另一優(yōu)選實(shí)施例中，用于改變成像透鏡的主平面與襯底表面之間的距離的裝置是襯底被緊固到的xyz坐標(biāo)臺(tái)的z軸。

在另一優(yōu)選實(shí)施例中，用于改變成像透鏡的主平面與襯底表面之間的距離的裝置是線性軸，借助于所述線性軸，緊固到這些線性軸的場(chǎng)透鏡系統(tǒng)和成像透鏡以沿著光軸能夠以預(yù)定路徑移位的方式布置。

在另一優(yōu)選實(shí)施例中，在光束引導(dǎo)變型1中，橫向噴射惰性氣體噴嘴布置在至少一個(gè)真空容器和襯底表面之間。

在另一優(yōu)選實(shí)施例中，在光束引導(dǎo)變型2中，惰性氣體噴嘴系統(tǒng)附連在成像透鏡和襯底表面之間。

在另一優(yōu)選實(shí)施例中，至少包括場(chǎng)透鏡系統(tǒng)、成像透鏡和至少一個(gè)真空容器的光學(xué)部件的孔徑被選擇為大到使得從一階到至少三階衍射，甚至由于掩模的預(yù)定掩模孔徑幾何形狀被衍射的激光束分量也在襯底表面上成像。

在另一優(yōu)選實(shí)施例中，使用的激光器在脈沖串模式中操作。

在另一優(yōu)選實(shí)施例中，所述設(shè)備還包括光束擴(kuò)展器或光束橫截面減小器；以及位于激光器和光束擴(kuò)展器或光束橫截面減小器之間的設(shè)備，用于生成二次諧波(倍頻，SHG)或三次諧波(三倍頻，THG)或四次諧波(四倍頻，F(xiàn)HG)。飛秒激光束脈沖或皮秒激光束脈沖在從激光器出現(xiàn)之后分別穿過(guò)用于生成二次諧波(倍頻，SHG)或三次諧波(三倍頻，THG)或四次諧波(四倍頻，F(xiàn)HG)的設(shè)備，并且光束擴(kuò)展器或光束橫截面減小器、加入的透鏡系統(tǒng)、光闌、掩模、場(chǎng)透鏡系統(tǒng)、成像透鏡和至少一個(gè)真空容器中的至少一個(gè)具有適于透射生成的具有基波波長(zhǎng)的一半或三分之一或四分之一的光子輻射的設(shè)計(jì)。

附圖說(shuō)明

下面將在示意圖的基礎(chǔ)上更詳細(xì)地解釋本發(fā)明：

圖1顯示用于實(shí)現(xiàn)飛秒和皮秒激光掩模投射方法(fspsMP)的光束引導(dǎo)和成形系統(tǒng)的光學(xué)部件的示意性布置；

圖2顯示用于光束引導(dǎo)變型1的根據(jù)圖1的光束引導(dǎo)和成形系統(tǒng)中的激光束的計(jì)算光學(xué)路徑，其中焦點(diǎn)位置在加入的透鏡元件(16)和掩模(7)之間并且在透鏡(10)和襯底(13)之間；

圖3顯示用于光束引導(dǎo)變型2的根據(jù)圖1的光束引導(dǎo)和成形系統(tǒng)中的激光束的計(jì)算光學(xué)路徑，其中焦點(diǎn)位置在加入的透鏡元件(16)和掩模(7)之間并且在場(chǎng)透鏡系統(tǒng)(8)和透鏡(10)之間；

圖4a示意性地顯示布置在加入的透鏡元件(16)和掩模(7)之間的真空容器1的橫截面和布置在場(chǎng)透鏡系統(tǒng)(8)和透鏡(10)之間的類似的真空容器3的橫截面；

圖4b示意性地顯示布置在透鏡(10)和襯底(13)之間的真空容器2的橫截面，其具有附連的橫向噴射惰性氣體噴嘴(21)；以及

圖5以示例性方式顯示實(shí)現(xiàn)的飛秒和皮秒激光掩模投射系統(tǒng)的光學(xué)部件的布置，其具有用于減小系統(tǒng)的總尺寸的四個(gè)偏轉(zhuǎn)鏡。

具體實(shí)施方式

光學(xué)部件的布置：

根據(jù)圖1，借助于至少一個(gè)光束擴(kuò)展器(3)，在激光束橫截面(IG)上具有近似高斯強(qiáng)度分布的飛秒或皮秒激光器的脈沖激光束(2)在其從激光器(1)出現(xiàn)之后形成為仍具有近似高斯強(qiáng)度分布、但是具有擴(kuò)展的橫截面(IGA)的激光束。

隨即，激光束通過(guò)光束均化器(4)，并且可選地，也通過(guò)加入的透鏡元件或加入的透鏡系統(tǒng)(16)，其在激光束(光束軸)的光軸(5)上的位置(P)處的均勻光點(diǎn)處生成激光束的均勻強(qiáng)度分布(IAH)，稱為頂部平坦強(qiáng)度剖面。

為了在激光束橫截面上生成激光束脈沖的預(yù)定結(jié)構(gòu)化強(qiáng)度剖面，具有預(yù)定光闌孔徑幾何形狀的光闌(6)和具有預(yù)定掩?？讖綆缀涡螤畹难谀?7)在位置(P)處連續(xù)定位，或者在它們之間具有高達(dá)幾十毫米的很小距離，或者彼此直接接觸。由位于位置(P)處的均勻光點(diǎn)處的光闌(6)和掩模(7)透射的激光束脈沖的非衍射和衍射光束分量借助場(chǎng)透鏡元件或場(chǎng)透鏡系統(tǒng)(8)并且在透鏡(10)處反射之后借助于至少一個(gè)90°偏轉(zhuǎn)鏡(9)在成像平面(11)中成像。在成像平面(11)中生成在如光闌和掩模生成的激光束橫截面上的預(yù)定結(jié)構(gòu)化強(qiáng)度剖面的在每個(gè)細(xì)節(jié)上精確并且具有預(yù)定成像比(V＝(aO/aS):1)的縮小圖像(14)，通過(guò)改變透鏡(10)的主平面(35)與襯底(13)的表面(12)之間的距離，在離透鏡(10)的主平面(35)的圖像距離(b)的距離處的所述成像平面的預(yù)定位置選擇性地置于襯底表面(12)的上方(參見(jiàn)圖1)，但是優(yōu)選地置于上面或下方。

成像透鏡(10)的主平面(35)與襯底表面(12)之間的距離(s)的變化優(yōu)選地借助于襯底(13)位于其上的xyz坐標(biāo)臺(tái)(32)的z軸來(lái)實(shí)現(xiàn)。在不可移位的襯底的情況下，距離(s)的變化也可以借助于線性軸(33、34)來(lái)實(shí)現(xiàn)，場(chǎng)透鏡元件或場(chǎng)透鏡系統(tǒng)(8)和透鏡(10)緊固到所述線性軸，并且因此所述線性軸可沿著光軸(5)由預(yù)定路徑移位，而光學(xué)系統(tǒng)的成像性質(zhì)不改變。

可以借助于光束擴(kuò)展器(3)實(shí)現(xiàn)的激光束的橫截面的增加，由橫截面的該增加產(chǎn)生的掩模(7)的平面中的均勻光點(diǎn)處的激光束的橫截面和加入的透鏡元件或加入的透鏡系統(tǒng)(16)的焦距(焦長(zhǎng))以及可實(shí)現(xiàn)的成像比V取決于激光束的脈沖能量并且必須以這樣的方式彼此匹配，使得在成像平面(11)中獲得計(jì)劃的激光加工過(guò)程所需的激光束注量。如果由激光器發(fā)射的光束具有太低的脈沖能量，使得在預(yù)定成像比V的情況下在用于獲得用于燒蝕成像平面(11)中的材料所需的注量的掩模(7)的平面中注量太小，則必須使用光束截面減小器來(lái)代替光束擴(kuò)展器(3)。借助于可選的設(shè)備(15)，這可能例如在激光束的基波波長(zhǎng)的倍頻(SHG)或三倍頻(THG)或四倍頻(FHG)的情況下是必要的；作為例子，當(dāng)中心基本波長(zhǎng)為775nm的Clark公司的CPA 2010激光器的頻率加倍時(shí)，只有具有基波波長(zhǎng)的激光束的原始脈沖能量的大約40％可用，并且如果頻率是三倍，它只有大約6-8％?？捎玫难谀^(qū)域于是將很小，但是以小光闌孔徑或掩?？讖?即在襯底上具有例如1μm²和更小的很小成像橫截面)生成很細(xì)的孔和精確的結(jié)構(gòu)邊緣并且在逐層結(jié)構(gòu)化材料燒蝕的情況下也生成很小的三維微結(jié)構(gòu)(3D結(jié)構(gòu))就夠了。

在激光束橫截面上只能有由光闌(6)和掩模(7)生成的強(qiáng)度剖面的圖像(14)，所述圖像在每個(gè)細(xì)節(jié)上是精確的并且減小預(yù)定成像比(V)，并且因此只有借助于fs和ps掩模投射方法才能生成預(yù)定微結(jié)構(gòu)，如果在透射掩模區(qū)域處(例如在線光柵掩模處)衍射的激光束分量也到達(dá)成像平面(11)并且有助于成像，原因是否則信息被丟失，并且掩模的透射幾何形狀和因此由掩模生成的激光束的預(yù)定結(jié)構(gòu)化強(qiáng)度剖面僅僅在成像平面中不精確地成像。因此，布置在掩模(7)下游的所有光學(xué)部件必須具有足夠大的孔徑，使得衍射的激光束分量也被成像并且也能夠有助于成像。模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)已表明，也必須有從一階衍射一直到至少三階衍射的成像，以便在成像平面(11)中獲得由掩模生成的激光輻射的強(qiáng)度剖面的在每個(gè)細(xì)節(jié)上精確的圖像。

fs和ps激光束的激光束焦點(diǎn)中的高光子密度導(dǎo)致在光束引導(dǎo)和成形系統(tǒng)的焦點(diǎn)區(qū)域中生成在光束路徑中用于保護(hù)光學(xué)部件免受污染的密集空氣等離子體或惰性氣體的等離子體(也參見(jiàn)圖2和圖3)。這些激光誘導(dǎo)的等離子體導(dǎo)致激光束分量的吸收和散射，具有以下效果：由光束均化器(4)和掩模(7)之間的激光束的光束路徑中的中間焦點(diǎn)(17)激發(fā)的等離子體減小掩模(7)的平面中的激光束的注量分布的均勻性，并且由透鏡(10)的焦距(f)處的焦點(diǎn)1(19)激發(fā)的等離子體或由場(chǎng)透鏡系統(tǒng)(8)和透鏡(10)之間的焦點(diǎn)2(22)激發(fā)的等離子體導(dǎo)致成像平面(11)中被成像掩?？讖綆缀涡螤畹馁|(zhì)量的減小，例如導(dǎo)致邊緣的銳度的減小，并且因此在由掩模(7)的孔徑幾何形狀預(yù)先確定的區(qū)域中的襯底(13)上沒(méi)有均勻材料燒蝕。所以，這些等離子體影響隨后的激光束分量的光學(xué)質(zhì)量，特別是在激光器的高脈沖重復(fù)頻率(重復(fù)率)下，并且導(dǎo)致成像的細(xì)節(jié)和因此生成的微結(jié)構(gòu)的精度的減小。

為了避免這些等離子體的出現(xiàn)，將真空容器(18、20、23)插入到焦點(diǎn)(17、19、22)的區(qū)域中的光束路徑中。這些容器圍繞焦點(diǎn)區(qū)域，包括涂覆有透射干涉層系統(tǒng)的兩個(gè)窗口(25)，或一個(gè)窗口(25)和一個(gè)針孔孔徑(26)，用于激光輻射的實(shí)質(zhì)上無(wú)損透射，被抽空到前級(jí)真空并且必須包括在總光學(xué)系統(tǒng)的計(jì)算中。替代地，從激光器(1)的輸出開(kāi)始并且到達(dá)成像透鏡(10)的整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)也可以位于真空室中。

先前為選擇的ps激光器類型開(kāi)發(fā)的特定操作模式是“脈沖串模式(burst mode)”。與具有預(yù)定重復(fù)率的ps激光器的單獨(dú)的脈沖操作相反，它不是在“脈沖串模式”中生成的ps激光束脈沖，而是ps激光束脈沖串，其具有在幾十納秒(典型地為20ns)的區(qū)域中的列(“脈沖串”)中的單獨(dú)的脈沖的時(shí)間脈沖間間隔，并且具有在10^-3至10^-7秒(典型地為10μs)的區(qū)域中的時(shí)間脈沖串間間隔，即具有1kHz至10MHz的脈沖串重復(fù)頻率(激光器的重復(fù)率)。在“脈沖串模式”中ps激光器的最大可能重復(fù)率取決于脈沖串中的單獨(dú)的脈沖的數(shù)量并且由此被限制。ps激光器的單獨(dú)的脈沖的脈沖持續(xù)時(shí)間和“脈沖串模式”中的脈沖的脈沖持續(xù)時(shí)間是相等的。脈沖列(“脈沖串”)可以以可調(diào)節(jié)的方式由多達(dá)20個(gè)單獨(dú)的ps脈沖組成。這里，在脈沖串(例如，“Lumera Laser GmbH”的ps“Lumera Hyperrapid”激光器的脈沖串)中的單獨(dú)的脈沖的相同脈沖間間隔的情況下，脈沖串中的單獨(dú)的脈沖的脈沖能量可以根據(jù)典型地用于激光儀器的函數(shù)指數(shù)地減小，或脈沖串中的單獨(dú)的脈沖的脈沖能量剖面可以被預(yù)先確定，使得脈沖串中的脈沖的不變脈沖能量或脈沖串中的脈沖的脈沖能量的減少或增加或者脈沖串中的脈沖的脈沖能量初始減小并且然后再次增加是可能的；此外，也能夠抑制脈沖串中的一個(gè)脈沖或多個(gè)脈沖(例如，在“FlexBurst^TM模式”中在“Time-Bandwidth Products”的“Time-Bandwidth Duetto^TM”和“Time-Bandwidth Fuego^TM”激光器類型中)。激光輻射的倍頻或三倍頻(SHG或THG)在ps激光器的“脈沖串模式”操作中也是可能的。與用單獨(dú)的脈沖進(jìn)行ps激光加工相比，“脈沖串模式”加工具有以下優(yōu)點(diǎn)：

-當(dāng)結(jié)構(gòu)化金屬工件時(shí)，相比于使用具有與脈沖串總能量相同的能量的單獨(dú)的脈沖的ps脈沖輻射，即在單獨(dú)的脈沖和脈沖串的注量相等的情況下，并且在單獨(dú)的脈沖和脈沖串的相同脈沖間距離(重疊的程度)的情況下，即在單獨(dú)的脈沖的重復(fù)率和脈沖串重復(fù)率相同的情況下，燒蝕速率更高；

-相比于用單獨(dú)的脈沖進(jìn)行ps脈沖輻射，在相同的重疊程度的情況下，甚至在“脈沖串”的更高注量的情況下，金屬工件中生成的結(jié)構(gòu)形式的質(zhì)量更好，特別是表面粗糙度更低。

飛秒激光束脈沖的“脈沖串模式”的生成目前仍處于基礎(chǔ)研究的階段(例如，J.Hernandez-Rueda1，J.Siegel，D.Puerto2，M.Galvan-Sosa，W.Gawelda3，和J.Solis：Ad-hoc design of temporally shaped fs laser pulses based on plasma dynamics for deep ablation in fused silica，Appl.Phys.A(2013)112)。

光束引導(dǎo)和成形系統(tǒng)中的光束引導(dǎo)變型1

在根據(jù)圖2的光束引導(dǎo)變型1中，使用加入的透鏡元件(16)，例如由兩個(gè)透鏡元件組成的場(chǎng)透鏡系統(tǒng)(8)，和例如由兩個(gè)透鏡元件組成的透鏡(10)。圖2僅僅描繪透鏡元件的主平面。光束路徑的中間焦點(diǎn)(17)位于加入的透鏡元件(16)和光闌/掩模組合(6、7)之間。由場(chǎng)透鏡系統(tǒng)(8)和透鏡(10)組成的成像光學(xué)系統(tǒng)的焦點(diǎn)1(19)位于透鏡(10)和襯底表面(12)之間；成像平面(11)位于襯底表面(12)上。著色區(qū)域(2a)示出具有775nm的中心波長(zhǎng)的fs激光束的一至五階衍射的衍射激光束分量的傳播，所述分量例如從線光柵掩模(7)的中心發(fā)出，其具有200μm的光柵周期以便生成根據(jù)圖1中的(14)的光束強(qiáng)度剖面，但是具有更多數(shù)量的狹縫(在圖1中未描繪)以便透射和衍射輻射。真空容器1(18)圍繞中間焦點(diǎn)(17)，并且真空容器2(20)圍繞焦點(diǎn)1(19)。成像平面(11)位于襯底表面(12)上。由虛線描繪的矩形指示另外的90°偏轉(zhuǎn)鏡(29、30、31)，其可以用于折疊光束路徑并且增加整個(gè)光束引導(dǎo)和成形系統(tǒng)(參見(jiàn)圖5)的緊湊性。然而，如果有足夠長(zhǎng)的空間可用，也可以在沒(méi)有偏轉(zhuǎn)鏡(9、29、30、31)的情況下實(shí)現(xiàn)整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)。

圖4a中示意性地描繪的真空容器1(18)包括由對(duì)激光波長(zhǎng)透明的材料制成的兩個(gè)可互換平面平行圓形窗口(25)，和中空?qǐng)A柱形間隔件(27)，其包括用于連接真空泵的凸緣(28)。窗口以真空密封的方式緊固到間隔件。真空容器1(18)以這樣的方式定位使得激光束焦點(diǎn)(17)位于其中心。為了將兩側(cè)涂覆有透射激光波長(zhǎng)的干涉層系統(tǒng)的窗口(25)的光束暴露盡可能低地保持，平行于光軸的窗口內(nèi)表面之間的距離至少為100mm。

圖4b中示意性地描繪的真空容器2(20)僅僅具有一個(gè)透射窗口(25)以便透射來(lái)自透鏡的激光輻射；透射窗口表面的直徑必須被選擇為大到使得衍射激光束分量(2a)(參見(jiàn)圖2)的至少一至三階衍射的傳播在沒(méi)有障礙的情況下也是可能的。

具有用于透射激光輻射的針孔孔徑(26)的盤(pán)代替窗口被插入以便在沿著襯底表面(12)的方向聚焦之后出現(xiàn)激光輻射；這是由于在該區(qū)域中的激光輻射的強(qiáng)度可以位于窗材料的破壞閾值之上。針孔孔徑(26)的橫截面僅僅略大于該位置處的總激光束橫截面，并且特別是對(duì)于在微結(jié)構(gòu)化和納米結(jié)構(gòu)化領(lǐng)域中的計(jì)劃應(yīng)用，其位于一到幾十平方微米的范圍內(nèi)。在焦點(diǎn)(19)的區(qū)域中避免等離子體所需的真空借助于具有足夠高的抽吸功率的真空泵來(lái)實(shí)現(xiàn)。在真空容器(20)和襯底(13)之間生成橫向氣流的橫向噴射惰性氣體噴嘴(21)被附連以便保護(hù)真空容器2(20)的窗口(25)不被來(lái)自襯底(13)的燒蝕材料占據(jù)。

光束引導(dǎo)變型1優(yōu)選適于實(shí)現(xiàn)很小的成像截面以便生成具有在微米和納米范圍內(nèi)的細(xì)節(jié)尺寸的結(jié)構(gòu)，原因是在焦點(diǎn)1之后不存在其他光學(xué)部件，其像差誤差(例如透鏡元件的像差)可以對(duì)成像的細(xì)節(jié)精度具有不利影響。

光束引導(dǎo)和成形系統(tǒng)中的光束引導(dǎo)變型2

在根據(jù)圖3的光束引導(dǎo)變型2中，類似地使用加入的透鏡元件(16)，由兩個(gè)透鏡元件組成的場(chǎng)透鏡系統(tǒng)(8)，和例如由兩個(gè)透鏡元件組成的透鏡(10)。圖3僅僅描繪透鏡元件的主平面。光束路徑的中間焦點(diǎn)(17)再次位于加入的透鏡元件(16)和光闌/掩模組合(6、7)之間。在該光束引導(dǎo)變型2中，由場(chǎng)透鏡系統(tǒng)(8)和透鏡(10)組成的成像光學(xué)系統(tǒng)的焦點(diǎn)2(22)位于場(chǎng)透鏡系統(tǒng)(8)和透鏡(10)之間，使得具有用于激光輻射的兩個(gè)透射窗口的真空容器(23)可以用于避免焦點(diǎn)2(22)的區(qū)域中的等離子體(參見(jiàn)圖4a)；透射窗口表面的直徑必須選擇為大到使得衍射激光束分量(2a)(參見(jiàn)圖3)的至少一至三階衍射的傳播在沒(méi)有障礙的情況下也是可能的。成像平面(11)位于襯底表面(12)上。在透鏡(10)和襯底(13)之間生成氣流的惰性氣體噴嘴系統(tǒng)(24)被附連以便保護(hù)透鏡(10)不被來(lái)自襯底(13)的燒蝕材料占據(jù)。

由虛線描繪的矩形指示另外的90°偏轉(zhuǎn)鏡(29、30、31)，其可以用于折疊光束路徑并且增加整個(gè)光束引導(dǎo)和成形系統(tǒng)(參見(jiàn)圖5)的緊湊性。

然而，如果有足夠長(zhǎng)的空間可用，也可以在沒(méi)有偏轉(zhuǎn)鏡(9、29、30、31)的情況下實(shí)現(xiàn)整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)。

光束引導(dǎo)變型2優(yōu)選適合于實(shí)現(xiàn)在大于幾個(gè)10μm²至1mm²的范圍內(nèi)的相對(duì)大的成像橫截面。

示例性實(shí)施例：fs激光掩模投射，光束引導(dǎo)變型2

圖5描繪用于實(shí)現(xiàn)光束引導(dǎo)變型2(參見(jiàn)圖3)的fs激光掩模投射系統(tǒng)。帶測(cè)量值的箭頭指定光學(xué)部件之間的距離，單位為毫米。使用四個(gè)90°偏轉(zhuǎn)鏡(29、30、31、9)以便實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的緊湊設(shè)置并且能夠?qū)⑵浼傻健?D-Mikromac AG”的FS-150-10fs激光微結(jié)構(gòu)化裝置中，所述裝置被設(shè)計(jì)用于借助于fs激光聚焦方法進(jìn)行微結(jié)構(gòu)化。在該裝置中使用Clark MXR CPA 2010型激光器作為飛秒激光器；所述激光器具有以下參數(shù)：中心波長(zhǎng)775nm，脈沖持續(xù)時(shí)間150fs，脈沖能量1mJ，脈沖重復(fù)頻率1kHz；激光輸出處的光束直徑3mm，激光束橫截面上的高斯強(qiáng)度分布。借助于光束擴(kuò)展器(3)將光束直徑增加到Rs＝6mm，并且在位置P處的均勻光點(diǎn)處具有3mJ/cm²的激光束脈沖注量的頂部平坦強(qiáng)度分布借助于均化器(4)和加入的透鏡元件(16)形成。這里，借助于具有邊長(zhǎng)為a_O＝3.54mm的方形孔徑的掩模(6)在掩模(7)所處的位置P處的均勻光點(diǎn)處形成激光束脈沖的強(qiáng)度剖面。

借助于場(chǎng)透鏡系統(tǒng)(8)和具有100mm的焦距的成像透鏡(10)，由光闌(6)生成的激光束橫截面和由掩模(7)形成的激光束強(qiáng)度分布的縮小圖像(14)在成像平面(11)中的圖像距離b＝110mm處生成，具有V＝11:1的成像比并且具有280mJ/cm²的激光束脈沖注量。

根據(jù)本發(fā)明的解決方案的優(yōu)點(diǎn)

由于使用fs和ps掩模投射方法，能夠生成具有低至亞微米范圍的細(xì)節(jié)尺寸的微結(jié)構(gòu)。作為例子，這些包括用于具有1μm和更小的光柵周期的可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍的光學(xué)衍射光柵。優(yōu)選通過(guò)逐層結(jié)構(gòu)化燒蝕生成的三維微結(jié)構(gòu)具有高邊緣銳度，高壁陡度以及低壁和基部粗糙度。由于在相鄰的、非結(jié)構(gòu)化襯底區(qū)域上的低的熱和沖擊波負(fù)荷，當(dāng)結(jié)構(gòu)化脆性材料時(shí)，在很大程度上避免了結(jié)構(gòu)邊緣的材料改變和剝落。在使用的激光器的足夠高的脈沖能量和均勻光點(diǎn)的橫截面的可能尺寸以及因此由此產(chǎn)生的掩模的橫截面的可能尺寸的情況下，在微范圍內(nèi)的多光束加工，例如溝槽形和平截頭體形結(jié)構(gòu)的平行生成或薄層堆疊的平行結(jié)構(gòu)化或分離，可以借助于因此在透射掩?？讖降南嗤A(yù)定幾何形狀和它們的彼此距離的情況下生成的部分光束被執(zhí)行。