CN112108759B - 一种基于飞秒激光大幅面微纳制造的双光束干涉*** - Google Patents

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Abstract

一种基于飞秒激光大幅面微纳制造的双光束干涉***，包括防震平台上连接的飞秒激光器以及冷却发生装置、激光扩束***、准直校正***、激光光场初始化调制***、激光光束整形***以及飞秒激光双光束干涉光学***；在飞秒激光双光束干涉光学***正下方设置有可控四位点高精度移动平台，可控四位点高精度移动平台与准直校正***通过工控机集成控制***控制；飞秒激光器以及冷却发生装置发出的激光依次经过激光扩束***、准直校正***、激光光场初始化调制***、激光光束整形***以及飞秒激光双光束干涉光学***对可控四位点高精度移动平台上的基底进行加工；本发明高效率、高质量地制备大面积周期性微纳结构，提高表面结构的均一性以及周期性可控度。

Description

一种基于飞秒激光大幅面微纳制造的双光束干涉***
技术领域
本发明涉及飞秒激光微纳制造技术领域，尤其涉及一种基于飞秒激光大幅面微纳制造的双光束干涉***。
背景技术
由于飞秒激光具有高的峰值能量密度、热效应影响小、高分辨率、可以突破光的衍射极限、对基底选择性低、非平面三维可移动以及非接触加工等独特优势，已经被广泛应用于各种微纳制造业，如微电子器件、微流控芯片和功能性表面制备等。随着激光干涉加工技术的发展，基于飞秒激光的干涉加工技术也被逐渐研究，飞秒激光干涉加工可以在微小区域高效快速获得高质量、高精度的周期性微结构，同时也可以获得亚微米级甚至亚波长级周期性纳米结构。
但是，相对于基于纳秒激光以及连续激光的双光束或多光束干涉加工技术而言，飞秒激光由于脉冲宽度太短的原因，导致飞秒激光的相干长度只有几个微米到几十个微米，这相对于纳秒激光可获得几米的相干长度而言，极大地限制了其大幅面加工的实现，从而限制了基于飞秒激光多光束干涉加工技术的实际应用。此外，由于目前大多采用半反半透镜等光学元件对飞秒激光进行直接分束来获得满足光束干涉条件的多束激光束，一方面采用直接分束的方法需要复杂的光路、光路调整复杂、操作困难；另一方面，由于飞秒激光属于高斯型光束，采用直接分束的方法获得干涉的多激光束，光场依旧呈现高斯分布，存在光强不均匀的缺点，使得利用干涉后的光束对基底进行加工时，造成表面形貌的局部不平整、结构周期性混乱等问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于飞秒激光大幅面微纳制造的双光束干涉***，能够高效率、高质量地制备大面积周期性微纳结构，同时有效提高表面结构的均一性以及周期性可控度。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于飞秒激光大幅面微纳制造的双光束干涉***，包括防震平台Ⅸ，防震平台Ⅸ上连接有飞秒激光器以及冷却发生装置Ⅰ，防震平台Ⅸ上连接的固定架呈现直立式安装，固定架上设置有激光扩束***Ⅱ、准直校正***Ⅲ、激光光场初始化调制***Ⅳ、激光光束整形***Ⅴ以及飞秒激光双光束干涉光学***Ⅵ；激光扩束***Ⅱ、准直校正***Ⅲ、激光光场初始化调制***Ⅳ、激光光束整形***Ⅴ以及飞秒激光双光束干涉光学***Ⅵ均搭载在各自的光学元件底座上，在飞秒激光双光束干涉光学***Ⅵ正下方设置有可控四位点高精度移动平台Ⅶ，可控四位点高精度移动平台Ⅶ与准直校正***Ⅲ共同通过工控机集成控制***Ⅷ进行控制与调节；
飞秒激光器以及冷却发生装置Ⅰ发出的激光依次经过激光扩束***Ⅱ、准直校正***Ⅲ、激光光场初始化调制***Ⅳ、激光光束整形***Ⅴ以及飞秒激光双光束干涉光学***Ⅵ对可控四位点高精度移动平台Ⅶ上通过液压锁紧***B固定的基底A进行加工。
所述的可控四位点高精度移动平台Ⅶ由高精度三维加工移动平台20和其上连接的可旋转液压柔性夹具21组成，高精度三维加工移动平台20和可旋转液压柔性夹具21通过工控机集成控制***Ⅷ的控制调节。
所述的飞秒激光器以及冷却发生装置Ⅰ中设置有波长为1030nm、脉冲宽度为240fs的飞秒激光器1和具有实时监控作用的冷却降温***。
所述的激光扩束***Ⅱ由第三1030nm全反射镜4、焦距为100mm的凹透镜5以及焦距为200mm的凸透镜6组成，第三1030nm全反射镜4、焦距为100mm的凹透镜5以及焦距为200mm的凸透镜6均通过各自的光学元件底座以螺栓连接的方式依次安装在固定架上。
所述的准直校正***Ⅲ是一个焦点随动检测装置，实时监测整个光束的传播，并通过工控机集成控制***Ⅷ对其作出反馈。
所述的激光光场初始化调制***Ⅳ由第一1/2λ波片8和第一Glan-Taylor棱镜9集成封装构成，对激光光场进行初始调制以控制适当的光强和偏振方向。
所述的激光光束整形***Ⅴ由光阑11和柱透镜12组成，对点状光斑进行空间上的整形，使其转变为矩形光斑。
所述的飞秒激光双光束干涉光学***Ⅵ中集成有衍射光学元件(DOE)13、光学棱镜16以及非球面透镜17，应用于形成双光束干涉光学***以用于后期通过液压锁紧***B固定的基底A的功能性加工需求。
由飞秒激光器1产生初始激光，激光束依次经过第一1030nm全反射镜2、第二1030nm全反射镜3，将平行于防震平台Ⅸ的激光束改变为垂直于防震平台Ⅸ的激光束；随之激光束经过激光扩束***Ⅱ中的第三1030nm全反射镜4将激光传播路径改变为平行于安装在防震平台Ⅸ上固定架的方向，激光束依次经过焦距为100mm的凹透镜5和焦距为200mm的凸透镜6完成激光扩束；激光束进入附有焦点随动检测装置的准直校正***7，对扩束后的激光束进行传播路径的校正；经过准直校正后的激光束经过第一1/2λ波片8和第一Glan-Taylor棱镜9以达到对初始激光光场中光强特征的调控作用；同时在第四1030nm全反射镜10的作用下，使经过初始调制的激光进入由光阑11、柱透镜12组成的激光光束整形***Ⅴ，将点状光斑转变为矩形光斑；经空间整形的激光束继续传播，到达衍射光学元件(DOE)13，在衍射光学元件(DOE)13的相位光学裁剪的作用下，一方面形成具有稳定相位差的两束激光束，另一方面对原本呈现“高斯型”光束分布的激光进行了光强均匀化处理，从而使得在产生满足干涉所需的双光束的同时实现了光场均一化处理；分束后的两束激光束分别在第二1/2λ波片14、第二Glan-Taylor棱镜15以及第三1/2λ波片19、第三Glan-Taylor棱镜18组成的光场调制***的作用下对两束光的偏振方向和光强进行调控，以达到实现稳定干涉的条件中的具有相同的偏振方向；经过调制的两激光束通过光学棱镜16的作用转变为两束平行光束，平行光束继续传播经过非球面透镜17进行会聚，最终形成基于飞秒激光的双光束干涉加工***。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
由于采用了固定架来搭载主要的光路，使得整个飞秒激光双光束干涉***结构紧凑，一定程度上提高了整个***的稳定性；
在激光光束整形***中引入了光阑和柱透镜，将点光斑进行初步形状改变，使其转换为矩形光斑，配合衍射光学元件(DOE)对矩形光束进一步进行光裁剪，一方面柱透镜的引入配合衍射光学元件(DOE)的相位裁剪使得飞秒激光的相干长度得到数倍的提升，极大地解决了相干长度限制飞秒激光干涉大面积加工制备周期性微纳结构的问题，另一方面，由于衍射光学元件(DOE)的存在，解决了直接分束时光路复杂、难以调控的问题，同时衍射光学元件(DOE)的相位光学裁剪对分束时的高斯型光束进行了光裁剪，使得光强分布均匀，这对于解决获得的微纳结构的周期性混乱、局部不平整等特征尺寸方面的缺点是十分有利的。
在激光光场初始调制***和经衍射光学元件(DOE)进行分束后的两束激光束中分别设置有1/2λ波片和Glan-Taylor棱镜，其于激光光场初始调制***中有着防止激光能量过高而损坏光学元件的作用，减少或避免带来成本负担；而在分束后的两分光束中设置有1/2λ波片和Glan-Taylor棱镜，一方面可以方便调整两激光束的光场特征如偏振方向和光强等来满足形成稳定干涉条纹的条件，另一方面可以通过调整两者达到不同的能量调制加工的方式来获得不同特征尺寸的周期性微纳结构，从而实现不同的功能性需求。
可控四位点高精度移动加工平台的引入再次为实现基于飞秒激光双光束干涉加工大面积周期性微纳结构提供了条件，而且由于可旋转液压柔性夹具的存在，可以实现对于柔性材料、曲面基底的干涉加工。
本发明在保留了快速高效制备周期性微纳结构的同时实现了大幅面制备、高质量、高的灵活性，在一定范围内可以实现曲面和柔性材料大幅面周期性微纳结构的干涉加工制造。
附图说明
图1为本发明的框架示意图。
图2为本发明的控制示意图。
图3为本发明可控四位点高精度加工移动平台三维示意图。
图4为本发明的光路示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行进一步说明。
如图1、图2所示，一种基于飞秒激光大幅面微纳制造的双光束干涉***，包括防震平台Ⅸ，防震平台Ⅸ上分布有等间距阵列排布的定特征尺寸螺纹孔，在防震平台Ⅸ通过螺栓连接固定有各光学***底座和固定架；其中飞秒激光器以及冷却发生装置Ⅰ直接通过螺栓连接固定在防震平台Ⅸ上，所述固定架呈现直立式安装，其上设置有激光扩束***Ⅱ、准直校正***Ⅲ、激光光场初始化调制***Ⅳ、激光光束整形***Ⅴ以及飞秒激光双光束干涉光学***Ⅵ；激光扩束***Ⅱ、准直校正***Ⅲ、激光光场初始化调制***Ⅳ、激光光束整形***Ⅴ以及飞秒激光双光束干涉光学***Ⅵ均搭载在各自的光学元件底座上，底座通过螺栓连接安装在防震平台Ⅸ上，在飞秒激光双光束干涉光学***Ⅵ正下方设置有可控四位点高精度移动平台Ⅶ，可控四位点高精度移动平台Ⅶ与准直校正***Ⅲ共同通过工控机集成控制***Ⅷ进行控制与调节，可控四位点高精度移动平台Ⅶ能够实现旋转和三维坐标方向下的高精度调节，以满足如大面积微纳制造、柔性材料加工以及曲面加工等不同的功能需求；
飞秒激光器以及冷却发生装置Ⅰ发出的激光依次经过激光扩束***Ⅱ、准直校正***Ⅲ、激光光场初始化调制***Ⅳ、激光光束整形***Ⅴ以及飞秒激光双光束干涉光学***Ⅵ对可控四位点高精度移动平台Ⅶ上通过液压锁紧***B固定的基底A进行加工。
如图3所示，所述可控四位点高精度移动平台Ⅶ由高精度三维加工移动平台20和其上连接的可旋转液压柔性夹具21组成，高精度三维加工移动平台20和可旋转液压柔性夹具21在工控机集成控制***Ⅷ的控制调节下，一方面再次实现基于飞秒激光双光束干涉大幅面微纳加工制造的需求，另一方面，两者的协同配合可以在一定范围内实现柔性材料以及曲面的大幅面周期性微纳结构制造。
如图1、图2和图4所示，所述的飞秒激光器以及冷却发生装置Ⅰ中设置有波长为1030nm、脉冲宽度为240fs的飞秒激光器1和具有实时监控作用的冷却降温***；
所述的激光扩束***Ⅱ由第三1030nm全反射镜4、焦距为100mm的凹透镜5以及焦距为200mm的凸透镜6组成，第三1030nm全反射镜4、焦距为100mm的凹透镜5以及焦距为200mm的凸透镜6均通过各自的光学元件底座以螺栓连接的方式依次安装在固定架上；
所述的准直校正***Ⅲ本质上是一个焦点随动检测装置，用来实时监测整个光束的传播，并通过工控机集成控制***Ⅷ对其作出反馈，以保证整个光路中激光束的精确传播，达到便于调整的目的；
所述的激光光场初始化调制***Ⅳ由第一1/2λ波片8和第一Glan-Taylor棱镜9集成封装构成，其主要用于对激光光场进行初始调制以控制适当的光强和偏振方向，对后续光路中各光学元件尤其是衍射光学元件(DOE)13起到保护作用，同时对人身安全也形成一定程度上的防护机制；
所述的激光光束整形***Ⅴ由光阑11和柱透镜12组成，其主要用于对点状光斑进行空间上的整形，使其转变为矩形光斑，初步解决飞秒激光干涉加工中由于相干长度短而限制其加工面积的问题；
所述的飞秒激光双光束干涉光学***Ⅵ中集成有衍射光学元件(DOE)13、光学棱镜16以及非球面透镜17，主要应用于形成双光束干涉光学***以用于后期通过液压锁紧***B固定的基底A的功能性加工需求；
参照图4，由波长为1030nm、脉冲宽度为240fs的飞秒激光器1产生初始激光，激光束依次经过第一1030nm全反射镜2、第二1030nm全反射镜3，将平行于防震平台Ⅸ的激光束改变为垂直于防震平台Ⅸ的激光束；随之激光束经过激光扩束***Ⅱ中的第三1030nm全反射镜4将激光传播路径改变为平行于安装在防震平台Ⅸ上固定架的方向，激光束依次经过焦距为100mm的凹透镜5和焦距为200mm的凸透镜6完成激光扩束的目的；激光束进入附有焦点随动检测装置的准直校正***7，对扩束后的激光束进行传播路径的校正，以方便后续光路的设计与光学元件的调整；然后经过准直校正后的激光束经过第一1/2λ波片8和第一Glan-Taylor棱镜9以达到对初始激光光场中光强等特征的调控作用，来避免激光能量密度过大对光学***中后续光学元件的破坏以及人身安全的伤害；同时在第四1030nm全反射镜10的作用下，使经过初始调制的激光进入由光阑11、柱透镜12组成的激光光束整形***Ⅴ，在其二者的作用下将点状光斑转变为矩形光斑，以初步解决飞秒激光双光束***由于相干长度加工面积受限的问题；经空间整形的激光束继续传播，到达衍射光学元件(DOE)13，在衍射光学元件(DOE)13的相位光学裁剪的作用下，一方面形成具有稳定相位差的两束激光束，另一方面对原本呈现“高斯型”光束分布的激光进行了光强均匀化处理，从而使得在产生满足干涉所需的双光束的同时实现了光场均一化处理；分束后的两束激光束分别在第二1/2λ波片14、第二Glan-Taylor棱镜15以及第三1/2λ波片19、第三Glan-Taylor棱镜18组成的光场调制***的作用下对两束光的偏振方向和光强进行调控，以达到实现稳定干涉的条件中的具有相同的偏振方向；经过调制的两激光束通过光学棱镜16的作用转变为两束平行光束，平行光束继续传播经过非球面透镜17进行会聚，最终形成基于飞秒激光的双光束干涉加工***；通过调节高精度三维加工移动平台20和可旋转液压柔性夹具21使得通过液压锁紧***B固定的基底A处于双光束干涉后的适当区域进行大面积周期性微结构的加工，一般来讲，直接使用基于飞秒激光的双光束干涉***进行加工得到的是周期性排列的微槽或微坑结构，微结构上附着有大量的纳米结构，当配合可旋转液压柔性夹具21时，在将样品水平旋转90°的情况下可以实现乳突状周期性微结构的加工制备，同时获得亚波长的纳米结构，此外采用第二1/2λ波片14、第二Glan-Taylor棱镜15以及第三1/2λ波片19、第三Glan-Taylor棱镜18分别对两激光束进行光强调制与不同样品放置方式组合的工艺方法可以实现单一或多功能性表面结构如各向异性疏水表面等的制备。
本发明使得飞秒激光干涉加工效率、加工质量均进一步实现提高与可控增强，不仅有效地解决了飞秒激光由于自身相干长度受限的大幅面加工难的问题，而且在获得大面积周期性微结构的同时可以获得大量亚波长的纳米结构。此外，还可以在一定范围内适用于柔性材料或曲面基底大幅面微纳结构的加工制造。

Claims (4)

1.一种基于飞秒激光大幅面微纳制造的双光束干涉***，包括防震平台(Ⅸ)，其特征在于：防震平台(Ⅸ)上连接有飞秒激光器以及冷却发生装置(Ⅰ)，防震平台(Ⅸ)上连接的固定架呈现直立式安装，固定架上设置有激光扩束***(Ⅱ)、准直校正***(Ⅲ)、激光光场初始化调制***(Ⅳ)、激光光束整形***(Ⅴ)以及飞秒激光双光束干涉光学***(Ⅵ)；激光扩束***(Ⅱ)、准直校正***(Ⅲ)、激光光场初始化调制***(Ⅳ)、激光光束整形***(Ⅴ)以及飞秒激光双光束干涉光学***(Ⅵ)均搭载在各自的光学元件底座上，在飞秒激光双光束干涉光学***(Ⅵ)正下方设置有可控四位点高精度移动平台(Ⅶ)，可控四位点高精度移动平台(Ⅶ)与准直校正***(Ⅲ)共同通过工控机集成控制***(Ⅷ)进行控制与调节；
飞秒激光器以及冷却发生装置(Ⅰ)发出的激光依次经过激光扩束***(Ⅱ)、准直校正***(Ⅲ)、激光光场初始化调制***(Ⅳ)、激光光束整形***(Ⅴ)以及飞秒激光双光束干涉光学***(Ⅵ)对可控四位点高精度移动平台(Ⅶ)上通过液压锁紧***(B)固定的基底(A)进行加工；
所述的可控四位点高精度移动平台(Ⅶ)由高精度三维加工移动平台(20)和其上连接的可旋转液压柔性夹具(21)组成，高精度三维加工移动平台(20)和可旋转液压柔性夹具(21)通过工控机集成控制***(Ⅷ)的控制调节，一方面实现基于飞秒激光双光束干涉大幅面微纳加工制造的需求，另一方面，两者的协同配合在一定范围内实现柔性材料以及曲面的大幅面周期性微纳结构制造；
所述的准直校正***(Ⅲ)是一个焦点随动检测装置，实时监测整个光束的传播，并通过工控机集成控制***(Ⅷ)对其作出反馈；
所述的飞秒激光双光束干涉光学***(Ⅵ)中集成有衍射光学元件(13)、光学棱镜(16)以及非球面透镜(17)，应用于形成双光束干涉光学***以用于后期通过液压锁紧***(B)固定的基底(A)的功能性加工需求，即采用第二1/2λ波片(14)、第二Glan-Taylor棱镜(15)以及第三1/2λ波片(19)、第三Glan-Taylor棱镜(18)分别对两激光束进行光强调制与不同样品放置方式组合的工艺方法实现单一或多功能性表面结构的制备；
由飞秒激光器(1)产生初始激光，激光束依次经过第一1030nm全反射镜(2)、第二1030nm全反射镜(3)，将平行于防震平台(Ⅸ)的激光束改变为垂直于防震平台(Ⅸ)的激光束；随之激光束经过激光扩束***(Ⅱ)中的第三1030nm全反射镜(4)将激光传播路径改变为平行于安装在防震平台(Ⅸ)上固定架的方向，激光束依次经过焦距为100mm的凹透镜(5)和焦距为200mm的凸透镜(6)完成激光扩束；激光束进入附有焦点随动检测装置的准直校正***(7)，对扩束后的激光束进行传播路径的校正；经过准直校正后的激光束经过第一1/2λ波片(8)和第一Glan-Taylor棱镜(9)以达到对初始激光光场中光强特征的调控作用；同时在第四1030nm全反射镜(10)的作用下，使经过初始调制的激光进入由光阑(11)、柱透镜(12)组成的激光光束整形***(Ⅴ)，将点状光斑转变为矩形光斑；经空间整形的激光束继续传播，到达衍射光学元件(13)，在衍射光学元件(13)的相位光学裁剪的作用下，一方面形成具有稳定相位差的两束激光束，另一方面对原本呈现“高斯型”光束分布的激光进行了光强均匀化处理，从而使得在产生满足干涉所需的双光束的同时实现了光场均一化处理；分束后的两束激光束分别在第二1/2λ波片(14)、第二Glan-Taylor棱镜(15)以及第三1/2λ波片(19)、第三Glan-Taylor棱镜(18)组成的光场调制***的作用下对两束光的偏振方向和光强进行调控，以达到实现稳定干涉的条件中的具有相同的偏振方向；经过调制的两激光束通过光学棱镜(16)的作用转变为两束平行光束，平行光束继续传播经过非球面透镜(17)进行会聚，最终形成基于飞秒激光的双光束干涉加工***。
2.根据权利要求1所述的一种基于飞秒激光大幅面微纳制造的双光束干涉***，其特征在于：所述的飞秒激光器以及冷却发生装置(Ⅰ)中设置有波长为1030nm、脉冲宽度为240fs的飞秒激光器(1)和具有实时监控作用的冷却降温***。
3.根据权利要求1所述的一种基于飞秒激光大幅面微纳制造的双光束干涉***，其特征在于：所述的激光扩束***(Ⅱ)由第三1030nm全反射镜(4)、焦距为100mm的凹透镜(5)以及焦距为200mm的凸透镜(6)组成，第三1030nm全反射镜(4)、焦距为100mm的凹透镜(5)以及焦距为200mm的凸透镜(6)均通过各自的光学元件底座以螺栓连接的方式依次安装在固定架上。
4.根据权利要求1所述的一种基于飞秒激光大幅面微纳制造的双光束干涉***，其特征在于：所述的激光光场初始化调制***(Ⅳ)由第一1/2λ波片(8)和第一Glan-Taylor棱镜(9)集成封装构成，对激光光场进行初始调制以控制适当的光强和偏振方向。
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