基于脉冲序列的微纳加工系统及方法与流程

1.本技术属于超快激光加工领域，具体涉及一种基于脉冲序列的微纳加工系统及方法。

背景技术：

2.超快激光的相干性以及极高的瞬时功率，因此被广泛应用于超快加工制造等领域。然而，由于激光与物质相互作用时产生热累积效应，使得加工结构遭到严重的破坏，为了解决这个问题，需要对超快激光脉冲进行调制，使激光与物质的相互作用在极短的时间内完成，此过程时间需要小于热累积发生的时间。
3.现有技术主要以空间光调制器和衍射光栅搭建的4f系统对超快激光的时间以及空间进行调制达到目的，此方法耗资高，结构复杂，无法适用于高功率激光加工，大大限制了应用场景。
4.另外，现有的超快加工制造过程中通常需要数量较多的脉冲激光来加工完成一个微纳结构单元，因此如何利用较少的脉冲激光实现单个微纳结构单元的加工，并提升加工速度，是本技术要解决的问题。

技术实现要素：

5.本技术是为了解决超快加工过程中加工系统结构复杂、成本高、加工速度慢的问题，从而提供一种基于脉冲序列的微纳加工系统及方法。
6.本技术提供了一种基于脉冲序列的微纳加工系统，包括：
7.第一调制单元，其用于调制单个超快激光脉冲的能量和偏振，得到单个调制脉冲；
8.第二调制单元，其用于将单个调制脉冲进行调制得到一系列脉冲序列；以及
9.样品加工单元，其利用脉冲序列加工待加工样品，
10.其中，第二调制单元包括分束器及若干反射镜。
11.上述的微纳加工系统，其中：
12.第二调制单元包括一个分束器及三个反射镜；
13.单个调制脉冲经过分束器后进行分光，产生两束子脉冲，一束子脉冲沿第一方向输出，另一束子脉冲沿第二方向在分束器、三个反射镜之间来回振荡并沿第一方向输出一系列脉冲序列。
14.上述的微纳加工系统，其中：
15.一系列脉冲序列中第一输出子脉冲为反射子脉冲，剩余输出子脉冲均为透射子脉冲。
16.上述的微纳加工系统，其中：
17.另一束子脉冲与三个反射镜的入射角度均为45度。
18.上述的微纳加工系统，其中：
19.另一束子脉冲在分束器及三个反射镜之间形成矩形光路或正方形光路。
20.上述的微纳加工系统，其中：
21.当形成矩形光路时，
22.一系列脉冲序列中各子脉冲之间的时间延迟τ的表达式如下：
[0023][0024]
其中，d、l分别为分束器到与之相邻摆放的两个反射镜之间的距离，c为光在真空当中的传播速度。
[0025]
上述的微纳加工系统，其中：
[0026]
当形成正方形光路时，
[0027]
一系列脉冲序列中各子脉冲之间的时间延迟τ的表达式如下：
[0028]
τ＝4*r/c
[0029]
r为分束器到与之相邻摆放的两个反射镜之间的距离，c为光在真空当中的传播速度。
[0030]
上述的微纳加工系统，其中：
[0031]
第一调制单元包括功率衰减器与偏振旋转器，
[0032]
功率衰减器包括偏振片与格兰棱镜；或
[0033]
功率衰减器包括偏振片与普克尔盒。
[0034]
上述的微纳加工系统，还包括：
[0035]
控制单元，其用于控制第一调制单元、第二调制单元及样品加工单元运行。
[0036]
本技术还提供一种基于脉冲序列的微纳加工方法，包括如下步骤：
[0037]
调制单个超快激光脉冲的能量和偏振，得到单个调制脉冲；
[0038]
通过分束器及若干反射镜将单个调制脉冲进行调制得到一系列脉冲序列；以及
[0039]
利用脉冲序列加工待加工样品。
[0040]
根据本技术提供的一种基于脉冲序列的微纳加工系统，包括第一调制单元、第二调制单元及样品加工单元。第一调制单元用于调制单个超快激光脉冲的能量和偏振，得到调制脉冲。第二调制单元将调制脉冲进行调制得到一系列脉冲序列，第二调制单元包括分束器及若干反射镜，利用分束器分光产生的子脉冲在分束器及若干反射镜之间形成振荡光路，从而得到一系列脉冲序列。样品加工单元利用一系列脉冲序列对待加工样品进行加工，得到对应的三维微纳加工结构。因为本技术通过第一调制单元对单个超快激光脉冲的能量及偏振进行自动调节，因此可以实现多维度调节超快激光脉冲的入射状态，从而对待加工样品的结构、形态及功能进行调制，达到结构多样性。另外在第二调制单元中，由分束器及若干反射镜组成的振荡光路可对第一单元调制的单个调制脉冲进行调制，从而得到一系列脉冲序列，因此通过将单个调制脉冲调制得到多个子脉冲序列，可以大大加快加工速度，减少热累积效应，同时光路结构简单、成本低，可实现偏振依赖性材料的可控加工。
附图说明
[0041]
图1是本技术实施例的基于脉冲序列的微纳加工系统的结构示意图。
[0042]
图2是本技术实施例的基于脉冲序列的微纳加工方法的流程示意图。
[0043]
附图编号：基于脉冲序列的微纳加工系统100、飞秒激光器1、光开关2、第一调制单
元20、功率衰减器3、偏振旋转器4、调制脉冲5、第二调制单元30、分束器6、第一反射镜7、第二反射镜8、第三反射镜9、脉冲序列31、第一反射子脉冲10、第一透射子脉冲32、第二透射子脉冲11、第三透射子脉冲12、样品加工单元40、二向镜13、物镜14、待加工样品15、位移台16、背景光17、聚焦透镜24、ccd相机25、信号传输单元50、第一信号传输线18、第二信号传输线19、第三信号传输线20、第四信号传输线21、第五信号传输线22、控制单元23、第一方向d1、第二方向d2。
具体实施方式
[0044]
为了使本技术实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合实施例与附图对本技术提供的基于脉冲序列的微纳加工系统及方法作具体阐述。
[0045]
《实施例》
[0046]
图1是本技术实施例的基于脉冲序列的微纳加工系统的结构示意图。
[0047]
如图1所示，本技术实施例提供的基于脉冲序列的微纳加工系统100包括飞秒激光器1、第一调制单元20、第二调制单元30、样品加工单元40、信号传输单元50及控制单元23。
[0048]
飞秒激光器1用于发射单个超快激光脉冲，第一调制单元20将飞秒激光器1发射的单个超快激光脉冲的能量和偏振进行调制，得到单个调制脉冲5。第二调制单元30将调制脉冲5进行调制得到一系列脉冲序列31。样品加工单元40利用一系列脉冲序列31加工待加工样品15。信号传输单元50与第一调制单元20、第二调制单元30、样品加工单元40电连接，控制单元23控制第一调制单元20、第二调制单元30及样品加工单元40运行。
[0049]
飞秒激光器1发射的单个超快激光脉冲(高斯激光)用作加工光源，该超快激光脉冲的波长、工作频率及脉冲宽度分别为515nm、2mhz、250fs。光开关2用于控制超快激光脉冲的通断。
[0050]
第一调制单元20包括功率衰减器3与偏振旋转器4，功率衰减器3包括偏振片与格兰棱镜，功率衰减器3用于快速调制射出的超快激光脉冲的光功率。本实施例中的偏振片电控可旋转，可实现电控调制射出的超快激光脉冲的光功率大小。
[0051]
本实施例中功率衰减器3也可以包括偏振片与普克尔盒。普克尔盒为电光调制器件，通过电压的变化即可改变晶体的双折射大小，从而可以改变激光的偏振态。普克尔盒结合偏振片即可实现光功率的调制。普克尔盒调制速率可达30mhz，孔径大小为3.1mm，500nm处的半波电压为113v，可适用于515nm激光波长。本实施例中的功率衰减器3为电动衰减器，可实现高速功率调制，在其它实施例中，也可使用其它手动的衰减器来调制各子脉冲的能量，从而降低光功率。本实施例中功率衰减器3根据待加工样品15的结构相适应地调制一系列脉冲序列31中各子脉冲的能量。例如，对于结构尺寸较大的待加工样品15，所需的能量较高，而对于结构尺寸较小的待加工样品15，所需的能量相对较低，因此可以通过功率衰减器3进行灵活调制。具体可将功率衰减器3在脉冲序列31下保持稳定的电压，使脉冲序列31的激光偏振方向一致，通过改变电压大小，从而实现对脉冲序列31激光偏振方向的调制。由于功率衰减器3是由普克尔盒和偏振片构成，偏振片方向固定，改变普克尔盒的电压可实现激光偏振的改变，不同偏振方向的激光经过固定方向的偏振片，激光能量发生变化。因此，可通过改变功率衰减器3的电压，从而改变脉冲序列31激光脉冲的偏振方向，进而改变脉冲序列31的能量。
[0052]
偏振旋转器4包括单个普克尔盒或步进电机控制旋转角的半波片，普克尔盒的速率可达30mhz，孔径大小为3.1mm，500nm处的半波电压为113v，可适用于515nm激光波长，通过改变加载电压的大小，改变晶体双折射快慢轴方向，即可实现对激光偏振的调制。普克尔盒可优选为偏振型普克尔盒，用于快速调制射出的超快激光脉冲的偏振态，通过调控电压可实现偏振方向的调控。当偏振旋转器4包括步进电机控制旋转角的半波片时，步进电机控制旋转角的半波片的精度为41.54arcsec/步，速度为5转/分钟，偏振方向改变的角度等于电机控制半波片旋转角度的2倍。本实施中的偏振旋转器4可以灵活地调制射出的超快激光脉冲的偏振，从而满足待加工样品15的不同偏振需求。本实施例中的偏振旋转器4为电动偏振调节器件，在其它实施例中，也可以使用其它手动偏振器件调制单个超快激光脉冲的偏振。
[0053]
本实施例中的第一调制单元20中的功率衰减器3、偏振旋转器4均为电动器件，因此可以增加微纳加工系统的自动化功能，同时调节单个超快激光脉冲的功率和偏振可以实现多维度调节超快激光脉冲的入射状态，从而对待加工样品15的结构、形态及功能进行调制，达到结构多样性。
[0054]
第二调制单元30包括一个分束器6及三个反射镜，单个调制脉冲5经过分束器6后进行分光，产生两束子脉冲，一束子脉冲沿第一方向(图1中d1方向)输出，另一束子脉冲沿第二方向(图1中d2方向)在分束器6、三个反射镜之间来回振荡并沿第一方向输出一系列脉冲序列31。
[0055]
具体地，第二调制单元30包括分束器6、第一反射镜7、第二反射镜8、第三反射镜9。第一调制单元20调制后的调制脉冲5入射到分束器6后进行分光，产生第一方向的第一反射子脉冲10与第二方向的第一透射子脉冲32，第一反射子脉冲10沿第一方向输出并作为第一输出子脉冲。第一透射子脉冲32沿第二方向并以45度依次入射到第一反射镜7、第二反射镜8、第三反射镜9，最后反射后垂直入射到分束器6进行第二次分光产生两束子脉冲，一束子脉冲(第二透射子脉冲11)沿第一方向输出并作为第二输出子脉冲，另一束子脉冲(第二反射子脉冲)沿第二方向并遵循与第一透射子脉冲32相同的光路，在分束器6、第一反射镜7、第二反射镜8、第三反射镜9之间来回振荡，产生一系列脉冲序列31。图1中仅示例性示出三个输出子脉冲，分别为第一反射子脉冲10、第二透射子脉冲11及第三透射子脉冲12，第三透射子脉冲12、剩余透射子脉冲的光路与第一透射子脉冲32的光路相同，在此不再赘述。
[0056]
参见图1，调制脉冲5在经过第二调制单元30调制后，调制脉冲5的初始能量全部进行了充分调制而没有能量损失，并且在调制脉冲5的初始能量设定的情况下，后面相邻子脉冲的能量依次减为与之相邻的前一个子脉冲能量的二分之一，因此本实施例中的第二调制单元30无需进行能量调制，并且无能量损失。
[0057]
本实施例输出的一系列脉冲序列31的第一输出子脉冲为反射子脉冲，剩余输出子脉冲均为透射子脉冲，并且沿第二方向输出的子脉冲与第一反射镜7、第二反射镜8、第三反射镜9的入射角度均为45度，形成的光路包括矩形光路或正方向光路。
[0058]
当沿第二方向输出的子脉冲与分束器6、第一反射镜7、第二反射镜8、第三反射镜9形成的光路为矩形光路时，一系列脉冲序列31中各子脉冲之间的时间延迟τ的表达式如下：
[0059]
[0060]
其中，d、l分别为分束器6到与之相邻摆放的两个反射镜之间的距离，即分束器6到第三反射镜9与第一反射镜7之间的距离，或第二反射镜8到第一反射镜7与第三反射镜9之间的距离，c为光在真空当中的传播速度。
[0061]
当沿第二方向输出的子脉冲与分束器6、第一反射镜7、第二反射镜8、第三反射镜9形成的光路为正方形光路时，一系列脉冲序列31中各子脉冲之间的时间延迟τ的表达式如下：
[0062]
τ＝4*r/c
[0063]
r为分束器6到与之相邻摆放的两个反射镜之间的距离，即分束器6到第三反射镜9与第一反射镜7之间的距离相等均为r，c为光在真空当中的传播速度。
[0064]
因此，本实施例中调制后的一系列脉冲序列31中各子脉冲的时间延迟τ均相等，τ可以通过上述两种表达式计算得到。并且各子脉冲的时间延迟τ也可以通过调整第二反射镜8到第一反射镜7及第三反射镜9的距离，进而改变各子脉冲的时间延迟τ。
[0065]
样品加工单元40将调制后的一系列脉冲序列31入射到待加工样品15上进行加工，从而得到符合预定要求的三维微纳加工结构。
[0066]
样品加工单元40包括二向镜13、物镜14、位移台16、背景光17、聚焦透镜24及ccd相机25。
[0067]
本实施例中的待加工样品15可为有机物，包括光刻胶和水凝胶等材料；也可为无机物，如熔融石英玻璃和金属等材料，本实施例中不限于待加工样品15的种类。
[0068]
第二调制单元30输出的一系列脉冲序列31入射到二向镜13发生反射，反射光垂直入射到物镜14并聚焦到待加工样品15上，待加工样品15放在可移动的位移台16上，通过控制位移台16的三维移动，从而加工任意待加工样品15，得到对应的三维微纳结构。
[0069]
背景光17、聚焦透镜24及ccd相机25构成了本技术实施例样品加工单元40的监测单元，用于实时监测微纳结构。具体地，背景光17照射待加工样品15，透射光经物镜14后将微纳结构的信息光经二向镜13和聚焦透镜24成像于ccd相机25上，因此本实施例中的监测单元可以实时动态地监测所加工的微纳结构的大体形貌。
[0070]
本实施例中的二向镜13可以反射515nm波长，具有较高的高反射率与透过其它波长的高透射率。
[0071]
本实施例中的物镜14可根据实际加工材料进行选择，例如，高数值孔径下的物镜可加工精细结构，但工作距离有限；低数值孔径下的物镜工作距离较大，精细度较差，因此可根据具体的待加工样品15的要求选择适宜的物镜14。
[0072]
信号传输单元50通过控制单元23控制光开关2、第一调制单元20、第二调制单元30、样品加工单元40运行，信号传输单元50与光开关2、第一调制单元20、第二调制单元30、样品加工单元40、控制单元23电连接，从而实现信号传输。本实施例中控制单元23可为电脑。
[0073]
参见图1，本实施例的信号传输单元50包括第一信号传输线18、第二信号传输线19、第三信号传输线20、第四信号传输线21、第五信号传输线22。
[0074]
第一信号传输线18电连接光开关2和控制单元23，从而控制超快激光脉冲的通断；第二信号传输线19电连接功率衰减器3和控制单元23，从而实时控制超快激光脉冲的功率调制；第三信号传输线20电连接偏振旋转器4和控制单元23，从而控制超快激光脉冲的偏振
调制；第四信号数据传输线21电连接ccd相机25与控制单元23，可实时观察微纳结构的加工过程；第五信号传输线22电连接位移台16和控制单元23，从而控制位移台16的三维移动，实现三维结构加工。
[0075]
图2是本技术实施例的基于脉冲序列的微纳加工方法的流程示意图。
[0076]
如图2所示，本实施例提供的基于脉冲序列的微纳加工方法包括如下步骤：
[0077]
s1、调制单个超快激光脉冲的能量和偏振，得到单个调制脉冲5；
[0078]
s2、通过分束器6及若干反射镜将单个调制脉冲5进行调制得到一系列脉冲序列31；
[0079]
s3、利用脉冲序列31加工待加工样品15。
[0080]
本实施例提供的微纳加工方法通过上述提供的基于脉冲序列的微纳加工系统100对待加工样品15进行加工，从而可以加工得到对应的三维微纳加工结构。
[0081]
以上通过说明和附图，给出了具体实施方式的特定结构的典型实施例，上述申请提出了现有的较佳实施例，但这些内容并不作为局限。对于本领域的技术人员而言，阅读上述说明后，各种变化和修正无疑将显而易见。因此，所附的权利要求书应看作是涵盖本技术的真实意图和范围的全部变化和修正。在权利要求书范围内任何和所有等价的范围与内容，都应认为仍属本技术的意图和范围内。

技术特征：

1.一种基于脉冲序列的微纳加工系统，其特征在于，包括：第一调制单元，其用于调制单个超快激光脉冲的能量和偏振，得到单个调制脉冲；第二调制单元，其用于将所述单个调制脉冲进行调制得到一系列脉冲序列；以及样品加工单元，其用于利用所述一系列脉冲序列加工待加工样品，其中，所述第二调制单元包括分束器及若干反射镜。2.根据权利要求1所述的微纳加工系统，其特征在于：所述第二调制单元包括一个分束器及三个反射镜；所述单个调制脉冲经过所述分束器后进行分光，产生两束子脉冲，一束子脉冲沿第一方向输出，另一束子脉冲沿第二方向在所述分束器、所述三个反射镜之间来回振荡并沿第一方向输出一系列脉冲序列。3.根据权利要求1所述的微纳加工系统，其特征在于：所述一系列脉冲序列中第一输出子脉冲为反射子脉冲，剩余输出子脉冲均为透射子脉冲。4.根据权利要求2所述的微纳加工系统，其特征在于：所述另一束子脉冲与所述三个反射镜的入射角度均为45度。5.根据权利要求2所述的微纳加工系统，其特征在于：所述另一束子脉冲在所述分束器及所述三个反射镜之间形成矩形光路或正方形光路。6.根据权利要求5所述的微纳加工系统，其特征在于：当形成矩形光路时，所述脉冲序列中各子脉冲之间的时间延迟τ的表达式如下：其中，d、l分别为所述分束器到与之相邻摆放的两个反射镜之间的距离，c为光在真空当中的传播速度。7.根据权利要求5所述的微纳加工系统，其特征在于：当形成正方形光路时，所述一系列脉冲序列中各子脉冲之间的时间延迟τ的表达式如下：τ＝4*r/cr为所述分束器到与之相邻摆放的两个反射镜之间的距离，c为光在真空当中的传播速度。8.根据权利要求1所述的微纳加工系统，其特征在于：所述第一调制单元包括功率衰减器与偏振旋转器，所述功率衰减器包括偏振片与格兰棱镜；或所述功率衰减器包括偏振片与普克尔盒。9.根据权利要求1所述的微纳加工系统，其特征在于，还包括：控制单元，其用于控制所述第一调制单元、所述第二调制单元及所述样品加工单元运行。10.一种基于脉冲序列的微纳加工方法，其特征在于，包括如下步骤：调制单个超快激光脉冲的能量和偏振，得到单个调制脉冲；
通过分束器及若干反射镜将所述单个调制脉冲进行调制得到一系列脉冲序列；以及利用所述一系列脉冲序列加工待加工样品。

技术总结

本申请涉及一种基于脉冲序列的微纳加工系统及方法,属于超快激光加工领域。该加工系统包括第一调制单元、第二调制单元及样品加工单元。第一调制单元用于调制单个超快激光脉冲的能量和偏振，得到调制脉冲。第二调制单元将调制脉冲进行调制得到一系列脉冲序列，第二调制单元包括分束器及若干反射镜，利用分束器分光产生的子脉冲在分束器及若干反射镜之间形成振荡光路，从而得到一系列脉冲序列。样品加工单元利用一系列脉冲序列对待加工样品进行加工，得到对应的三维微纳加工结构。因为第二调制单元通过将单个调制脉冲调制得到多个子脉冲序列，所以减少了热累积效应、提高了加工速度，同时光路结构简单、成本低，可实现偏振依赖性材料的可控加工。赖性材料的可控加工。赖性材料的可控加工。