一种飞秒激光旋转式双光点光束微孔加工方法技术

本发明专利技术涉及一种飞秒激光旋转式双光点光束微孔加工方法，属于激光应用技术领域。本发明专利技术利用空间光调制器加载0

【技术实现步骤摘要】
一种飞秒激光旋转式双光点光束微孔加工方法


[0001]本专利技术涉及一种飞秒激光旋转式双光点光束微孔加工方法，属于激光应用


技术介绍

[0002]微孔是一种十分常见的结构，高质量的微孔结构在微流体芯片、发动机涡轮叶片、生物传感等各种领域有着极其重要的应用。常规的机械钻孔、电火花制孔等方式，受加工装置体积限制，加工出的微孔结构往往深度较浅，尺寸较大，无法满足需求。飞秒激光由于其超快、超强的特点及本身无接触式加工的形式，导致其用于微孔加工过程中具有独特的优势。然而，飞秒激光超高的峰值强度也会带来一定的加工问题。在飞秒激光加工过程中，其超高的峰值强度导致其聚焦后焦点附近产生多种形式的等离子体，包括电离空气产生的等离子体以及烧蚀材料相变过程中产生的材料
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蒸汽等离子体。对于非透明材料，往往只能采用传统的叩击法并配合移动焦点来实现较深微孔结构的加工，而等离子体的存在会严重阻碍叩击式微孔加工过程中后续激光脉冲的传播与碎屑的喷发，影响了后续激光能量在材料中的沉积，从而导致微孔加工过程中会存在深度饱和的现象，大大限制了飞秒激光加工出的微孔结构的深度。采用真空环境可以避免空气的电离，并有利于材料
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蒸汽等离子体和碎屑等的喷发，一定程度可以缓解上述问题，然而真空环境的引入大大增加了加工系统的复杂性，提高了加工成本，并且导致失去了飞秒激光加工本身无加工环境限制的优势。因此，目前需要一种新的加工方法来解决上述飞秒激光加工过程中的等离子体阻碍激光能量沉积的问题，实现非透明材料上高深径比微孔结构的加工。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是为了解决现有的飞秒激光在非透明材料上加工的微孔结构深度有限，无法满足使用需求的问题，提供一种飞秒激光旋转式双光点光束微孔加工方法；
[0004]本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。
[0005]一种飞秒激光旋转式双光点光束微孔加工方法，利用空间光调制器加载0
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π相位，对入射的呈高斯型强度分布的飞秒激光进行相位整形，由于入射的高斯光场的左右两部分被施加了不同的相位，在两部分重合的中间区域，会由于相位畸变形成光场强度暗区，从而将原本的高斯光束整形成双光点光束；在微孔加工过程中，双光点光束中心的光场暗区会有利于产生的等离子体从该位置处喷发，从而减少对后续激光脉冲的影响，改善能量沉积效率，提高微孔加工深度。
[0006]通过计算机控制实时、逐帧切换空间光调制器上不同角度分布的0
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π相位图，实现双光点光束沿中心轴旋转，能够提高孔的圆度，配合激光重复频率，并通过平移台上下移动样品，加工出圆形深孔结构。
[0007]采用的激光重复频率不能低于相位图的换帧频率，相图的换帧频率决定了双光点光束的旋转速度，进而决定了微孔加工的效率。
[0008]所加载的0
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π相位的表达式为：
[0009][0010]其中，τk是所加载的第k张相位图的相位，θ是极坐标的极角，n为正整数，k为自然数，且0≤k＜n；该表达式的含义为将2π的角度平均分为n等份，此时总共需切换n张不同角度的0
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π相位图来实现双光点光束的旋转，其中k表示了第k张相位图的0相位和π相位不同的分布区域。
[0011]具体包括如下步骤：
[0012]步骤一：飞秒激光器产生呈高斯型强度分布的激光，通过能量调节装置对激光能量进行调节；
[0013]步骤二：高斯激光以小角度入射到反射式液晶空间光调制器上，通过计算机在空间光调制器上加载所需的0
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π相位，将入射的高斯激光整形成双光点光束；
[0014]步骤三：通过计算机控制，在空间光调制器上实时切换不同角度分布的0
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π相位图，配合一定的脉冲重复频率，实现旋转的双光点光束；
[0015]步骤四：将发射出的旋转双光点光束通过4f系统进行搬运，避免传播过程中的衍射对整形光场产生影响；
[0016]步骤五：将搬运后的光场采用物镜进行聚焦，将样品置于焦点处，移动平移台，使焦点逐渐深入样品内部，对样品进行加工，采用合适的激光能量和换帧速度，获得深孔结构。
[0017]有益效果
[0018]1、本专利技术利用空间光调制器对入射高斯激光进行相位整形得到双光点光束，并结合空间光调制器可实时切换相位图的功能，得到旋转的双光点光束，由于光场中心相位畸变导致的光场暗区的存在，利用该整形光束进行微孔加工过程中，会有利于产生的等离子体从该位置处喷发，从而减少对后续激光脉冲的影响，改善能量沉积效率，实现非透明材料上高深径比微孔结构的加工。
[0019]2、本专利技术提出的旋转式双光点光束微孔加工方法可以避免以往飞秒激光微孔加工过程中由于光斑不圆或激光线偏振导致的微孔结构不圆的问题，提高微孔结构的圆度。
附图说明
[0020]图1为所用光束整形装置中需要加载的相位图及对应的焦点处的整形光场强度分布；图1(a)为需要加载的相位图；图1(b)为对应的焦点处的整形光场强度分布；
[0021]图2为本专利技术所提出的飞秒激光旋转式双光点光束微孔加工方法的原理示意图。
具体实施方式
[0022]下面结合附图与实施例对本专利技术作进一步说明。
[0023]实施例1
[0024]飞秒激光器的放大级产生呈高斯型强度分布的光束，经过能量调节装置对激光能
量进行调节，本例采用的能量调节装置为连续可调圆盘形衰减片，采用的激光能量为50mW。高斯光束以小角度入射到反射式液晶空间光调制器的液晶片表面，通过计算机在空间光调制器上加载0
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π相位图，实现双光点光束。利用计算机程序控制实时切换空间光调制器上不同角度分布的0
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π相位图，所加载的相位的对应的表达式为：
[0025][0026]其中，τ
k
是所加载的第k张相位图的相位，θ是极坐标的极角，n为正整数，k为自然数，且0≤k＜n。该表达式的含义为将2π的角度平均分为n等份，此时总共需切换n张不同角度的0
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π相位图来实现双光点光束的旋转，其中k表示了第k张相位图的0相位和π相位不同的分布区域。在本例中，n＝50，k逐一取0到50之间的整数，激光重复频率采用1kHz，从而生成对应的一系列相位图如图1(a)所示。
[0027]经空间光调制器液晶片表面反射出的旋转双光点光束依次经过两个一样的平凸透镜，两个平凸透镜间的距离等于两倍焦距，并且第一个平凸透镜距离空间光调制器的距离为透镜的焦距，此时两个平凸透镜共同构成4f系统将整形光束无衍射的搬运到聚焦物镜处，物镜正好置于第二个平凸透镜的焦点处，本例中使用两个平凸透镜的焦距均为600mm，搬运后的整形光束经聚焦物镜聚焦，在焦点处形成双光点光束，本例中采用的聚焦物镜为20倍物镜，数值孔径为0.45，焦点处整形光束的光场分布如图1(b)所示。将样品置于物镜的焦点处，逐帧切换不同角度分布的0
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种飞秒激光旋转式双光点光束微孔加工方法，其特征在于：利用空间光调制器加载0
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π相位，对入射的呈高斯型强度分布的飞秒激光进行相位整形，由于入射的高斯光场的左右两部分被施加了不同的相位，在两部分重合的中间区域，会由于相位畸变形成光场强度暗区，从而将原本的高斯光束整形成双光点光束；在微孔加工过程中，双光点光束中心的光场暗区会有利于产生的等离子体从该位置处喷发，从而减少对后续激光脉冲的影响，改善能量沉积效率，提高微孔加工深度。2.如权利要求1所述的飞秒激光旋转式双光点光束微孔加工方法，其特征在于：通过计算机控制实时、逐帧切换空间光调制器上不同角度分布的0
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π相位图，实现双光点光束沿中心轴旋转，能够提高孔的圆度，配合激光重复频率，并通过平移台上下移动样品，加工出圆形深孔结构。3.如权利要求2所述的飞秒激光旋转式双光点光束微孔加工方法，其特征在于：采用的激光重复频率不能低于相位图的换帧频率，相图的换帧频率决定了双光点光束的旋转速度，进而决定了微孔加工的效率。4.如权利要求1或2所述的飞秒激光旋转式双光点光束微孔加工方法，其特征在于：所加载的0
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π相位的表达式为：其中，τ...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜澜，李晓炜，高帅，周世鹏，黄骥，杨炳东，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：