CN115629480A - 一种基于矢量图结构和光场调制的激光刻印***与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于矢量图结构和光场调制的激光刻印***和方法，涉及光学及激光加工领域。该***主要包括：激光器、光束整型与偏振调制模块、光束调制模块、物镜。本发明通过解析矢量图信息获取待加工结构的基本构成形状、尺寸和位置信息，进而设计相应的空间光调制器全息相位图，并在激光加工***中通过空间光调制器加载全息相位图进行相位调制，在物镜的聚焦平面直接生成这些基本形状所对应的矢量光斑(包括而不限于点、线段、圆、椭圆、曲线)，全自动的在材料上直接刻印这些基本结构，实现对复杂结构的平面加工，最后结合逐层加工技术，实现对复杂结构的三维加工，显著降低加工不确定性，极大提升加工效率、精度、一致性和光滑性。

Description

一种基于矢量图结构和光场调制的激光刻印***与方法

技术领域

本发明涉及光学及激光加工领域，特别涉及一种基于矢量图结构和光场调制的高速激光直接刻印***与方法。

背景技术

现有的激光微加工技术在加工结构时，首先读入要加工结构的图形，然后将图形转换为坐标的点云信息，最后通过激光逐点照射待加工的坐标点云，从而加工想要的平面结构。对于三维结构，则通过逐层加工平面结构，最终实现三维结构的加工。

通常激光加工中使用的光斑为细小的点状光斑(如高斯光束、贝塞尔高斯光束等等)，在逐点加工过程中，由于激光焦点的定位精度、定位抖动、加工时间控制精度等的影响，不可避免对加工结构的均匀性、一致性和结构表面光滑性产生影响。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种基于矢量图结构和光场调制的激光刻印***与方法。

一种基于矢量图结构和光场调制的激光刻印***，包括：激光器、光束整型与偏振调制模块、光束调制模块、物镜；

所述激光器出射相应的激光光束并入射至所述光束整型与偏振调制模块，经所述光束整型与偏振调制模块整型和偏振态调节后的激光光束入射至所述光束调制模块，所述光束调制模块对激光光束按加工流程实时加载待加工结构基本形状的全息相位图以生成与矢量加工路径相对应的矢量光斑，调制后的矢量光斑入射至所述物镜的后孔径平面，所述物镜对入射至后孔径平面的光束进行聚焦，汇聚至待加工结构上实现待加工结构的激光刻印。

进一步地，所述光束调制模块为反射式相位型空间光调制器。

进一步地，所述整型和偏振态调节包括：空间光滤波、扩束和偏振态调节。

进一步地，

经所述光束整型与偏振调制模块扩束后的激光光束通过第一反射镜入射至所述光束调制模块；

调制后的激光光束依次经过小孔光阑、二向色镜入射至所述物镜的后孔径平面；其中，所述小孔光阑用于隔档光束调制模块产生的零级光斑；所述二向色镜用以反射调制后的矢量光斑和透射光刻胶发射的荧光；所述荧光通过第二反射镜入射至相机，所述的相机用于实时观察光刻结构；

该***还包括平移台，其用于移动待加工结构在空间中的位置；

该***还包括控制***，其用于控制所述光束调制模块对激光光束按加工流程实时加载全息相位图以生成与矢量加工路径相对应的矢量光斑。

一种基于矢量图结构和光场调制的激光刻印方法，包括：

激光器发出激光光束；

对激光光束进行整型和偏振态调节；

对整型和偏振态调节后的激光光束通过光束调制模块进行调制，按加工流程实时加载待加工结构基本形状的全息相位图以生成与矢量加工路径相对应的矢量光斑；

将矢量光斑汇聚至待加工结构上，实现待加工结构的激光刻印。

进一步地，所述全息相位图的生成，具体包括：

对待加工结构的矢量图进行解析尺寸和解析结构；所述解析尺寸为将复杂矢量图形解析为n个分区，所述解析结构为将复杂矢量图解析为基本形状；

对结构分区通过匹配矢量图来找到对应的基本形状，并通过基本形状、位置和走向来生成相应的基本形状全息相位图。

进一步地，所述全息相位图的生成，还包括：

对于穿越两个分区的曲线，通过该曲线函数计算得到边界点的位置，以边界点的位置作为该曲线在一个分区中的新终点，结合其起始点，重新生成该曲线在一个分区中部分的曲线函数，同时，以边界点的位置作为该曲线在另一个分区中的新起点，结合其终点或另一个边界点，重新生成该曲线在另一个分区中部分的曲线函数。

进一步地，

所述基本形状包括：圆形、椭圆型、直线型、弧线型、点型；

所述基本形状全息相位图包括：圆型相位图、椭圆型相位图、直线型相位图、弧线型相位图、点型相位图；

其中，能够通过一个全息相位图同时产生多个基本形状。

进一步地，所述基本形状全息相位图的生成，包括：

所述点型光斑相位图，通过贝塞尔高斯光束相位得到；

所述直线型相位图，通过艾里光斑通过增加旋转变换得到；

所述弧线型相位图，通过完美涡旋光斑结合离散相位得到；

所述封闭曲线相位图，通过弧线形光斑拼接得到。

进一步地，所述将矢量光斑汇聚至待加工结构上，实现待加工结构的激光刻印，包括：

对待加工结构进行加工时，打开激光器，在光束调制模块上按一定时间顺序加载全息相位图并实时调节激光能量，完成一个结构分区内图形的加工，关闭激光器；

将待加工结构水平移动至下一个结构分区，完成下一个结构分区内图形的加工；重复所有结构分区实现单层平面的加工；

将待加工结构垂直移动，并完成此平面上每个结构分区内图形的加工；重复所有层的结构分区实现三维结构加工。

本发明实施例提供的上述基于矢量图结构和光场调制的高速激光直接刻印***与方法，与现有技术相比，其有益效果如下：

本发明通过光场调控技术结合矢量路径的方法，将一个复杂的图形(杂光斑结构，例如可以自由定义形状和尺寸、并实现的圆、线段、弧线等)分解成基本形状，然后按基本形状去加工合成这个复杂图形，这种技术改变以前的点加工过程为结构的直接打印或刻印，将极大提高加工效率、精度、一致性和光滑性。即本发明可以直接加工由基本形状所构成的复杂结构，显著降低逐点加工所产生的加工不确定性，极大提升加工效率、精度、一致性和光滑性，这在宏观加工和微观加工技术中均具有革命性的意义。

附图说明

图1为一个实施例中提供的一种基于矢量图结构和光场调制的高速激光直接刻印***结构示意图；

图2为一个实施例中提供的复杂矢量图像解析实现矢量路径加工流程图；

图3为一个实施例中提供的物镜聚焦区域点型光斑(a)、直线型光斑(b)、弧线型光斑(c)、圆型光斑(d)、椭圆型光斑(e)仿真模拟相位图和光强分布图；

图4为一个实施例中提供的利用基本矢量光斑合成的复杂图形模拟结果图；其中，图(a)为进行逐点进行加工的图案仿真模拟光强分布图；图(b)为基于矢量图结构和光场调制加工同图(a)相同结构的仿真模拟光强分布图；图(c)为基于矢量图结构和光场调制加工指纹结构的仿真光强图；图(d)为基于矢量图结构和光场调制加工复杂图案的仿真光强图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

实施例1

如图1所示为本发明中基于矢量图结构和光场调制的高速激光直接刻印***示意图，该***包括：飞秒激光器(Coherent，ChameleonUltra II)1、光束整型与偏振调制模块(OptoSigma，SFB-16DM)2、反射镜3、液晶空间光调制器(LETO，HOLOEYE Photonics AG，Germany，PLUTO-NIR-011，420nm～1100nm)4、小孔光阑5、二向色镜6、物镜(Olympus，NA1.25，100X)7、平移台(PI，E-712.6CDA)8、控制***9、计算机10、白光光源11、反射镜12、相机13。具体地：

激光器出射相应波长的光束并入射至光束整型与偏振调制模块，整型与偏振调制后的光束经反射镜入射至光束调制模块，调制后的光束经二向色镜入射至物镜的入瞳平面。

光束整型与偏振调制模块对激光器出射的光束进行整型和偏振态调节，例如：对光束进行空间光滤波、扩束和偏振态调节等。

光束调制模块对入射的光束进行调制，并入射至物镜的入曈平面，所述的物镜对入瞳平面的光束进行汇聚，汇聚至待加工的材料上；所述的光束调制模块为反射式相位型空间光调制器用以实时调控基本矢量光斑的生成。

小孔光阑用于隔档光束调制模块产生的零级光斑。

所述反射镜对光束反射以分别入射至反射式相位型空间光调制器和物镜的入瞳处。

平移台用以移动待加工结构在空间中的位置。

二向色镜用以反射调制后的矢量光斑和透射光刻胶发射的荧光。

控制***用以控制微米纳米平移台按相应区域移动，以及控制空间光调制器按加工流程实时加载全息相位图，以生成与加工路径相对应的矢量光斑。

相机用以实时观察光刻结构。

实施例2

本发明实施例提供一种基于矢量图结构和光场调制的高速激光直接刻印方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、激光器出射相应波长的激光，并入射至光束整型与偏振调制模块。

步骤二、光束整型与偏振调制模块对入射的激光光束进行整型和偏振态调节，例如：对光束进行空间光滤波、扩束和偏振态调节等；调节后的光束经反射镜入射至光束调制模块。

步骤三、光束调制模块对整型后的激光光束进行调制，生成所需的矢量光斑，并经二向色镜反射至物镜的入瞳平面。

进一步的，参见图2，步骤三中，对整型后的激光光束进行调制，包括以下步骤：

步骤301、首先对待加工结构的矢量图进行解析，解析分为解析尺寸和解析结构。

进一步，根据光学***(包括所使用的光源、物镜、空间光调制器等参数)对解析尺寸后的矢量图进行分区，将复杂矢量图形解析为n个分区。

进一步，解析结构是对矢量图中的基本图形进行解析，通过解析结构来将复杂矢量图解析为基本的形状，如圆形、椭圆型、直线型、弧线型、点型等基本结构。以图4(b)所示的图形为例，解析结构是对矢量图中的基本图形进行解析，图4(b)所示的矢量图包含圆形、弧线型两种基本结构。

步骤302、然后对图4(b)中一个结构分区(结构分区1)处理，对该分区通过匹配矢量图来找到圆型形状，通过圆型形状、位置和走向来生成相应的全息相位图。该分区的基本图形分布包含基本图形的相位图如圆型光斑相位图、直线型光斑相位图、弧线型光斑相位图、椭圆型光斑相位图；图4(b)中一个结构分区(结构分区1)的基本图形分布包含圆型图形的相位图。

步骤303、同样的，通过平移台移动结构分区至结构分区2，对该分区通过匹配矢量图来找到对应的基本形状，对于复杂矢量图形中的其它分区的处理同步骤302。然后对结构分区2进行处理，对该分区通过匹配矢量图来找到对应的弧线型形状，对于图4(b)图形中的其它分区的处理同步骤302，对于穿越分区1与分区2的曲线，可以通过该曲线函数计算得到边界点的位置，以边界点的位置做为该曲线在分区1中的新终点，结合其起始点，重新生成该曲线在分区1中部分的曲线函数，同时，以边界点的位置做为该曲线在分区2中的新起点，结合其终点(或另一个边界点)，重新生成该曲线在分区2中部分的曲线函数。

步骤304、将所有分区中的结构生成一系列待加载的相位图；将图4(b)中所有分区处理好后，生成一系列待加载的相位图。

步骤305、判断这一系列待加载的相位图是否满足全息图加载软件的最大加载量，如满足则进行下一步，若不满足对这一系列相位图进行分段加载。待加工完这些分区后，再加载后续分区所使用的相位图。

更进一步，步骤303中，生成基本图形的相位图，包括以下步骤：

步骤303_1、所述的点型光斑相位图是由贝塞尔高斯光束相位得到，其相位分布表达式为：

其中k是真空中的空间频率，η是轴锥镜半径，r是径向坐标；

步骤303_2、所述的直线型光斑是由艾里光斑通过增加旋转变换得到，相应表达为：

其中k_x，k_y为空间频率，k′_x和k′_y为变换后的空间频率，因此直线型光斑的相位表达式为：

其中a为Airy光束的衰减因子。

步骤303_3、弧线型光斑由完美涡旋光斑结合离散相位得到，对于任意弧度的弧线型光斑可通过改变x、y坐标比例以及旋转矩阵得到；

步骤304_4、封闭曲线可以通过弧线形光斑拼接得到，其中的特例，如圆型光斑由轴锥镜相位获得的完美涡旋光生成，通过调节轴锥镜底角可调节完美涡旋光斑的直径大小，再如椭圆型光斑可以由完美涡旋光斑经旋转矩阵旋转得到，也可以通过弧线形拼接得到。

步骤303_5、图4(b)中的圆型光斑相位图是由完美涡旋相位得到，相应的表达式为：

其中l是拓扑电荷数，

是方位角，η是轴锥镜参数，r是横向坐标。

步骤303_2、图4(b)所示的弧线型光斑由完美涡旋光斑结合离散相位得到，对任意弧度的弧线型光斑可通过改变x、y坐标比例以及旋转矩阵得到。

步骤304_3、图4(b)中封闭曲线通过弧线形光斑拼接得到。

步骤四、经步骤三调制后的光束经二向色镜反射至物镜入瞳平面后由物镜汇聚到待加工结构上进行加工。对待加工的材料进行加工，包括以下步骤：

步骤401、打开激光器，按顺序加载图4(b)分解的矢量图序列至光场调控软件上，根据当前加载的相位图调节激光能量，完成一个图像的加工，然后加载下一幅相位图，调节激光能量，完成下一个图形的加工，重复前述过程，直至完成该结构分区内所有图形的加工，关闭激光器。

步骤402、控制***移动平移台至下一个结构分区，重复步骤401。

步骤403、重复步骤401、402，实现单层平面的加工(二维加工)，即实现对图4(b)图形的加工。

步骤五、控制***控制平移台进行垂直移动，重复步骤四，实现三维结构加工。

步骤六、最后根据需要，可以对分区边界处采用曲线近似的方法进行修补，以使加工结构更加完整、光滑和一致性。

如图3所示是本发明矢量路径对应生成的基本光斑相位图以及对应的光强分布图。

图4为利用基本矢量光斑合成的复杂图形模拟结果图，其中图(a)为进行逐点进行加工的图案仿真模拟光强分布图，图(b)为基于矢量图结构和光场调制加工同图(a)相同结构的仿真模拟光强分布图，图(c)为基于矢量图结构和光场调制加工指纹结构的仿真光强图，图(d)为基于矢量图结构和光场调制加工复杂图案的仿真光强图，图中通过基本矢量光斑可快速生成加工这种复杂图案。从仿真图(a)与图(b)的对比中我们能看出前者在加工该种结构效率明显低于后者，并且由于光束之间存在干涉的影响、控制***不能精确定位等因素导致加工品质较差。因此，本发明提出的基于矢量图结构和光场调制的高速激光直接刻印技术，显著降低逐点加工所产生的加工不确定性，极大提升加工效率、精度、一致性和光滑性，这在宏观加工和微观加工技术中均具有革命性的意义，可以作为激光加工领域的下一代技术雏形。

综上所述，本发明实施例提供一种基于矢量图结构和光场调制的高速激光直接刻印方法与***，其通过解析矢量图信息，获取待加工结构的基本构成形状、尺寸和位置信息，进而设计相应的空间光调制器全息相位图，并在激光加工***中通过空间光调制器加载全息相位图进行相位调制，在物镜的聚焦平面直接生成这些基本形状所对应的矢量光斑(包括而不限于点、线段、圆、椭圆、曲线等等)，然后全自动的在材料上直接刻印这些基本结构，实现对复杂结构的平面加工，最后结合逐层加工技术，实现对复杂结构的三维加工，显著降低加工不确定性，极大提升加工效率、精度、一致性和光滑性。本发明提出的方法和***可以较好应用于工业制造、微纳制造、材料制造等领域。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于矢量图结构和光场调制的激光刻印***，其特征在于，包括：激光器、光束整型与偏振调制模块、光束调制模块、物镜；

所述激光器出射相应的激光光束并入射至所述光束整型与偏振调制模块，经所述光束整型与偏振调制模块整型和偏振态调节后的激光光束入射至所述光束调制模块，所述光束调制模块对激光光束按加工流程实时加载待加工结构基本形状的全息相位图以生成与矢量加工路径相对应的矢量光斑，调制后的矢量光斑入射至所述物镜的后孔径平面，所述物镜对入射至后孔径平面的光束进行聚焦，汇聚至待加工结构上实现待加工结构的激光刻印。

2.如权利要求1所述的基于矢量图结构和光场调制的激光刻印***，其特征在于，所述光束调制模块为反射式相位型空间光调制器。

3.如权利要求1所述的基于矢量图结构和光场调制的激光刻印***，其特征在于，所述整型和偏振态调节，包括：空间光滤波、扩束和偏振态调节。

4.如权利要求1所述的基于矢量图结构和光场调制的激光刻印***，其特征在于，

经所述光束整型与偏振调制模块扩束后的激光光束通过第一反射镜入射至所述光束调制模块；

调制后的激光光束依次经过小孔光阑、二向色镜入射至所述物镜的后孔径平面；其中，所述小孔光阑用于隔档光束调制模块产生的零级光斑；所述二向色镜用以反射调制后的矢量光斑和透射光刻胶发射的荧光；所述荧光通过第二反射镜入射至相机，所述的相机用于实时观察光刻结构；

该***还包括平移台，其用于移动待加工结构在空间中的位置；

该***还包括控制***，其用于控制所述光束调制模块对激光光束按加工流程实时加载全息相位图以生成与矢量加工路径相对应的矢量光斑。

5.一种基于权利要求1～4所述的基于矢量图结构和光场调制的激光刻印***的激光刻印方法，其特征在于，包括：

激光器发出激光光束；

对激光光束进行整型和偏振态调节；

对整型和偏振态调节后的激光光束通过光束调制模块进行调制，按加工流程实时加载待加工结构基本形状的全息相位图以生成与矢量加工路径相对应的矢量光斑；

将矢量光斑汇聚至待加工结构上，实现待加工结构的激光刻印。

6.如权利要求5所述的基于矢量图结构和光场调制的激光刻印方法，其特征在于，所述全息相位图的生成，具体包括：

对待加工结构的矢量图进行解析尺寸和解析结构；所述解析尺寸为将复杂矢量图形解析为n个分区，所述解析结构为将复杂矢量图解析为基本形状；

对结构分区通过匹配矢量图来找到对应的基本形状，并通过基本形状、位置和走向来生成相应的基本形状全息相位图。

7.如权利要求6所述的基于矢量图结构和光场调制的激光刻印方法，其特征在于，所述全息相位图的生成，还包括：

对于穿越两个分区的曲线，通过该曲线函数计算得到边界点的位置，以边界点的位置作为该曲线在一个分区中的新终点，结合其起始点，重新生成该曲线在一个分区中部分的曲线函数，同时，以边界点的位置作为该曲线在另一个分区中的新起点，结合其终点或另一个边界点，重新生成该曲线在另一个分区中部分的曲线函数。

8.如权利要求6所述的基于矢量图结构和光场调制的激光刻印方法，其特征在于，

所述基本形状包括：圆形、椭圆型、直线型、弧线型、点型；

所述基本形状全息相位图包括：圆型相位图、椭圆型相位图、直线型相位图、弧线型相位图、点型相位图；

其中，能够通过一个全息相位图同时产生多个基本形状。

9.如权利要求8所述的基于矢量图结构和光场调制的激光刻印方法，其特征在于，所述基本形状全息相位图的生成，包括：

所述点型光斑相位图，通过贝塞尔高斯光束相位得到；

所述直线型相位图，通过艾里光斑通过增加旋转变换得到；

所述弧线型相位图，通过完美涡旋光斑结合离散相位得到；

所述封闭曲线相位图，通过弧线形光斑拼接得到。

10.如权利要求5所述的基于矢量图结构和光场调制的激光刻印方法，其特征在于，所述将矢量光斑汇聚至待加工结构上，实现待加工结构的激光刻印，包括：

对待加工结构进行加工时，打开激光器，在光束调制模块上按一定时间顺序加载全息相位图并实时调节激光能量，完成一个结构分区内图形的加工，关闭激光器；

将待加工结构水平移动至下一个结构分区，完成下一个结构分区内图形的加工；重复所有结构分区实现单层平面的加工；

将待加工结构垂直移动，并完成此平面上每个结构分区内图形的加工；重复所有层的结构分区实现三维结构加工。

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