CN213302559U - 一种利用飞秒激光直写技术制备任意占空比振幅光栅装置 - Google Patents
一种利用飞秒激光直写技术制备任意占空比振幅光栅装置 Download PDFInfo
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Abstract
一种利用飞秒激光直写技术制备任意占空比振幅光栅装置，该装置包括高功率光子晶体光纤飞秒激光***、第一准直光阑、第二准直光阑、半波片、偏振分光棱镜、电子光学快门、第一计算机、第一反射镜、第一凸透镜、第二凸透镜、第二反射镜、双色镜、显微物镜、附有金属膜的玻璃基片、三维精密移动平台、照明光源、半透半反镜、CCD相机、第二计算机、氦氖激光光源。本装置利用LabvIEW软件对三维精密移动平台和电子光学快门联动控制及通过调节离焦距离精确控制烧蚀金属膜光斑直径大小，实现了任意占空比平面振幅光栅的制备。本实用新型具有成本低廉、易于操作、自动化程度高等优势，在利用飞秒激光制备振幅光栅方面具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本实用新型属于振幅光栅的制作技术领域，特别是一种利用飞秒激光直写技术制备任意占空比振幅光栅装置。
背景技术
振幅光栅作为一种常用的基本衍射光学元件，由大量等宽、等间距的狭缝排列而成，能对入射光的振幅产生空间调制，在光学测量、光学信息处理、光学传感、光通信等诸多领域有着重要的应用。光栅占空比是振幅光栅的基本参数之一，会直接影响光栅的衍射效率、光栅阵列照明的实现。振幅光栅一般采用机械刻划法、光束干涉曝光法、掩模光刻法、电子束或飞秒激光直写法制备。机械刻划法设备昂贵、对温度、隔振等环境要求极高；光束干涉曝光法光栅周期性结构受限于光波波长；掩模光刻法需提前制作高精度母版，同时还存在加工环节多、周期长、成本高且对准精度难以控制、制备光栅周期和占空比受掩模母版限制等；电子束直写技术所需设备复杂、要求真空环境、基片需经过特殊处理；飞秒激光直写技术通过聚焦激光束于样品表面，样品以一定速度按照预定轨迹移动，直接刻划样品产生微结构图样。目前，在飞秒激光直写技术中大多使用的光源都是具有放大***的钛宝石飞秒激光***产生的。但是，钛宝石飞秒激光***的功率一般不高，因而加工速度受到限制，较低的加工速度和加工效率极大地阻碍了飞秒激光加工技术在工业中的应用。同时，钛宝石飞秒激光***价格昂贵、结构庞大、操作复杂、需要专人维护，也严重阻碍了飞秒激光直写技术的应用和普及。
发明内容
为了克服上述现有技术中存在的缺陷和不足，本实用新型提出一种利用高功率光子晶体光纤飞秒激光在附有金属膜的玻璃基片上制备任意占空比振幅光栅的装置。本实用新型采用LabvIEW软件编写三维移动平台和电子光学快门开关控制程序，三维精密移动平台按照预定运动轨迹运动，并进一步通过调节离焦距离精确控制飞秒激光烧蚀金属膜光斑直径大小，可在附有金属膜的玻璃基片上实现任意占空比的振幅光栅的直写加工。同时，本实用新型使用的飞秒激光光源为光子晶体光纤飞秒激光，具有转换效率高、成本低廉、结构紧凑、易于维护、光束质量好等优势。另外，在光栅制备的过程中能实时观测光栅形貌和反射光衍射图样，保证了光栅加工质量。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：
一种利用飞秒激光直写技术制备任意占空比振幅光栅装置，包括高功率光子晶体光纤飞秒激光***、第一准直光阑、第二准直光阑、半波片、偏振分光棱镜、电子光学快门、第一计算机、第一反射镜、第一凸透镜、第二凸透镜、第二反射镜、双色镜、显微物镜、附有金属膜的玻璃基片、三维精密移动平台、照明光源、半透半反镜、CCD相机、第二计算机、氦氖激光光源；其特征在于高功率光子晶体光纤飞秒激光***位于第一准直光阑之前，第一准直光阑之后顺序放置第二准直光阑、半波片、偏振分光棱镜、电子光学快门、第一反射镜、第一凸透镜、第二凸透镜、第二反射镜、双色镜，电子光学快门与第一计算机相连，第一反射镜、第二反射镜和双色镜与光路成45°角放置，第一凸透镜的后焦点与第二凸透镜的前焦点重合，构成光束扩束***；飞秒激光经双色镜反射后再经显微物镜聚焦于附有金属膜的玻璃基片表面上，附有金属膜的玻璃基片固定在三维精密移动平台上，三维精密移动平台与第一计算机相连接，照明光源照射附有金属膜的玻璃基片以提供明亮视场，便于观察；双色镜的透射侧依次放置半透半反镜和CCD相机，半透半反镜与光路成45°角放置，半透半反镜的反射侧放置氦氖激光光源；CCD相机与第二计算机相连接，利用图像采集软件可以在第二计算机屏幕上实时显示基片形貌和反射光衍射图样。
所述的高功率光子晶体光纤飞秒激光***是由振荡级、放大级组成中心波长为1040nm的高功率高重复频率掺镱大模面积光子晶体光纤飞秒激光***。
所述的第一准直光阑、第二准直光阑为圆形孔径、直径可调式光阑。
所述的半波片与所述的偏振分光棱镜构成飞秒激光功率连续调节***。
所述的电子光学快门，可通过控制器与第一计算机相连接用来控制飞秒激光的辐照时间。
所述的第一反射镜和第二反射镜是指其反射波长覆盖飞秒激光光源波长的介质膜反射镜。
所述的双色镜是能实现飞秒激光波长范围全反射和可见光波长范围全透射介质膜镜片。
所述的显微物镜是近红外平场消色差长工作距离物镜。
所述的附有金属膜的玻璃基片是在光学玻璃基底上镀有单层金属膜的基片。
所述的三维精密移动平台与第一计算机相连接，利用LabvIEW软件可对三维精密移动平台进行三维方向精密移动调节。
所述的第一计算机是安装了LabvIEW软件、电子光学快门控制软件的计算机。
所述的照明光源是白光LED平行光源。
所述的半透半反镜是能实现可见光范围波长50%透射率和50%反射率的介质膜镜片。
所述的CCD相机具有光学变焦功能，与第二计算机连接利用图像采集软件可在第二计算机屏幕上实时观测加工过程。
所述的第二计算机是安装了CCD相机图像采集卡和采集软件的计算机。
所述的氦氖激光光源为普通氦氖激光器，发射波长为632.8nm，功率大于1.5mW。
本实用新型利用飞秒激光直写技术制备任意占空比振幅光栅原理如下：
当飞秒激光聚焦到金属表面时，金属中的自由电子发生高频振荡，在极短的脉冲持续时间内，导带中的电子通过轫致辐射过程吸收激光能量，电子弛豫时间很短，电子温度迅速升高。在几皮秒到几百皮秒范围内，晶格通过电子—声子碰撞的方式得到能量，电子与晶格温度近似达到热平衡态，在超时间内金属材料作用区域温度急剧上升，瞬间便可超过金属材料的熔化（汽化）所需要的的温度，金属材料被高度电离，产生高温、高压、高密度的等离子体，并以等离子体形式向外喷发，达到去除金属材料的烧蚀效果。在此过程中等离子体喷发几乎带走了飞秒激光烧蚀材料产生的所有热量，随后加工区域内温度下降到加工前的状态，在相对意义上实现了飞秒激光“冷”加工。双温模型被经常用作描述金属中将电子能量传递给晶格这一过程（参见文献Chichkov B N, Momma C, Nolte S, et al.Femtosecond, picosecond and nanosecond laser ablation of solids[J]. AppliedPhysics A, 1996, 63(2): 109-115.和Jiang L, Tsai H L. Improved two-temperaturemodel and its application in ultrashort laser heating of metal films[J].Journal of Heat Transfer, 2005, 127(10): 1167-1173.）。
振幅光栅整个制备过程采用LabvIEW软件编写的三维精密移动平台和电子光学快门开关联动控制程序，待加工附有金属膜的玻璃基片按照预定轨迹以一定速度运动，并进一步通过调节离焦距离精确控制飞秒激光烧蚀金属膜光斑直径大小，实现了任意占空比的振幅光栅的直写加工。
与现有技术相比，本实用新型的优点如下：
（1）本实用新型采用LabvIEW软件编写三维精密移动平台和快门开关联动控制程序，通过计算机程序控制运动轨迹、速度和通过调节离焦距离精确控制飞秒激光烧蚀金属膜光斑直径大小，可以实现任意占空比振幅光栅的制备，具有易于操作、灵活性高的优势。
（2）本实用新型所采用的飞秒激光光源为光子晶体光纤飞秒激光，具有转换效率高、成本低廉、结构紧凑、易于维护、光束质量好等优势。
（3）本实用新型利用CCD相机可以实现对光栅加工过程形貌和反射光衍射图样的同时实时监测，保证光栅的加工质量。
附图说明
图1为本实用新型一种利用飞秒激光直写技术制备任意占空比振幅光栅装置的结构示意图。
其中：1-高功率光子晶体光纤飞秒激光***，2-第一准直光阑，3-第二准直光阑，4-半波片，5-偏振分光棱镜，6-电子光学快门，7-第一计算机，8-第一反射镜，9-第一凸透镜，10-第二凸透镜，11-第二反射镜，12-双色镜，13-显微物镜，14-附有金属膜的玻璃基片，15-三维精密移动平台，16-照明光源，17-半透半反镜，18-CCD相机，19-第二计算机，20-氦氖激光光源。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明，但不限于此。
实施例1:
本实用新型实施例1如图1所示，一种利用飞秒激光直写技术制备任意占空比振幅光栅装置，该装置包括高功率光子晶体光纤飞秒激光***1、第一准直光阑2、第二准直光阑3、半波片4、偏振分光棱镜5、电子光学快门6、第一计算机7、第一反射镜8、第一凸透镜9、第二凸透镜10、第二反射镜11、双色镜12、显微物镜13、附有金属膜的玻璃基片14、三维精密移动平台15、照明光源16、半透半反镜17、CCD相机18、第二计算机19、氦氖激光光源20；其特征在于高功率光子晶体光纤飞秒激光***1位于第一准直光阑2之前，第一准直光阑2之后顺序放置第二准直光阑3、半波片4、偏振分光棱镜5、电子光学快门6、第一反射镜8、第一凸透镜9、第二凸透镜10、第二反射镜11、双色镜12，电子光学快门6与第一计算机7相连接，第一反射镜8、第二反射镜11和双色镜12与光路成45°角放置，第一凸透镜9的后焦点与第二凸透镜10的前焦点重合，构成光束扩束***；飞秒激光经双色镜12反射后再经显微物镜13聚焦于附有金属膜的玻璃基片14表面上，附有金属膜的玻璃基片14固定在三维精密移动平台15上，三维精密移动平台15与第一计算机7相连接，照明光源16照射附有金属膜的玻璃基片14以提供明亮视场，便于观察；双色镜12的透射侧依次放置半透半反镜17和具有变焦功能的CCD相机18，半透半反镜17与光路成45°角放置，半透半反镜17的反射侧放置氦氖激光光源20；CCD相机18与第二计算机19相连接，利用图像采集软件可以在第二计算机19屏幕上实时显示基片形貌和反射光衍射图样。
所述的高功率光子晶体光纤飞秒激光***1是由振荡级、放大级组成的光子晶体光纤光子晶体光纤非线性飞秒激光***，其重复频率为56.9MHz、中心波长为1040nm、最大平均功率为18W、脉冲宽度为66.5fs。
所述的第一准直光阑2、第二准直光阑3为圆形孔径、直径可调式光阑。
所述的第一反射镜8和第二反射镜11是指其反射波长范围为覆盖飞秒激光光源波长的宽带介质膜高反射镜。
所述的双色镜12是能实现飞秒激光波长范围全反射和可见光波长范围全透射介质膜镜片。
所述的显微物镜13是平场复消色差长焦距显微物镜。
所述的附有金属膜的玻璃基片14为在玻璃基底上镀有单层金属膜的基片。
所述的三维精密移动平台15与第一计算机7相连接，通过第一计算机7中LabvIEW软件可实现三维精密移动调节，调节精度小于1μm。
所述的第一计算机7是安装了LabvIEW软件、电子光学快门控制软件的计算机。
所述半透半反镜17是可以实现在45°放置可实现可见光波段50%透射50%反射的介质膜镜片。
所述的CCD相机18具有光学变焦功能，与第二计算机19连接利用图像采集软件可在第二计算机19屏幕上实时观测加工过程。
所述的第二计算机19是安装了CCD相机图像采集卡和采集软件的计算机。
所述的氦氖激光光源20为普通氦氖激光器，发射波长为632.8nm，功率大于1.5mW。
本实施例中使用的飞秒激光光源是由振荡级、放大级构成的光子晶体光纤非线性飞秒激光***。***振荡级和放大级的增益介质均为掺镱大模场面积光子晶体光纤，从而保证振荡级和放大级之间具有很高的兼容性和耦合效率。振荡级和放大级均采用波长为976nm的多模商用半导体激光器泵浦。振荡级出射的种子脉冲经增益光纤非线性放大、光栅对压缩后，最终可以输出的脉冲时间宽度为66.5fs，重复频率为56.9MHz，中心波长为1040nm，最高功率可达18W的飞秒激光。所述的第一准直光阑和第二准直光阑为Thorlabs公司生产的最大孔径为20mm的光阑；所述的半波片与所述的偏振分光棱镜构成透射光功率连续调节***；所述的电子光学快门是Vincent Associates公司生产的电控快门，其通光孔径为25mm，与计算机相连通过程序控制飞秒激光辐照时间；所述的第一凸透镜、第二凸透镜构成扩束***用来扩大光束直径，其扩束比为5倍；所述的三维精密移动平台是Newport公司生产Esp300电控三维精密移动平台，通过计算机控制三维最小分辨率为1μm，定位精度为0.1μm，行程为100mm。所述的显微物镜为Mitutoyo公司生产的近红外平场复消色差长工作距离物镜。
Claims (9)
1.一种利用飞秒激光直写技术制备任意占空比振幅光栅装置，包括高功率光子晶体光纤飞秒激光***、第一准直光阑、第二准直光阑、半波片、偏振分光棱镜、电子光学快门、第一计算机、第一反射镜、第一凸透镜、第二凸透镜、第二反射镜、双色镜、显微物镜、附有金属膜的玻璃基片、三维精密移动平台、照明光源、半透半反镜、CCD相机、第二计算机、氦氖激光光源；其特征在于高功率光子晶体光纤飞秒激光***位于第一准直光阑之前，第一准直光阑之后顺序放置第二准直光阑、半波片、偏振分光棱镜、电子光学快门、第一反射镜、第一凸透镜、第二凸透镜、第二反射镜、双色镜，电子光学快门与第一计算机相连接，第一反射镜、第二反射镜和双色镜与光路成45°角放置，第一凸透镜的后焦点与第二凸透镜的前焦点重合，构成光束扩束***；飞秒激光经双色镜反射后又经显微物镜聚焦于附有金属膜的玻璃基片表面上，附有金属膜的玻璃基片固定在三维精密移动平台上，三维精密移动平台与第一计算机相连接，照明光源照射附有金属膜的玻璃基片；双色镜的透射侧依次放置半透半反镜和CCD相机，半透半反镜与光路成45°角放置，半透半反镜的反射侧放置氦氖激光光源；CCD相机与第二计算机相连。
2.如权利要求1所述的一种利用飞秒激光直写技术制备任意占空比振幅光栅装置，其特征在于所述的高功率光子晶体光纤飞秒激光***是由振荡级、放大级组成中心波长为1040nm的高功率高重复频率掺镱大模面积光子晶体光纤飞秒激光***。
3.如权利要求1所述的一种利用飞秒激光直写技术制备任意占空比振幅光栅装置，其特征在于双色镜是能实现飞秒激光波长范围全反射和可见光波长范围全透射介质膜镜片。
4.如权利要求1所述一种利用飞秒激光直写技术制备任意占空比振幅光栅装置，其特征在于显微物镜是近红外平场消色差长工作距离物镜。
5.如权利要求1所述一种利用飞秒激光直写技术制备任意占空比振幅光栅装置，其特征在于附有金属膜的玻璃基片是在光学玻璃基底上镀有单层金属膜的基片。
6.如权利要求1所述一种利用飞秒激光直写技术制备任意占空比振幅光栅装置，其特征在于三维精密移动平台与第一计算机相连接，利用LabvIEW软件可对三维精密移动平台进行三维方向精密移动调节。
7.如权利要求1所述一种利用飞秒激光直写技术制备任意占空比振幅光栅装置，其特征在于第一计算机是安装了LabvIEW软件、电子光学快门控制软件的计算机。
8.如权利要求1所述一种利用飞秒激光直写技术制备任意占空比振幅光栅装置，其特征在于CCD相机具有光学变焦功能与第二计算机连接，利用图像采集软件可在第二计算机屏幕上实时观测加工过程。
9.如权利要求1所述一种利用飞秒激光直写技术制备任意占空比振幅光栅装置，其特征在于第二计算机是安装了CCD相机图像采集卡和采集软件的计算机。
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