后分光瞳差动共焦Raman-LIBS-质谱探测的飞秒激光加工监测方法技术

本发明专利技术涉及一种后分光瞳差动共焦Raman‑LIBS‑质谱探测的飞秒激光加工监测方法，属于激光精密检测技术、飞秒激光加工监测技术领域。可用于飞秒激光加工与在线监测和物性综合参数在线检测。本发明专利技术将后置分光瞳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，利用后置分光瞳差动共焦系统对样品轴向位置进行高精度原位在线监测和样品轴向加工尺寸测量；利用拉曼光谱探测模块、LIBS光谱探测模块和质谱仪对飞秒激光加工后样品材料的分子结构、元素及离子等信息进行监测分析，并通过计算机对上述信息进行融合，实现微细结构飞秒激光高精度加工与微区形态性能原位监测分析一体化，提高微细结构飞秒激光加工精度的可控性和样品的加工质量等。

A Femtosecond Laser Processing Monitoring Method for Differential Confocal Raman-LIBS-Mass Spectrometry Detection of Post-spectrophotometric Pupils

The invention relates to a femtosecond laser processing monitoring method for post-splitting pupil differential confocal Raman LIBS mass spectrometry detection, belonging to the field of laser precision detection technology and femtosecond laser processing monitoring technology. It can be used for femtosecond laser processing, on-line monitoring and on-line detection of physical properties. The invention organically integrates the post-splitting pupil laser differential confocal axial monitoring module with the femtosecond laser processing system, uses the post-splitting pupil differential confocal system to carry out high-precision on-line monitoring of the axial position of the sample and measurement of the axial processing size of the sample, and uses Raman spectrum detection module, LIBS spectrum detection module and mass spectrometer to detect the molecular junction of the sample material after femtosecond laser processing. The structure, element and plasma information are monitored and analyzed, and the above information is fused by computer to realize the integration of high-precision femtosecond laser processing of micro-structure and in-situ monitoring and analysis of micro-area morphological properties, and to improve the controllability of micro-structure femtosecond laser processing accuracy and the quality of sample processing.

【技术实现步骤摘要】
后分光瞳差动共焦Raman-LIBS-质谱探测的飞秒激光加工监测方法
本专利技术涉及一种后分光瞳差动共焦Raman-LIBS-质谱探测的飞秒激光加工监测方法，特别涉及后分光瞳差动共焦Raman-LIBS-质谱探测的飞秒激光加工监测一体化方法与装置，属于激光精密检测技术、飞秒激光加工监测
，可用于复杂微细结构的飞秒激光加工与形态性能综合参数原位在线检测。
技术介绍
飞秒激光加工由于具有材料适应性广、加工精细度高、加工无需掩模等显著优点，而被视为“可能引起新工业革命”的世纪性技术备受关注，并被作为宏—微跨尺度微纳制造的首选手段得到中国、美国等世界各制造大国的优先发展。飞秒激光加工就是利用激光与材料的非线性效应，在超越光学衍射极限的纳米尺度上使材料发生成形与成性，其本质是材料形态与性能参数的同时改变与调控，因而，我们只有同时监测加工过程中材料形态、性能参数的瞬时变化状态，才能真正揭示飞秒激光非线性加工的作用机理及其演化规律。目前飞秒激光加工还存在非线性加工使物镜轴向进给量无法精确对应样品轴向去除量这一重大瓶颈问题，但现有的基于三角光位移传感器轴向监测、背向散射相干层析监测和光学相干层析监测等方法，其分辨能力均为微米或亚微米量级，如加拿大皇后大学和德国哥廷根激光实验室利用干涉成像法(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微米量级。可见，飞秒加工装备由于受现有监测技术制约，仍然缺乏高性能的原位监测手段，这就使基于点加工、长耗时的飞秒激光加工设备普遍存在：非线性去除，使轴向去除不准；长耗时漂移，使加工系统不稳；非稳定点加工，使加工尺度不大等共性问题。其根源在于加工系统轴向定焦不准，进而制约了飞秒激光在跨尺度关键元件微纳制造方面的应用。此外，飞秒激光加工过程中，加工材质不同，飞秒脉冲激光与物质的作用机理不同，加工过程中样品产生的形态和性能变化不同；在脉冲激光的作用下，样品的分子结构、元素比例和带电离子等均会发生变化，如何对加工完成后样品的物性参数和形态参数进行精确的检测，不仅是保证加工精度的关键、也是研究飞秒激光加工机理、提升加工工艺水平的重要前提。由此可见，随着飞秒激光加工技术的飞速发展，迫切需要研究飞秒激光加工中形态性能参数的原位监测手段。在形态性能参数探测中，基于拉曼(Raman)散射效应的激光共焦拉曼光谱探测技术，由于可通过探测样品微区拉曼光谱谱峰的强度、位置、位移、比值、半高宽等信息，来测得材料微区组分、应力、温度等参数，而被作为形态性能参数测试的重要的手段在飞秒激光加工的光致应变、晶体晶态、折射率变化、载流子密度、温度状态、成分等离线监测中得到成功应用，但现有飞秒激光加工仍然缺乏飞秒激光加工形态性能参数的一体化原位监测手段，同时拉曼光谱形态性能探测方法亦不能完全反映加工样品的形态性能参数，还必须借助其它手段，如LIBS(Laser-inducedbreakdownspectroscopy)光谱和质谱来探测样品微区物质组分的完整信息。综上所述，现有飞秒激光加工中无法对样品进行精准的定焦和对准，无法对加工中的样品形态性能参数进行高精度的原位监测，其结果限制了飞秒激光加工效果稳定性和跨尺度加工能力，也制约了飞秒激光加工机理研究和加工工艺水平的提高。为此，本专利技术提出在飞秒激光加工系统中创造性地融入激光后分光瞳差动共焦Raman-LIBS-质谱探测技术，以期实现飞秒激光加工中形态性能参数的一体化原位监测，为飞秒激光加工形态性能参数一体化原位监测提供新手段，提升飞秒激光加工的精度性能和宏-微跨尺度加工能力等。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决飞秒激光加工中样品易产生轴向漂移和加工完成后样品复杂形态性能参数原位检测等问题，本专利技术提出后分光瞳差动共焦Raman-LIBS-质谱探测的飞秒激光加工监测方法与装置，实现了样品加工过程中的轴向漂移、倾斜的高空间分辨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，并实现了加工完成后样品微区形貌结构和复杂物性参数的综合检测，为飞秒激光加工的反馈修正、机理研究和工艺改进提供了技术基础，提高了激光加工精度的可控性和样品的加工质量。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，利用飞秒激光加工系统对样品进行微细结构加工，利用后置分光瞳激光差动共焦轴向监测模块对样品表面形貌轮廓、加工中样品表面轴向位置进行实时监控，并对加工后样品表面的几何参数进行检测，利用拉曼光谱探测模块对飞秒激光加工后样品材料的分子结构变化进行检测分析，利用LIBS光谱探测模块对材料的原子、小分子和元素信息进行检测分析，利用质谱仪对材料的离子信息进行检测分析，对上述信息进行融合获得样品微区形态和物性综合参数，进而实现微细结构飞秒激光高精度加工与微区形态性能原位监测分析一体化，提高微细结构飞秒激光加工精度的可控性和样品的加工质量；后分光瞳差动共焦Raman-LIBS-质谱探测的飞秒激光加工监测方法包括以下步骤：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，利用后置分光瞳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，后置分光瞳差动共焦轴向监测模块由激光器、扩束器、反射镜、探测物镜、分光瞳差动探测模块组成，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被分光镜反射后，经过后置光瞳、探测物镜、光斑放大物镜后汇聚到二象限探测器上，对二象限探测器像面上的第一探测象限和第二探测象限探测的信号进行差动相减得到分光瞳差动共焦曲线；依据分光瞳差动共焦曲线的过零点位置对样品的轴向离焦位置进行纳米级监测；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，加工过程中利用后置分光瞳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；依据分光瞳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，利用后置分光瞳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，实现加工后样品形态参数的纳米级高精度原位检测；步骤五、轴向监测平行光束经物镜聚焦到样品上，激发出拉曼散射光谱，该光谱经二向色镜B反射后透过二向色镜C由拉曼光谱探测模块探测，对加工后样品的分子结构参数进行原位检测分析，其中，拉曼探测模块由拉曼耦合镜和拉曼光谱探测器组成；步骤六、脉冲光束经物镜聚焦到样品上，激发出等离子体羽，部分等离子体通过离子吸管由质谱仪探测，对加工后样品的带电离子进行原位检测分析；等离子体羽湮灭发出LIBS光谱，该光谱经二向色镜B反射后再次被二向色镜C反射，由LIBS光谱探测模块探测，对加工后样品的原子、小分子和元素信息进行原位检测分析；步骤七、由二象限探测器的第一探测象限和第二探测象限、拉曼光谱探测器、LIBS光谱探测器和质谱仪探测得到信号传输至计算机进行信息融合，得到加工后的样品的微区形态和性能综合参数，并根据样品的微区形态和性能综合参数分析加工过程中的样品物性本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.后分光瞳差动共焦Raman‑LIBS‑质谱探测的飞秒激光加工监测方法，其特征在于：利用飞秒激光加工系统对样品进行微细结构加工，利用后置分光瞳激光差动共焦轴向监测模块对样品表面形貌轮廓、加工中样品表面轴向位置进行实时监控，并对加工后样品表面的几何参数进行检测，利用拉曼光谱探测模块对飞秒激光加工后样品材料的分子结构变化进行检测分析，利用LIBS光谱探测模块对材料的原子、小分子和元素信息进行检测分析，利用质谱仪对材料的离子信息进行检测分析，对上述信息进行融合获得样品微区形态和物性综合参数，进而实现微细结构飞秒激光高精度加工与微区形态性能原位监测分析一体化，提高微细结构飞秒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，利用后置分光瞳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(33)，用于飞秒激光加工系统对加工控制参数的调整；其中，后置分光瞳差动共焦轴向监测模块(1)由激光器(2)、扩束器(3)、后置光瞳(11)、分光镜A(12)、探测物镜(13)和分光瞳差动探测模块(14)组成；分光瞳差动探测模块(14)由光斑放大物镜(19)和二象限探测器(20)组成；轴向监测平行光束(4)经二向色镜A(5)反射，然后经二向色镜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被分光镜A(12)反射后，依次经过后置光瞳(11)、探测物镜(13)和光斑放大物镜(19)后汇聚到二象限探测器(20)上，对二象限探测器(20)像面上的第一探测象限(21)和第二探测象限(22)探测的信号进行差动相减得到分光瞳差动共焦曲线(23)；依据分光瞳差动共焦曲线(23)的过零点位置对样品(9)的轴向离焦位置进行纳米级监测；步骤二、利用飞秒激光器(15)、激光时空整形模块(16)和二维扫描器(18)构成的飞秒激光加工系统对样品(9)进行微纳结构加工，加工过程中利用后置分光瞳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；依据分光瞳差动共焦曲线(23)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(33)依据步骤二纳米级监测的测量结果调整样品(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，利用分光瞳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(9)形态参数的纳米级高精度原位检测；步骤五、轴向监测平行光束(4)经物镜(7)聚焦到样品(9)上，激发出拉曼散射光谱，所述拉曼散射光谱经二向色镜B(6)反射后透过二向色镜C(34)由拉曼光谱探测模块(26)探测，拉曼光谱探测模块(26)对加工后样品的分子结构参数进行原位检测分析；所述拉曼光谱探测模块(26)由拉曼耦合透镜(24)和拉曼光谱探测器(25)组成；步骤六、脉冲光束经物镜(7)聚焦到样品(9)上，激发出等离子体羽(30)，部分等离子体通过离子吸管(31)由质谱仪(32)探测，对加工后样品的带电离子进行原位检测分析；等离子体羽(30)湮灭发出LIBS光谱，所述LIBS光谱经二向色镜B(6)反射后再次被二向色镜C(34)反射，由LIBS光谱探测模块(29)探测，对加工后样品的原子、小分子和元素信息进行原位检测分析；LIBS光谱探测模块(29)包括LIBS耦合透镜(27)和LIBS光谱探测器(28)；步骤七、由二象限探测器(20)的第一探测象限(21)和第二探测象限(22)、拉曼光谱探测器(25)、LIBS光谱探测器(28)和质谱仪(32)探测得到信号传输至计算机(33)进行信息融合，得到加工后的样品的微区形态和性能综合参数，并根据样品的微区形态和性能综合参数分析加工过程中的样品物性变化规律和加工后的效果；通过激光时空整形模块(16)对加工激光束(17)进行调制，提高了微纳结构飞秒激光加工精度的可控性和样品的加工质量。...

【技术特征摘要】
1.后分光瞳差动共焦Raman-LIBS-质谱探测的飞秒激光加工监测方法，其特征在于：利用飞秒激光加工系统对样品进行微细结构加工，利用后置分光瞳激光差动共焦轴向监测模块对样品表面形貌轮廓、加工中样品表面轴向位置进行实时监控，并对加工后样品表面的几何参数进行检测，利用拉曼光谱探测模块对飞秒激光加工后样品材料的分子结构变化进行检测分析，利用LIBS光谱探测模块对材料的原子、小分子和元素信息进行检测分析，利用质谱仪对材料的离子信息进行检测分析，对上述信息进行融合获得样品微区形态和物性综合参数，进而实现微细结构飞秒激光高精度加工与微区形态性能原位监测分析一体化，提高微细结构飞秒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，利用后置分光瞳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(33)，用于飞秒激光加工系统对加工控制参数的调整；其中，后置分光瞳差动共焦轴向监测模块(1)由激光器(2)、扩束器(3)、后置光瞳(11)、分光镜A(12)、探测物镜(13)和分光瞳差动探测模块(14)组成；分光瞳差动探测模块(14)由光斑放大物镜(19)和二象限探测器(20)组成；轴向监测平行光束(4)经二向色镜A(5)反射，然后经二向色镜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被分光镜A(12)反射后，依次经过后置光瞳(11)、探测物镜(13)和光斑放大物镜(19)后汇聚到二象限探测器(20)上，对二象限探测器(20)像面上的第一探测象限(21)和第二探测象限(22)探测的信号进行差动相减得到分光瞳差动共焦曲线(23)；依据分光瞳差动共焦曲线(23)的过零点位置对样品(9)的轴向离焦位置进行纳米级监测；步骤二、利用飞秒激光器(15)、激光时空整形模块(16)和二维扫描器(18)构成的飞秒激光加工系统对样品(9)进行微纳结构加工，加工过程中利用后置分光瞳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；依据分光瞳差动共焦曲线(23)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(33)依据步骤二纳米级监测的测量结果调整样品(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，利用分光瞳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(9)形态参数的纳米级高精度原位检测；步骤五、轴向监测平行光束(4)经物镜(7)聚焦到样品(9)上，激发出拉曼散射光谱，所述拉曼散射光谱经二向色镜B(6)反射后透过二向色镜C(34)由拉曼光谱探测模块(26)探测，拉曼光谱探测模块(26)对加工后样品的分子结构参数进行原位检测分析；所述拉曼光谱探测模块(26)由拉曼耦合透镜(24)和拉曼光谱探测器(25)组成；步骤六、脉冲光束经物镜(7)聚焦到样品(9)上，激发出等离子体羽(30)，部分等离子体通过离子吸管(31)由质谱仪(32)探测，对加工后样品的带电离子进行原位检测分析；等离子体羽(30)湮灭发出LIBS光谱，所述LIBS光谱经二向色镜B(6)反射后再次被二向色镜C(34)反射，由LIBS光谱探测模块(29)探测，对加工后样品的原子、小分子和元素信息进行原位检测分析；LIBS光谱探测模块(29)包括LIBS耦合透镜(27)和LIBS光谱探测器(28)；步骤七、由二象限探测器(20)的第一探测象限(21)和第二探测象限(22)、拉曼光谱探测器(25)、LIBS光谱探测器(28)和质谱仪(32)探测得到信号传...

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