利用三棱台棱镜进行近4π立体角飞秒激光直写加工的方法及其应用技术

本发明专利技术公开了利用三棱台棱镜进行近4π立体角飞秒激光直写加工的方法及其应用，属于激光加工技术领域，本发明专利技术通过控制三束全同激光垂直入射到三棱台的三个侧面上，使得这三束飞秒激光在样品内部的待加工平面正交会聚，得到各项同性更好的三光子激发焦点(具有近4π立体角近球型焦点)，从而在根本上解决了单束激光在进行大埋入深度直写加工时的散焦问题。同时结合压电平台和样品运动平台的控制，使得三棱台和样品在Z轴方向同步运动，实现加工深度在样品内部的连续可调，进而获得加工深度连续变化的、性质均一的三维埋入式结构。

Method and application of femtosecond laser direct writing with nearly 4 PI solid angle using prism

The invention discloses a method and application of femtosecond laser direct writing processing with nearly 4 PI solid angle using a prism and belongs to the field of laser processing technology. By controlling three identical lasers to incident vertically on three sides of the prism, the three femtosecond lasers can converge orthogonally on the planar surface to be processed inside the sample to obtain better isotropic three-photon excitation focus.\uff08 With nearly 4 PI solid angle near spherical focus, the defocusing problem of single laser beam in large embedded depth direct writing processing is fundamentally solved. At the same time, combined with the control of piezoelectric platform and sample motion platform, the triangular platform and sample move synchronously in Z axis direction, so that the processing depth can be continuously adjusted within the sample, and then a three-dimensional embedded structure with continuous variation of processing depth and uniform properties can be obtained.

【技术实现步骤摘要】
利用三棱台棱镜进行近4π立体角飞秒激光直写加工的方法及其应用
本专利技术属于激光加工
，具体涉及利用三棱台棱镜进行三光子激发改善飞秒激光大埋入深度直写加工的散焦问题，通过将飞秒激光分成三束并调节三束脉冲在空间和时间上同步，三束子束飞秒激光脉冲正入射到三棱台棱镜侧面改善了飞秒激光内部加工的散焦问题，以实现基于多光子激发原理的加工深度连续可变的的三维埋入式结构的直写加工。技术背景激光加工由于具有三维加工能力和低加工成本在微纳加工领域得到广泛应用，但是由于其工作物质是光，光由空气射入材料内部后，由于折射率发生改变，会在材料内部深处产生严重的散焦问题，这种散焦会造成激光焦点的拉长，从而造成加工的波导结构呈椭圆形或者是近乎长条状，这样的波导对于不同偏振的光会有不同的损耗，即使采用增大数值孔径的方法，如采用NA＝1.45的油浸物镜，也会在材料内部存在严重的散焦问题，散焦会导致不同加工深度的波导形状，导光特性不同，目前学术界解决飞秒激光在体材料内部加工所造成的散焦问题一般使用高重频的激光脉冲、柱形透镜光束整形、狭缝光束整形、激光多次扫描、加工应力场损伤线、空间光调制器等方法。这些方法都不本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.利用三棱台棱镜进行近4π立体角飞秒激光直写加工的方法，其特征在于，具体步骤如下：(1)样品台的调平：激光器经过第一凹透镜L1和第二凸透镜L2扩束后光斑扩大4倍,然后经过半反半透镜M，经M反射到物镜OL，最终通过物镜将飞秒激光光束聚焦在样品台上的载玻片表面；以载玻片的互相垂直的两条边分别为X轴与Y轴；调平样品台方法为：首先，通过调节样品台在X轴方向的旋转角，直至利用物镜OL可观察到飞秒激光处于载玻片表面中心位置，利用曝光时间为1ms的激光在坐标为(0，0)，(10cm，0)的X方向扫出一条长度为10cm的线宽为2μm的损伤线；然后，调节Y轴方向的旋转角，直至利用物镜OL可观察到激光处于载玻片...

【技术特征摘要】
1.利用三棱台棱镜进行近4π立体角飞秒激光直写加工的方法，其特征在于，具体步骤如下：(1)样品台的调平：激光器经过第一凹透镜L1和第二凸透镜L2扩束后光斑扩大4倍,然后经过半反半透镜M，经M反射到物镜OL，最终通过物镜将飞秒激光光束聚焦在样品台上的载玻片表面；以载玻片的互相垂直的两条边分别为X轴与Y轴；调平样品台方法为：首先，通过调节样品台在X轴方向的旋转角，直至利用物镜OL可观察到飞秒激光处于载玻片表面中心位置，利用曝光时间为1ms的激光在坐标为(0，0)，(10cm，0)的X方向扫出一条长度为10cm的线宽为2μm的损伤线；然后，调节Y轴方向的旋转角，直至利用物镜OL可观察到激光处于载玻片表面中心位置，利用曝光时间为1ms的激光在坐标为(0，0)，(0，10cm)的的Y方向扫出一条长度为10cm的线宽为2μm的损伤线；在X，Y方向均直写出均匀损伤线，表明样品台已调平，固定样品台；三棱台棱镜的调平：照明光源R发出的照明光经第三凸透镜L3会聚，会聚光由下向上透过样品台载玻片和三棱台，第四凸透镜L4在照相机CCD下收集透过三棱台的光，压电平台PI连接三棱台，最终将三棱台的像呈现在CCD中；调平三棱台棱镜的的方法为：在调平样品台的基础上，利用照相机CCD观察三棱台和载玻片界面的等厚干涉现象来调平，通过调节压电平台PI高度和水平位置，使CCD视野中不出现等厚干涉纹即可，固定压电平台PI；(2)飞秒激光扩束和分束：激光器出射的飞秒激光依次经过第一凹透镜L1和第二凸透镜L2扩束后光斑扩大4倍，扩束后的飞秒激光先经过第一个分束器BS1，分成两束飞秒激光分别经过第二个分束器BS2和第三个分束器BS3，在经过第二个分束器BS2形成了第一子束飞秒激光FL1、第二子束飞秒激光FL2，在经过第三个分束器BS3形成了第三子束飞秒激光FL3和第四子束飞秒激光FL4，最终一束飞秒激光分成四束偏振相同的飞秒激光子束称为四束全同飞秒激光子束，分别为第一子束飞秒激光FL1、第二子束飞秒激光FL2、第三子束飞秒激光FL3和第四子束飞秒激光FL4；其中，FL1、FL2和FL3用于形成三光子激发焦点，FL4所在光路终端与功率探测装置连接，用于监测整个系统功率的稳定性；(3)三束子束飞秒激光等光程调节：具体步骤为：取步骤(2)得到的三束全同飞秒激光子束FL1，FL2，FL3，FL3依次通过第十四反射镜M14，第十五反射镜M15至第十六反射镜M16，以FL3所经过的光程为参考光程；FL1依次通过第一反射镜M1、第二反射镜M2、第三反射镜M3、第四反射镜M4、第五反射镜M5、第十反射镜M10至第十一反射镜M11；FL2依次通过第六反射镜M6、第七反射镜M7、第八反射镜M8、第九反射镜M9、第十二反射镜M12至第十反射镜M13，调节FL1和FL2所经过的反射镜位置，使FL1和FL2所经过的光程与FL3所经过的参考光程相同，即实现了光路的等光程调节；在第十一反射镜M11后放置第五凸透镜L5用于会聚飞秒激光子束FL1，在第十三反射镜M13后放置第六凸透镜L6用于会聚飞秒激光子束FL2，在第十六反射镜M16后放置第七凸透镜L7用于会聚飞秒激光子束FL3。(4)三束子束飞秒激光功率一致化调节：具体步骤为：分别在反射镜M11，M13，M16后放置三个功率计P1，P2，P3来分别用于监测FL1经过第十一反射镜M11的功率P1，FL2经过第十三反射镜M13的功率P2和FL3经过第十六反射镜M16的功率P3，在第一反射镜M1之后加装第一1/2波片W1和第一偏振分光棱镜PBS1，在第六反射镜M6之前加装第二1/2波片W2和第二偏振分光棱镜PBS2，在第十四反射镜M14之后加装第三1/2波片W3和第三偏振分光棱镜PBS3，1/2波片和偏振分光棱镜是用于调节三束子束飞秒激光FL1、FL2和FL3的功率相等的，分别转动FL1和FL2和FL3所在光路的1/2波片和偏振分光棱镜，观察FL1和FL2和FL3各自的功率计，使三束子束飞秒激光功率相等，即P1＝P2＝P3；在进行空间同步调节和时间同步调节时，保证P1＝P2＝P3；(5)三束子束飞秒激光脉冲空间同步调节：具体步骤为：首先，将荧光纸贴于三棱台棱镜的底部，规定三棱台底部等边三角形的平行于Y轴方向的一边所在的侧面为第一侧面，顺时针的下一个侧面为第二侧面，再沿着第二侧面顺时针的下一个侧面为第三侧面，分别调节光路中的第十一反射镜M11与第一个侧面的夹角，使FL1垂直入射至三棱台棱镜的第一个侧面上，并通过CCD照相机电脑端实时监控，使这束激光聚焦于荧光纸面上的位置G，在电脑中标记G点位置，其中光路中的第五凸透镜L5用于会聚FL1；再调节光路中的第十三反射镜M13与第二个侧面的夹角，使FL2垂直入射至三棱台棱镜的第二个侧面，并通过CCD照相机电脑端实时监控，使焦点会聚在荧光纸面的标记点G，其中光路中的第六凸透镜L6用于会聚FL2；最后调节光路中的第十六反射镜M16与第三个侧面的夹角，使FL3垂直入射至三棱台棱镜的第三个侧面，并通过CCD照相机电脑端实时监控，使焦点会聚在荧光纸面的标记点G，其中光路中的第七凸透镜L7用于会聚FL3；通过上述调节，使这三束子束飞秒激光脉冲达到空间同步，形成所需的三光子激发焦点；(6)三束子束飞秒激光脉冲时间同步脉冲调节：具体步骤为：首先，取下三棱台棱镜下方的荧光纸，将载玻片置于样品台上，在样品台和三棱台玻璃棱镜间注射折射率匹配液，调节三棱台棱镜和样品台高度使得三束子束飞秒激光会聚形成的三光子激光焦点落在样品表面，然后设置激光器功率为1mJ，在进行时间同步脉冲调节时，使任意单一子束飞秒激光的功率不能在材料表面直写出连续长度为100μm的宽度0.3μm的损伤线；然后，以FL3所经过的光程作为参考光程，只遮挡FL2，子束飞秒激光FL1入射至时间同步反射镜组Ⅰ(M2-M3-M4-M5)，其中M2-M3固...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙洪波，王映德，田振男，陈岐岱，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22