CN102636464A - 飞秒激光薄膜微纳加工实时监测装置 - Google Patents

飞秒激光薄膜微纳加工实时监测装置 Download PDF

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袁冬青
周明
徐建婷
王辉
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Abstract

本发明是一种飞秒激光薄膜微纳加工实时监测装置，该装置包括激光发生***、外光路***、PC机和三维移动平台；激光发生***发出的激光经外光路***聚焦在聚焦镜上；该装置还设有光谱聚焦镜、光纤探头、光谱仪、增强型CCD和时间延迟控制器；所述的光谱聚焦镜和光纤探头固定在三维移动平台上，光谱仪通过数据线与光纤探头连接，光谱仪还通过信号线与时间延迟控制器连接，时间延迟控制器通过信号线与飞秒激光器连接，飞秒激光器、增强型CCD、光闸和三维移动平台均通过信号线与PC机连接。本发明装置设备简单，操作简便，适用范围广，可实现薄膜微加工的快速检测，它探测元素准确度很高，几乎可以检测任何元素，大大提高了检测效率和可靠性。

Description

飞秒激光薄膜微纳加工实时监测装置
技术领域
本发明属于光谱技术的微加工装置，特别是一种飞秒激光薄膜微纳加工实时监测装置。
背景技术
激光诱导击穿光谱技术在元素识别和定量分析中是一个重要的工具。它具有可选性，破坏性小，分辨率高以及可对固态，液态，气态以及浮质材料进行实时分析，使得该技术的应用范围约来越广泛。
1962年，Fred Brech首先提出用红宝石微波激射器诱导产生等离子体的光谱化学法；1964年Runge以及1965年Rasberry建立定量分析元素含量的参考曲线。1967年Kenneth使用红宝石激光器在矿石上激发等离子体通过对照参考曲线探测矿石中微量元素的含量，并且探测极限达到1000ppm。经过四十多年的发展LIBS经历了以下几个过程：60年代重点是研发一种商品化的能用光电火花源产生等离体的仪器上。70年代主要研究光谱学和直接消融激发，同时研究大气击穿的物理机制。80年代起点人们把LIBS技术应用到光谱化学中，研究提高探测精度及可靠性。90年代中期至今这种技术才得到广泛应用及研究，应用于实际，如环境污染的监测，艺术品的清理以及材料加工的控制等。
随着飞秒激光的出现，由于飞秒激光具有超高的能量密度，在加工材料时具有一定的消融阈值，同时材料是被直接汽化使得加工出的形貌非常的平滑，具有更高的重复性，而这些是传统的纳秒激光加工所无法比拟。因此飞秒激光微加工在MEMS设备制造中具有很重要的地位。但是存在一个问题就是在如此高的脉冲能量下，因为超快激光微制造对于所加工的材料不敏感，当在薄膜上加工微器件时怎样阻止基质材料的熔化。随着对器件的精密化和微型化的要求的提高，现有技术的的激光加工装置已经无法满足新的精密化和微型化的需要。而且传统的加工是通过人工操作，在加工完后通过人工观察，这将影响到加工的效率和连贯性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种结构设置更为合理、可以实现实时监控与高精度加工的飞秒激光薄膜微纳加工装置。
本发明所要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现的。本发明是一种飞秒激光薄膜微纳加工装置，该装置包括激光发生***、外光路***、PC机和三维移动平台；所述的激光发生***依次由泵浦源、飞秒激光器和再生放大器组成；所述的外光路***依次由全反镜、光闸、衰减镜、半透半反镜和聚焦镜组成；激光发生***发出的激光经外光路***聚焦在聚焦镜上；其特点是：该装置还设有光谱聚焦镜、光纤探头、光谱仪、增强型CCD和时间延迟控制器；所述的光谱聚焦镜和光纤探头固定在三维移动平台上，光谱仪通过数据线与光纤探头连接，光谱仪还通过信号线与时间延迟控制器连接，时间延迟控制器通过信号线与飞秒激光器连接，飞秒激光器、增强型CCD、光闸和三维移动平台均通过信号线与PC机连接。
本发明所述的一种飞秒激光薄膜微纳加工装置技术方案中：还可以在半透半反镜的反射方向侧设有能量计。
本发明所述的一种飞秒激光薄膜微纳加工装置技术方案中：优选采用响应波段为200nm～980nm、分辨率为0.1nm的光谱仪。
本发明装置是基于激光诱导击穿光谱技术，它可以实现实时在线检测多种元素的功能。它是一种集超快激光技术、高精度扫描技术、光谱检测技术、软件控制技术于一体的加工检测装置。它采用飞秒激光加工薄膜材料表面，通过接受等离子体光谱从而实时监控加工深度及加工质量，适用于MEMS器件制造过程的实时监控。
本发明装置使用时，首先开启泵浦源，将其产生的激光引入到飞秒激光器的谐振腔中，经振荡后产生的飞秒超短脉冲激光通过再生放大器将能量放大以满足微加工的需要。脉冲激光经过光闸以及衰减镜，可以通过光闸暂停加工过程；后经过衰减镜方便调节激光能量以及对脉冲进行整形，然后经过半透半反镜，实现分束，一束用于实时监测脉冲能量的波动值，另一束经过聚焦镜聚焦到被加工样品表面进行加工。将固体靶材置于三维移动平台上，在PC机上编好平台的移动路线，调节好光谱聚焦镜、光纤探头以及样品三者之间的距离和角度，使得光谱信号的强度为最大，最后固定在三维移动平台上，从而保证加工过程中三者之间的相对静止。通过时间延迟控制器（可优选DG535）调节激光器出光和光谱仪检测信号之间的延迟时间。在此过程中可以实验来优化延迟时间，得到最强的光谱信号。通过PC机内设定的软件控制***驱动三维扫描平台的运动，控制光闸开关，同时还进行元素识别与元素分析，并通过加工实时控制软件对激光器进行控制，因而可以实现薄膜表面微加工、谱线的检测以及加工的控制和参数的及时调整。
本发明装置的PC机可以安装各种元素的光谱数据库，可以通过软件对得到的光谱进行自动识别元素。在对薄膜进行加工时，发生薄膜被击穿现象，使基体产生消融，从而引起加工失效，此时在光谱图中会产生基体元素的信号。此时，可以有两种选择，其一是通过自动控制软件对加工过程进行暂停；其二是通过衰减镜对脉冲能量进行微调或增大三维移动平台的移动速度，以满足加工需要，这有效避免整个加工过程结束以后才可以人工检查到加工失效。这不仅节约了加工效率，同时也可以保证加工质量。
激光诱导击穿光谱（LIBS）技术可以从激光消融下的加工碎片中收集激光的加工深度，从而可以及时的调整加工参数保证加工的质量。当激光被聚焦到被测物体上，到达材料表面的功率密度达到1Gw/cm2，在具有很高功率密度的脉冲激光的轰击下，激光消融了材料表面的一小部分，同时一个寿命很短，具有超高舜态温度（10000℃）的发光等离子体在材料表面形成。在这束等离子体里，剥落材料被分解为激发离子和原子；激光脉冲的最后，因为等离子体以超声速向周围扩散，并且快速冷却。在这个过程中激发的离子和原子向低能态转变时辐射出特征光谱。通过灵敏的光谱仪探测并分析辐射光谱就能得到被消融材料中元素的种类。而飞秒激光的特性决定了其激发产生的等离子体的重复性高，探测精度比纳秒激光有很大的提升。通过该方法可以对加工飞秒激光的微加工进行实时检测和控制。
与现有技术相比，本发明装置设备简单，适用范围广。可实现微加工质量的快速检测。该装置探测元素的种类和精度很高，几乎可以检测任何元素，大大提高了检测效率和可靠性。该装置操作简便，调整好光路和延迟时间后，整个操作就是简单的自动化操作，通过激光能量和三维移动平台的移动速度直接决定加工的质量。
附图说明
图1 为本发明装置的结构示意图；
图2-3为采用本发明装置加工薄膜样品的实验结果图。
 
具体实施方式
以下参照附图，进一步描述本发明的具体技术方案，以便于本领域的技术人员进一步地理解本发明，而不构成对其权利的限制。
实施例1，参照图1，一种飞秒激光薄膜微纳加工装置，该装置包括激光发生***、外光路***、PC机15和三维移动平台11；所述的激光发生***依次由泵浦源1、飞秒激光器2和再生放大器3组成；所述的外光路***依次由全反镜4、光闸5、衰减镜7、半透半反镜8和聚焦镜9组成；激光发生***发出的激光经外光路***聚焦在聚焦镜9上；其特征在于：该装置还设有光谱聚焦镜10、光纤探头12、光谱仪13、增强型CCD14和时间延迟控制器16；所述的光谱聚焦镜10和光纤探头12固定在三维移动平台11上，光谱仪13通过数据线与光纤探头12连接，光谱仪13还通过信号线与时间延迟控制器16连接，时间延迟控制器16通过信号线与飞秒激光器2连接，飞秒激光器2、增强型CCD14、光闸5和三维移动平台11均通过信号线与PC机15连接。
实施例2，实施例1所述的飞秒激光薄膜微纳加工装置中：在半透半反镜8的反射方向侧设有能量计6。
实施例3，实施例1或2所述的飞秒激光薄膜微纳加工装置中：所述的光谱仪的响应波段为200nm～980nm，分辩率为0.1nm。
使用本实施例的飞秒激光薄膜微纳加工装置进行加工薄膜样品的实验。进行加工监控之前，首先打开光闸5，调节衰减镜7，通过能量计6检测脉冲能量，并且手动调节聚焦镜9的位置，使得光束聚焦到置于三维移动平台11的样品表面。调节光谱聚焦镜10和光纤探头12与样品之间的距离和角度，当能够通过光谱仪13、增强型CCD14、时间延迟控制器（DG535）16以及PC机15获得加最强等离子体谱线时，把光谱聚焦镜10和光纤探头12固定在三维移动平台11表面，保持加工过程中样品、光谱聚焦镜10和光纤探头12三者之间的相对静止，从而避免因位置移动而造成谱线强度的波动。
由于等离子体的寿命只有几十微秒，所以控制光谱仪13采集信号的时间是关键问题。整个采集信号的时序为：PC机15控制着光谱仪13的首个触发信号，由Ext Trig接口给DG535输入一个外触发信号，而DG535分别与光谱仪13的Lamp Sync以及飞秒激光器2的Ext Trig接口相连。而这两个端口的信号分别控制着光谱仪13采集信号的时间和飞秒激光器2出光的时间；通过时间延迟控制器（DG535）16调节光谱仪13、增强型CCD14、飞秒激光器2之间的延迟时间，以获得信噪比较高的元素特征谱线。
通过PC机15中的元素识别软件设定合适的谱线强度阈值，通过加工实时控制软件控制飞秒激光器2、光闸5、三维移动平台11，从而实现加工的实时监控。
图2和图3是激光加工薄膜样品的初步实验结果图。通过不同能量的激光来加工样品，可以发现光谱信号对激光所消融的材料是敏感的，从而说明本发明装置可以有效的监测并控制微加工过程。图2为采用本发明装置加工以Si为基体的Au薄膜，此时激发能量为7.5mJ，谱线中没有发现Si元素，反映了薄膜没有被击穿，加工正常。图3为激发能量为20mJ时，谱线中出现了Si元素，说明加工失效，基体已经被烧蚀，此时可以通过本***装置，及时调整激光的加工能量，避免加工失效的延续。

Claims (3)

1.一种飞秒激光薄膜微纳加工实时监测装置，该装置包括激光发生***、外光路***、PC机和三维移动平台；所述的激光发生***依次由泵浦源、飞秒激光器和再生放大器组成；所述的外光路***依次由全反镜、光闸、衰减镜、半透半反镜和聚焦镜组成；激光发生***发出的激光经外光路***聚焦在聚焦镜上；其特征在于：该装置还设有光谱聚焦镜、光纤探头、光谱仪、增强型CCD和时间延迟控制器；所述的光谱聚焦镜和光纤探头固定在三维移动平台上，光谱仪通过数据线与光纤探头连接，光谱仪还通过信号线与时间延迟控制器连接，时间延迟控制器通过信号线与飞秒激光器连接，飞秒激光器、增强型CCD、光闸和三维移动平台均通过信号线与PC机连接。
2.根据权利要求1所述的一种飞秒激光薄膜微纳加工实时监测装置，其特征在于：在半透半反镜的反射方向侧设有能量计。
3.根据权利要求1所述的一种飞秒激光薄膜微纳加工装置，其特征在于：所述的光谱仪的响应波段为200nm～980nm，分辩率为0.1nm。
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