一种具备在线监测功能的超快激光微纳加工装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于超快激光微纳加工领域，公开了一种具备在线监测功能的超快激光微纳加工装置。其包括激光器、二向色镜、显微镜、载物平台和成像光谱仪，激光器用于输出两路波长不同的脉冲激光，第一路脉冲激光被分为第一光束和第二光束，其中第一光束进行激光微纳加工；第二光束与第二路脉冲激光合并后用于光谱成像，同时与第一光束合并。合并后的光束经过显微镜二向色镜后聚集于待加工对象上，以此进行协同激光微纳加工与光谱与成像实时监测。后向采集待加工对象发生的后向相干反斯托克斯拉曼散射等非线性光信号，拟采用成像光谱仪接收，以此实现加工过程中的实时监测。通过本发明专利技术，实现具备非线性成像与光谱在线监测功能的超快激光微纳加工。

【技术实现步骤摘要】
一种具备在线监测功能的超快激光微纳加工装置
本专利技术属于激光微纳加工领域，更具体地，涉及一种具备在线监测功能的超快激光微纳加工装置。
技术介绍
超快激光直写三维微纳加工，是一种利用聚焦后的超短脉冲与物质发生非线性相互作用，可在亚波长的尺度上实现光物理和光化学反应的微纳制造技术。超快激光直写技术具有以下优点：加工精度高，可以达到纳米级别的加工精度，其中飞秒量级的激光脉冲配合显微物镜的紧聚焦，可获得极高的光子密度，实现多光子吸收微纳加工，并且热影响效应小，属于“冷加工”技术，从而可实现超分辨微纳加工；非接触、无掩膜，超快激光加工中不需要复杂的掩膜版，由三维精密压电平台或者振镜配合使激光焦点在样品上进行扫描便可得到任意图形的三维微纳结构；无损，可在室温、低温环境下加工，超快激光与物质相互作用的范围只集中在焦点附近，与样品接触面积很小，对样品产生的损伤较小，并且环境条件不需要像某些传统的微纳加工技术一样需要严格的真空环境。加工对象广泛，不仅可以微纳加工金属结构、光刻胶等材料，还可以应用于加工生物兼容材料或者如蛋白质等生物组织。超快激光直写技术由于其优异的性能使其在精密机械制造、微纳电子学、微纳光学、组织工程、生物医学工程等领域具有广泛的应用前景。虽然超快激光直写技术具有比其他传统微纳加工技术更优异的性能，但是其在跨尺度、可利用材料、高精密加工等方面仍然存在不足，并且加工过程中的纳米尺寸的缺陷一般较难实时观测出来。采用一般的光学显微镜不仅观测的空间分辨率较低，难以观测三维结构，而且无法区分物质的化学信息。其他常规的表征方法，比如AFM、TEM等操作复杂，并且不具备原位实时监控三维飞秒直写加工的功能。因此亟需开发一种可原位探测材料、生物等样品的三维微纳结构形貌和化学性质变化的在线监测方法。US2011/0267683A1公开了一种前向式CARS原位实时探测飞秒激光双光子聚合过程的装置。基于拉曼效应的简单快速无损检测引起人们的广泛关注，其中相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)显微成像技术可以在无需引入标记的情况下，通过分子的固有振动或者转动性能获得相干反斯托克斯拉曼信号，跟传统拉曼表征仪器相比，CARS成像系统引入斯托克斯光，斯托克斯光与泵浦光频率差与探测分子振动频率形成共振，从而使信号输出较强，属于三阶非线性效应，CARS检测过程无损、非接触，空间分辨率高，可实现三维微纳结构化学成像，在脂类、核酸、蛋白质等微纳材料表征以及生物医学诊断领域已表现出广泛的应用。但是该装置仍然存在以下几点不足：1)该装置背景噪声较大，无法实现对生物等对辐照敏感的微纳样品进行加工探测；2)仅仅基于分子内单一分子化学键产生的共振激发反斯托克斯信号成像，没有结合其他多模式非线性光谱成像全面地表征分子；3)并且系统的加工原理也只局限于飞秒激光双光子聚合过程。综上所述，目前并没有报道面向超快激光微纳加工的非线性光谱成像在线监测系统，从而无法实现面向三维微纳尺度样品加工的在线精准超快超灵敏实时表征功能。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种具备在线监测功能的超快激光微纳加工装置，通过在该装置中设置两路光束，并通过对两路光束的传播路径进行设计，使得在实现超快激光微纳加工的同时后向采集相干反斯托克拉曼散射的反斯托克斯光，通过对实时采集的反斯托克斯光进行成像以此实现对加工过程的实时监测，从而达到精准控制微纳加工，提高加工成品率的目的。为实现上述目的，按照本专利技术，提供了一种具备在线监测功能的超快激光微纳加工装置，其特征在于，该激光微纳加工装置包括激光器、二向色镜、显微镜、载物平台和成像光谱仪，其中：所述激光器设置有多个激光出口，用于输出两路波长不同的脉冲激光；所述激光器的后方设置有分束镜和多个反射镜，所述分束镜用于将第一路所述脉冲激光分为第一光束和第二光束，所述多个反射镜用于将第二路所述脉冲激光进行多次反射，以此射入设置在所述多个反射镜后方的二向色镜，该二向色镜用于将所述第二光束和第二路所述脉冲激光合束，以此形成第一合束光；所述二向色镜后方设置有合束器，用于将所述第一光束和第一合束光合束，以此形成第二合束光，所述合束器的后方依次设置有4F系统和所述二向色镜，所述4F系统用于增大所述第一合束光的扫描范围，所述二向色镜用于将经过所述4F系统的所述第二合束光反射；所述二向色镜的一侧设置有显微镜和载物平台，另一侧设置有成像光谱仪，所述显微镜用于将被所述二向色镜反射的第二合束光聚集于置于所述载物平台上的待加工对象上，以此对待加工对象进行激光微纳加工，所述成像光谱仪设置在所述二向色镜的后方，用于后向采集所述激光微纳加工中待加工对象发生的非线性光信号，并通过该非线性光信号进行成像与光谱探测，以此实现面向加工过程的实时监测。进一步优选地，所述第一光束光在射入所述合束器之前，还需依次经过反射镜、半波片、声光调制器和扩束器，所述反射镜用于调整所述第一光束的方向，使得其照射进入所述半波片中，所述半波片用于调节所述第一光束的偏振态，所述声光调制器用于控制所述第一光束的开关和调节其功率大小，所述扩束镜用于对所述第一光束进行扩束准直，以此减小聚焦的焦斑半径。进一步优选地，所述第二光束在与另外一路所述脉冲激光合束之前还需依次经过反射镜、延迟线、反射镜、半波片和格兰棱镜，所述反射镜用于改变所述第二光束的方向，所述延迟线用于将所述第二光束延迟，使得所述第二光束与另外一路所述脉冲激光同步，以便同时到达所述合束镜，所述半波片配合所述格兰棱镜一起用于调节所述第二光束的功率与偏振态。进一步优选地，所述第一合束光在与所述第一光束合束之前，还需经过二维振镜，该二维振镜用于调节所述第一合束光的方向，以此使得照射在待加工对象的激光得以移动实现在待加工对象上的二维扫描。进一步优选地，所述成像光谱仪与显微镜的接口包括两组半反半透镜、凸透镜和相机，一组用于成像所另外一组用于采集光谱。进一步优选地，所述延迟线为一对垂直摆放的反射镜，通过对该对反射镜的空间位置进行调整，实现第二光束和第二路脉冲激光时间同步。进一步优选地，所述扩束镜是基于双胶合透镜设计的光学元件。进一步优选地，所述扩束镜由双胶合透镜结构组成。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：1、本专利技术实现协同跨尺度三维微纳加工与高精度光谱实时监测，并采用后向探测模式可有效消除溶剂的背景噪声，能够获得纳米尺度的散射体的CARS信号，提高已有CARS光谱成像在线监测加工的灵敏度与信噪比；另外可调谐的激光可获得完整的CARS光谱，可实现定性与定量地非线性光谱成像检测微纳结构形变量；2、本专利技术提供的装置在同一平台中实现超快激光直写微纳加工与在线监测的协同进行，使得微纳加工过程得以进行非线性成像实时监测控制，提高了激光微纳加工过程的可控性，为进一步提高激光微纳加工做铺垫；3、本专利技术中采用后向采集相干反斯托克斯拉曼散射产生的反斯托克斯光，减少溶剂等背景噪声的干扰，提高了光谱探测速度、灵敏度和成像信噪比；4、本专利技术通过对第一光束的光路进行设计，使其不仅满足激光直写所符合的要求，而且实现其功率可调，相对于传统的激光直写系统而言，增加了波长可选择性，方便选择更加适合于材料加工的波长，更好地利用激光的能量；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具备在线监测功能的超快激光微纳加工装置，其特征在于，该激光微纳加工装置包括激光器(1)、二向色镜(9)、显微镜(10)、载物平台(11)和成像光谱仪(13)，其中：所述激光器(1)设置有多个激光出口，用于输出两路波长不同的脉冲激光；所述激光器的后方设置有分束镜(2)和多个反射镜(3)，所述分束镜用于将第一路所述脉冲激光分为第一光束和第二光束，所述多个反射镜用于将第二路所述脉冲激光进行多次反射，以此射入设置在所述多个反射镜后方的二向色镜(9)，该二向色镜用于将所述第二光束和第二路所述脉冲激光合束，以此形成第一合束光；所述二向色镜(9)后方设置有合束器(7)，用于将所述第一光束和第一合束光合束，以此形成第二合束光，所述合束器(7)的后方依次设置有4F系统(8)和所述二向色镜，所述4F系统(8)用于增大所述第一光束的扫描范围，所述二向色镜用于将经过所述4F系统的所述第二合束光反射；所述二向色镜(9)的一侧设置有显微镜(10)和载物平台(11)，另一侧设置有成像光谱仪(13)，所述显微镜(10)用于将被所述二向色镜反射的第二合束光聚集于置于所述载物平台上的待加工对象上，以此对待加工对象进行激光微纳加工，所述成像光谱仪(13)设置在所述二向色镜的后方，用于后向采集所述激光微纳加工中待加工对象发生的非线性光信号，并通过该非线性光信号进行成像与光谱探测，以此实现面向加工过程的实时监测。...

【技术特征摘要】
1.一种具备在线监测功能的超快激光微纳加工装置，其特征在于，该激光微纳加工装置包括激光器(1)、二向色镜(9)、显微镜(10)、载物平台(11)和成像光谱仪(13)，其中：所述激光器(1)设置有多个激光出口，用于输出两路波长不同的脉冲激光；所述激光器的后方设置有分束镜(2)和多个反射镜(3)，所述分束镜用于将第一路所述脉冲激光分为第一光束和第二光束，所述多个反射镜用于将第二路所述脉冲激光进行多次反射，以此射入设置在所述多个反射镜后方的二向色镜(9)，该二向色镜用于将所述第二光束和第二路所述脉冲激光合束，以此形成第一合束光；所述二向色镜(9)后方设置有合束器(7)，用于将所述第一光束和第一合束光合束，以此形成第二合束光，所述合束器(7)的后方依次设置有4F系统(8)和所述二向色镜，所述4F系统(8)用于增大所述第一光束的扫描范围，所述二向色镜用于将经过所述4F系统的所述第二合束光反射；所述二向色镜(9)的一侧设置有显微镜(10)和载物平台(11)，另一侧设置有成像光谱仪(13)，所述显微镜(10)用于将被所述二向色镜反射的第二合束光聚集于置于所述载物平台上的待加工对象上，以此对待加工对象进行激光微纳加工，所述成像光谱仪(13)设置在所述二向色镜的后方，用于后向采集所述激光微纳加工中待加工对象发生的非线性光信号，并通过该非线性光信号进行成像与光谱探测，以此实现面向加工过程的实时监测。2.如权利要求1所述的激光微纳加工装置，其特征在于，所述第一光束光在射入所述合束器(7)之前，还需依次经过反射镜(3)、半波片(4)、声光调制器(5)和扩束器(6)...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊伟，王锐青，王帆，曾晓雁，郭连波，陆永枫，陶宇峰，刘欢，焦玢璋，周琳琳，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42