一种高效制备高深径比微孔阵列的方法技术

本发明专利技术涉及一种利用飞秒激光贝塞尔光束高效加工高深径比微孔阵列的方法，属于飞秒激光应用技术领域。本发明专利技术综合飞秒激光空间光整形与飞行时间打孔的方法，有效利用飞秒激光贝塞尔光束小光斑直径、长焦深的性质，能够在短时间内高效加工大面积的高深径比微孔阵列。本发明专利技术连续在单个激光脉冲条件下，加工所得无锥度微孔的深径比高达330:1，大大提高了微孔阵列的加工质量及加工效率，在光学及光学仪器、航空和生物医学等方面具有至关重要的应用价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种加工高深径比微孔阵列的方法，特别涉及一种利用飞秒激光贝塞尔光束高效加工高深径比微孔阵列的方法，属于飞秒激光应用

技术介绍
微孔制造在航空航天领域、光电学领域、微流体器件等相关领域都有着极其重要的应用，随着激光技术的不断进步和发展，微孔制造方面的研究具有十分重要的现实意义。激光微孔制造的优势在于具有较好的柔性和较高的自动化程度，另外，与传统机械加工技术相比，激光微孔制造技术为无接触技术，加工工具也不会因加工材料质地较硬而发生断裂破坏。飞秒激光是一种新型的脉冲激光，其脉冲持续时间可低至飞秒量级。与传统的长脉冲激光相比(如纳米激光和皮秒激光)，飞秒激光在微细加工方面具有其独特的优势：(1)加工尺度小，可实现亚微米甚至纳米级加工；(2)飞秒激光加工时不会出现长脉冲激光时常出现的等离子体屏蔽效应，显著提高了加工效率；(3)飞秒激光加工可显著减少重铸层，微裂纹和热影响区。飞秒激光器产生以来，利用其在各种材料上进行了大量的微孔加工实验研究，其中，微孔尺寸和微孔的质量是微孔制造过程中最重要的两个指标，包括微孔的直径、深度和侧壁锥度等问题。在已知的飞秒激光微孔加工方法中，大部分是利用高斯型强度分布的飞秒激光，经过高倍显微物镜聚焦后加工透明材料，但若不采用特殊加工手段，微孔的深径比较难突破100:1。飞秒激光微孔制造是推动制造业进步和发展的关键性技术之一，极小尺寸和极高质量的微孔是飞秒激光微孔r>制造发展的目标。另外，高深径比微孔阵列相比于单个的微孔在生物医学、航天航空、光电学等方面应用更为突出。目前存在的问题则是，加工大面积(比如1cm×1cm)的高深径比微孔阵列，所需的加工时间过长并且阵列中微孔的质量未能保证，加工效率极低。因此，目前迫切需要一种能够高效加工高深径比微孔阵列的方法并且能够保证阵列中各微孔质量的均一性。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决高质量、高深径比的微孔阵列加工效率较低，无法在较短的时间内快速加工大面积的高深径比微孔阵列的难题，提出一种利用飞秒激光贝塞尔光束高效加工高深径比微孔阵列的方法，本专利技术通过对飞秒激光空间光整形，调控激光辐照区域瞬态的电子密度，并结合飞秒激光“飞行时间打孔法”(JournalofLaserApplications,4(2),15-24,1992)，实现大面积高深径比微孔阵列的高效加工。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种利用飞秒激光贝塞尔光束高效加工高深径比微孔阵列的方法，具体步骤如下：步骤一：利用轴棱锥原理，将平行入射的飞秒激光高斯光束整形为飞秒激光贝塞尔光束；步骤二：将步骤一中空间光整形得到的贝塞尔光束通过望远系统缩小尺寸成微贝塞尔光束，使其具有足够高的能量进行样品的加工；步骤三：将加工样品置于六维移动的平移台上，控制平移台带动样品运动，将步骤二中得到的微贝塞尔光束聚焦在被加工样品表面；步骤四：利用“飞行时间打孔法”，在飞秒激光贝塞尔光束单脉冲条件下，快速加工大面积高深径比微孔阵列。通过控制飞秒激光重复频率和平移台的移动速度(扫描速度)来控制微孔加工速度和相邻微孔间的间距。作为优选，所述步骤一使用锥透镜将平行入射的高斯光束整形为焦深较长的贝塞尔光束。作为优选，所述望远系统由一个平凸透镜和一个聚焦物镜组成。作为优选，所述加工样品材料为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)/PET/PC/熔融石英等透明材料。一种利用飞秒激光贝塞尔光束高效加工高深径比微孔阵列的装置，包括飞秒激光系统、半波片、偏振分光棱镜、连续衰减片、机械快门、光阑、锥透镜、平凸透镜、二向色镜、聚焦显微物镜和六维精密位移平台；连接关系：飞秒激光系统、半波片、偏振分光棱镜、连续衰减片、机械快门、光阑、锥透镜、平凸透镜依次平行、同轴放置，二向色镜的中心位于经过平凸透镜的光轴上，成45°放置，光轴经二向色镜反射依次通过聚焦显微物镜、加工样品和六维精密位移平台的中心；光路：飞秒激光产生短脉冲飞秒激光，利用半波片和偏振分光棱镜的组合调整激光能量后，使用连续衰减片进一步连续改变激光能量，其后的机械快门用来控制激光的通断，从而控制激光加工与否；使用光阑限制高斯光束的光斑大小，使其在一定大小的光斑直径内激光能量均匀分布；然后高斯激光平行入射进入锥透镜中，锥透镜将高斯光束整形为贝塞尔光束；经过平凸透镜和聚焦显微物镜组成的望远系统将贝塞尔光束缩小为微贝塞尔光束；加工样品固定在六维精密位移平台上，移动六维精密位移平台使加工样品位于微贝塞尔光束区域。作为优选，所述装置还包括成像照明光源和图像传感器，二者组成正面成像系统，用于实时监控加工过程；成像照明光源位于六维精密位移平台的下方，其发出的照明光经过加工样品、聚焦物镜、二向色镜，进入CCD图像传感器成像。有益效果1、本专利技术的一种利用飞秒激光贝塞尔光束高效加工大面积高深径比微孔阵列的方法，与传统高斯光束微孔加工相比，在加工微孔质量以及深径比方面可以提高数倍。2、本专利技术的一种利用飞秒激光贝塞尔光束高效加工大面积高深径比微孔阵列的方法，使用单脉冲贝塞尔光束能够实现较短时间内高效加工大面积高深径比微孔阵列，大大提高了微孔阵列的加工效率(每秒可加工上千个微孔结构，如果激光器重复频率与加工平台移动速度上限更高，理论上可以进一步提高加工效率)。附图说明图1为具体实施例中，飞秒激光贝塞尔光束加工光路图。图2为将平行入射的高斯光束整形为贝塞尔光束，继而通过望远系统缩小为微贝塞尔光束的示意图。其中，1-飞秒激光系统、2-半波片、3-偏振分光棱镜、4-连续衰减片、5-机械快门、6-光阑、7-锥透镜、8-平凸透镜、9-二向色镜、10-聚焦显微物镜、11-加工样品、12-六维精密位移平台、13-成像照明光源、14-CCD图像传感器。具体实施方式下面结合说明书附图和实施例对本专利技术做进一步说明。本具体实施方式中实现本专利技术的装置包括：飞秒激光系统1、半波片2、偏振分光棱镜3、连续衰减片4、机械快门5、光阑6、锥透镜7、平凸透镜8、聚焦显微物镜10、二向色镜9、六维精密位移平台12。其连接关系如图1所示。飞秒激光系统1、半波片2、偏振分光棱镜3、连续衰减片4、机械快门5、光阑6、锥透镜7、平凸透镜8依次平行、同轴放置，二向色镜9的中心位于经过平凸透镜8的光轴上，成45°放置，光轴经二向色镜9反射依次通过聚焦显微物镜10、加工样品11、六维精密位移平台12和成像本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用飞秒激光贝塞尔光束高效加工高深径比微孔阵列的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一，利用轴棱锥原理，将平行入射的飞秒激光高斯光束整形为飞秒激光贝塞尔光束；步骤二，将步骤一中空间光整形得到的贝塞尔光束通过望远系统缩小尺寸成微贝塞尔光束，使其具有足够高的能量进行样品的加工；步骤三，将加工样品置于六维移动的平移台上，控制平移台带动样品运动，将步骤二中得到的微贝塞尔光束聚焦在被加工样品表面；步骤四，利用“飞行时间打孔法”，在飞秒激光贝塞尔光束单脉冲条件下，快速加工大面积高深径比微孔阵列。

【技术特征摘要】
1.一种利用飞秒激光贝塞尔光束高效加工高深径比微孔阵列的方法，其特征在于，
包括如下步骤：
步骤一，利用轴棱锥原理，将平行入射的飞秒激光高斯光束整形为飞秒激光贝塞尔
光束；
步骤二，将步骤一中空间光整形得到的贝塞尔光束通过望远系统缩小尺寸成微贝塞
尔光束，使其具有足够高的能量进行样品的加工；
步骤三，将加工样品置于六维移动的平移台上，控制平移台带动样品运动，将步骤
二中得到的微贝塞尔光束聚焦在被加工样品表面；
步骤四，利用“飞行时间打孔法”，在飞秒激光贝塞尔光束单脉冲条件下，快速加
工大面积高深径比微孔阵列。
2.根据权利要求1所述的一种利用飞秒激光贝塞尔光束高效加工高深径比微孔阵
列的方法，其特征在于：所述步骤一使用锥透镜将平行入射的高斯光束整形为焦深较长
的贝塞尔光束。
3.根据权利要求1所述的一种利用飞秒激光贝塞尔光束高效加工高深径比微孔阵
列的方法，其特征在于：所述望远系统由一个平凸透镜和一个聚焦物镜组成。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种利用飞秒激光贝塞尔光束高效加工高深径比
微孔阵列的方法，其特征在于：所述加工样品材料为PMMA、PET、PC或熔融石英。
5.一种利用飞秒激光贝塞尔光束高效加工高深径比微孔阵列的装置，其特征在于：
包括飞秒激光系统(1)、半波片(2)、偏振分光棱镜(3)、连续衰减片(4)、机械快
门(5)、光阑(6)、锥透镜(7)、平凸透镜(8)、二向色镜(9)、聚焦显微物镜(10)
和六维精密位移平台(12)；

【专利技术属性】
技术研发人员：姜澜，谢乾，李晓炜，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11