激光微纳加工差动共焦在线监测一体化方法与装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于激光精密检测技术、激光微纳加工监测技术领域，涉及激光微纳加工差动共焦在线监测一体化方法与装置，可用于复杂微细结构的激光微纳加工与在线检测。本发明专利技术将高轴向分辨的激光差动共焦轴向监测模块与飞秒激光加工系统有机融合，利用差动共焦系统曲线零点对样品轴向位置进行纳米级监测和样品轴向加工尺寸测量，实现了样品轴向位置的实时定焦和加工后微纳结构尺寸的高精度测量，解决了测量过程中的漂移问题和高精度在线检测问题，提高了微纳飞秒激光加工精度的可控性和样品的加工质量等。加工前，还可以利用显微成像模块对样品进行粗找正和横向位置识别。

Integrated method and device for differential confocal on-line monitoring of laser micro nano fabrication

The invention belongs to the laser precision detection technology and the laser micro nano machining monitoring technology field, which involves the integrated method and device of laser micromachining differential confocal on-line monitoring, which can be used for laser micromachining and on-line detection of complex microstructures. This invention combines the high axial resolution laser differential confocal axial monitoring module and the femtosecond laser processing system organically. Using the zero point of the differential confocal system, the axial position of the sample is monitored in nanometer level and the axial processing size is measured, and the real time fixed focus and the micro nano structure size after the axial position of the sample are realized. High precision measurement has solved the problem of drift and high precision on-line detection in the process of measurement, and improves the controllability of micro nano femtosecond laser processing precision and the quality of sample processing. Before processing, we can use the microscopic imaging module to identify the coarse and positive positions of the samples.

【技术实现步骤摘要】
激光微纳加工差动共焦在线监测一体化方法与装置
本专利技术属于激光精密检测技术、激光微纳加工监测
，涉及激光微纳加工差动共焦在线监测一体化方法与装置，用于复杂微细结构的激光微纳加工与在线检测。技术背景复杂微细结构构件广泛应用在航空航天、兵器工业、精密传感器、精密光学测量等，激光微纳加工是制造复杂微细结构最具发展前途的技术手段，目前如何实现加工聚焦光斑的纳米级轴向定焦、样品位置的高分辨在线检测是满足微纳制造领域纳米级特征尺寸、高深宽比加工/检测的关键技术之一。在复杂微纳结构加工方面，尽管近场聚焦加工分辨能力高，但远场聚焦加工由于具有工作距长、深宽比大和效率高等显著优势反而成为激光微纳加工研究和发展的主流。远场聚焦加工极易达到10:1的深宽比，但只有采用基于双光子聚合及受激发射损耗(Stimulatedemissiondepletion，STED)效应的澳大利亚研究组(顾敏教授团队)和采用自组干涉效应的加拿大研究组实现了小于10nm的特征尺度制造，通过飞秒激光的时空整形调控瞬时局部电子动态，是目前实现极小特征尺寸加工的有效途径与发展趋势。在激光制造过程监测与质量控制方面，聚焦光斑位置的准确判断、自动定焦与样品漂移等原位监测和检测对于三维微纳加工至关重要，并在一定程度上决定了轴向加工特征尺寸，如基于三角光位移传感器轴向监测方法、横向焦点监测的共焦显微成像方法、光学相干层析监测方法等，其分辨能力均为μm量级，德国和加拿大利用干涉成像法(OCT)开展了在线监测技术研究，但其x-y-z方向的监测分辨能力仅达2微米，目前仍需要研究新方法来实现纳米级的监测与定位。现有的超分辨三维光学测量方法可分为近场测量方法和荧光标记远场测量方法和非荧光标记光学远场测量。其中，非荧光标记光学远场测量中，差分共焦技术、差动共焦技术和径向偏振光差动技术均使轴向测量分辨力提升到2nm，特别是径向偏振光差动测量技术同时使横向分辨力提升到150nm并易于量程扩展，是三维微纳结构远场测量的有效技术手段。为解决激光微纳加工中样品易产生轴向漂移和倾斜等问题，实现微纳加工样品轴向离焦位置的纳米级实时在线监测，本专利技术提出激光微纳加工差动共焦在线监测一体化方法与装置，实现了样品加工过程中的轴向漂移、倾斜的在线监控和样品结构轴向尺寸的纳米级监测，确保了加工过程中样品的精确实时定焦，提高了激光加工精度的可控性和样品的加工质量。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决飞秒激光加工过程中的漂移问题和加工后样品的在线检测问题，提高微纳结构加工尺寸精度的可控性和样品加工质量，提出了一种纳米级激光微纳加工差动共焦在线监测一体化方法与装置，以实现高分辨力的微纳结构激光加工与实时监测。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。本专利技术的激光微纳加工差动共焦在线监测一体化方法，利用飞秒激光加工系统对样品进行微纳结构加工，利用激光差动共焦轴向监测模块对样品的轴向位置进行实时监控，实现微纳结构高精度加工与监测的一体化，提高微纳结构激光加工精度的可控性和样品的加工质量；包括以下步骤：步骤一、将样品置于精密工作台上，由精密工作台带动样品进行扫描运动，利用差动共焦轴向监测模块对样品的表面轮廓进行扫描测量，并将其测量结果反馈给计算机，用于飞秒激光加工系统对加工控制参数的调整；其中，激光差动共焦轴向监测模块由激光器、扩束器、反射镜、差动共焦探测器组成，轴向监测平行光束经二向色镜A反射、二向色镜B透射后，进入物镜并被聚焦到样品上，经样品反射的反射轴向监测光束经反射镜后分为两路，一路经探测分光镜反射由第一探测物镜聚焦到第一强度探测器，一路经探测分光镜透射由第二探测物镜聚焦到第二强度探测器，由差动处理模块对两路探测信号处理后得到差动共焦曲线；依据差动共焦曲线的过零点位置对样品表面位置进行纳米级检测。步骤二、利用飞秒激光器、激光时空整形模块、二维扫描器构成的飞秒激光加工系统对样品进行微纳结构加工，加工过程中利用差动共焦轴向监测模块对加工过程中样品表面的轴向位置进行监测；依据差动共焦曲线的过零点位置对样品的轴向位置进行纳米级监测；步骤三、计算机依据测量结果调整样品的轴向位置，实时调整精密工作台的位置，实现加工过程中样品的精确定焦；步骤四、加工完成后，可利用激光差动共焦轴向监测模块对加工完成后的样品结构进行扫描测量，实现加工后样品的高精度在线检测。样品的轴向位置实时监控和轴向定焦，同时，记录样品的轴向结构尺寸，实现样品轴向尺寸的纳米级检测。本专利技术的激光微纳加工差动共焦在线监测一体化方法，包括在加工前，可利用显微成像模块对样品进行粗对准；白光光源发出的光经照明系统、分光镜、二向色镜B、物镜后均匀照射到样品上，经样品返回的光经分光镜反射后经成像物镜成像到CCD上，可判断样品的倾斜和位置。本专利技术的激光微纳加工差动共焦在线监测一体化方法，包括飞秒激光加工系统发出的加工激光光束与轴向监测平行光束经物镜同轴耦合到样品表面，分别实现微纳结构的加工与检测。本专利技术的激光微纳加工差动共焦在线监测一体化装置，利用飞秒激光加工系统对样品进行加工，利用差动共焦轴向监测模块对样品的轴向位置和轴向尺寸进行纳米级监测，实现微纳结构高精度加工与监测的一体化，提高微纳结构激光加工精度的可控性和样品的加工质量；其中飞秒激光加工系统由飞秒激光器、激光时空整形模块、振镜扫描器构成，差动共焦轴向监测模块由激光器、扩束器、反射镜、探测物镜、差动共焦探测器组成。本专利技术的激光微纳加工差动共焦在线监测一体化装置，包括差动共焦探测器可由探测分光镜、第一探测物镜、第一强度探测器、第二探测物镜、第二强度探测器、差动处理模块组成；且第一强度探测器和第二强度探测器偏离第一探测物镜和第二探测物镜焦平面的距离相等、方向相反。本专利技术的激光微纳加工差动共焦在线监测一体化装置，包括差动探测器还可由光斑放大物镜和二象限探测器构成，其中二象限探测器探测面上的第一探测象限和第二探测象限关于光轴对称。本专利技术的激光微纳加工差动共焦在线监测一体化装置，包括激光时空整形模块可由空间整形器、时间整形器构成，对飞秒激光器发出的激光束进行时域和空域参数的联合调控，提高飞秒激光微纳加工能力。本专利技术的激光微纳加工差动共焦在线监测一体化装置，包括还可以利用显微成像模块对样品进行观察和位置识别，其中显微成像模块由白光光源、照明系统、分光镜、二向色镜B、成像物镜、CCD组成。有益效果本专利技术对比已有技术具有以下显著优点：1)采用激光差动共焦轴向监测技术，提高了加工过程中的轴向位置监测能力，解决了飞秒激光加工过程中的漂移问题和高精度实时定焦问题；2)采用激光差动共焦轴向纳米级监测技术，实现了飞秒激光加工样品的高精度轴向尺寸检测能力，解决了飞秒激光加工样品的在线检测问题；3)将差动共焦系统、飞秒激光加工系统的光束经同一物镜耦合到样品，实现了微纳结构加工过程中样品的在线位置监测和轴向尺寸检测，提高了加工过程的可控性和加工质量；4)采用显微成像技术对样品进行成像，可实现样品位置的倾斜校正，提高加工过程中的位置调整效率。本专利技术特点：1.采用具有长工作距和高分辨力的差动共焦技术与飞秒激光加工技术相结合，实现了加工过程中的样品轴向离焦位置的在线监测，解决了加工过程中的样品漂移问题，提高了加工过程的可控性；2.利用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.激光微纳加工差动共焦在线监测一体化方法，其特征在于：利用飞秒激光加工系统对样品进行微纳结构加工，利用激光差动共焦轴向监测模块对样品的轴向位置进行实时监控，实现微纳结构高精度加工与监测的一体化，提高微纳结构激光加工精度的可控性和样品的加工质量；包括以下步骤：步骤一、将样品(9)置于精密工作台(10)上，由精密工作台(10)带动样品(9)进行扫描运动，利用差动共焦轴向监测模块(1)对样品(9)的表面轮廓进行扫描测量，并将其测量结果反馈给计算机(30)，用于飞秒激光加工系统对加工控制参数的调整；其中，激光差动共焦轴向监测模块(1)由激光器(2)、扩束器(3)、反射镜(12)、差动共焦探测器(33)组成，轴向监测平行光束(4)经二向色镜A(5)反射、二向色镜B(6)透射后，进入物镜(7)并被聚焦到样品(9)上，经样品(9)反射的反射轴向监测光束(11)经反射镜(12)后分为两路，一路经探测分光镜(13)反射由第一探测物镜(14)聚焦到第一强度探测器(27)，一路经探测分光镜(13)透射由第二探测物镜(25)聚焦到第二强度探测器(26)，由差动处理模块(28)对两路探测信号处理后得到差动共焦曲线(29)；依据差动共焦曲线(29)的过零点位置对样品(9)表面位置进行纳米级检测；步骤二、利用飞秒激光器(15)、激光时空整形模块(16)、二维扫描器(18)构成的飞秒激光加工系统对样品(9)进行微纳结构加工，加工过程中利用差动共焦轴向监测模块(1)对加工过程中样品(9)表面的轴向位置进行监测；依据差动共焦曲线(29)的过零点位置对样品(9)的轴向位置进行纳米级监测；步骤三、计算机(30)依据测量结果调整样品(9)的轴向位置，实时调整精密工作台(10)的位置，实现加工过程中样品的精确定焦；步骤四、加工完成后，可利用激光差动共焦轴向监测模块(1)对加工完成后的样品结构进行扫描测量，实现加工后样品的高精度在线检测。样品(9)的轴向位置实时监控和轴向定焦，同时，记录样品(9)的轴向结构尺寸，实现样品(9)轴向尺寸的纳米级检测。...

【技术特征摘要】
2017.04.18 CN 20171025146241.激光微纳加工差动共焦在线监测一体化方法，其特征在于：利用飞秒激光加工系统对样品进行微纳结构加工，利用激光差动共焦轴向监测模块对样品的轴向位置进行实时监控，实现微纳结构高精度加工与监测的一体化，提高微纳结构激光加工精度的可控性和样品的加工质量；包括以下步骤：步骤一、将样品(9)置于精密工作台(10)上，由精密工作台(10)带动样品(9)进行扫描运动，利用差动共焦轴向监测模块(1)对样品(9)的表面轮廓进行扫描测量，并将其测量结果反馈给计算机(30)，用于飞秒激光加工系统对加工控制参数的调整；其中，激光差动共焦轴向监测模块(1)由激光器(2)、扩束器(3)、反射镜(12)、差动共焦探测器(33)组成，轴向监测平行光束(4)经二向色镜A(5)反射、二向色镜B(6)透射后，进入物镜(7)并被聚焦到样品(9)上，经样品(9)反射的反射轴向监测光束(11)经反射镜(12)后分为两路，一路经探测分光镜(13)反射由第一探测物镜(14)聚焦到第一强度探测器(27)，一路经探测分光镜(13)透射由第二探测物镜(25)聚焦到第二强度探测器(26)，由差动处理模块(28)对两路探测信号处理后得到差动共焦曲线(29)；依据差动共焦曲线(29)的过零点位置对样品(9)表面位置进行纳米级检测；步骤二、利用飞秒激光器(15)、激光时空整形模块(16)、二维扫描器(18)构成的飞秒激光加工系统对样品(9)进行微纳结构加工，加工过程中利用差动共焦轴向监测模块(1)对加工过程中样品(9)表面的轴向位置进行监测；依据差动共焦曲线(29)的过零点位置对样品(9)的轴向位置进行纳米级监测；步骤三、计算机(30)依据测量结果调整样品(9)的轴向位置，实时调整精密工作台(10)的位置，实现加工过程中样品的精确定焦；步骤四、加工完成后，可利用激光差动共焦轴向监测模块(1)对加工完成后的样品结构进行扫描测量，实现加工后样品的高精度在线检测。样品(9)的轴向位置实时监控和轴向定焦，同时，记录样品(9)的轴向结构尺寸，实现样品(9)轴向尺寸的纳米级检测。2.根据权利要求1所述的激光微纳加工差动共焦在线监测一体化方法，其特征在于：还包括在加工前，可利用显微成像模块(24)对样品(9)进行粗对准；白光光源(19...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵维谦，邱丽荣，王允，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11