一种基于矢量图结构和光场调制的激光刻印系统与方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于矢量图结构和光场调制的激光刻印系统和方法，涉及光学及激光加工领域。该系统主要包括：激光器、光束整型与偏振调制模块、光束调制模块、物镜。本发明专利技术通过解析矢量图信息获取待加工结构的基本构成形状、尺寸和位置信息，进而设计相应的空间光调制器全息相位图，并在激光加工系统中通过空间光调制器加载全息相位图进行相位调制，在物镜的聚焦平面直接生成这些基本形状所对应的矢量光斑(包括而不限于点、线段、圆、椭圆、曲线)，全自动的在材料上直接刻印这些基本结构，实现对复杂结构的平面加工，最后结合逐层加工技术，实现对复杂结构的三维加工，显著降低加工不确定性，极大提升加工效率、精度、一致性和光滑性。一致性和光滑性。一致性和光滑性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于矢量图结构和光场调制的激光刻印系统与方法


[0001]本专利技术涉及光学及激光加工领域，特别涉及一种基于矢量图结构和光场调制的高速激光直接刻印系统与方法。

技术介绍

[0002]现有的激光微加工技术在加工结构时，首先读入要加工结构的图形，然后将图形转换为坐标的点云信息，最后通过激光逐点照射待加工的坐标点云，从而加工想要的平面结构。对于三维结构，则通过逐层加工平面结构，最终实现三维结构的加工。
[0003]通常激光加工中使用的光斑为细小的点状光斑(如高斯光束、贝塞尔高斯光束等等)，在逐点加工过程中，由于激光焦点的定位精度、定位抖动、加工时间控制精度等的影响，不可避免对加工结构的均匀性、一致性和结构表面光滑性产生影响。

技术实现思路

[0004]基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种基于矢量图结构和光场调制的激光刻印系统与方法。
[0005]一种基于矢量图结构和光场调制的激光刻印系统，包括：激光器、光束整型与偏振调制模块、光束调制模块、物镜；
[0006]所述激光器出射相应的激光光束并入射至所述光束整型与偏振调制模块，经所述光束整型与偏振调制模块整型和偏振态调节后的激光光束入射至所述光束调制模块，所述光束调制模块对激光光束按加工流程实时加载待加工结构基本形状的全息相位图以生成与矢量加工路径相对应的矢量光斑，调制后的矢量光斑入射至所述物镜的后孔径平面，所述物镜对入射至后孔径平面的光束进行聚焦，汇聚至待加工结构上实现待加工结构的激光刻印。
[0007]进一步地，所述光束调制模块为反射式相位型空间光调制器。
[0008]进一步地，所述整型和偏振态调节包括：空间光滤波、扩束和偏振态调节。
[0009]进一步地，
[0010]经所述光束整型与偏振调制模块扩束后的激光光束通过第一反射镜入射至所述光束调制模块；
[0011]调制后的激光光束依次经过小孔光阑、二向色镜入射至所述物镜的后孔径平面；其中，所述小孔光阑用于隔档光束调制模块产生的零级光斑；所述二向色镜用以反射调制后的矢量光斑和透射光刻胶发射的荧光；所述荧光通过第二反射镜入射至相机，所述的相机用于实时观察光刻结构；
[0012]该系统还包括平移台，其用于移动待加工结构在空间中的位置；
[0013]该系统还包括控制系统，其用于控制所述光束调制模块对激光光束按加工流程实时加载全息相位图以生成与矢量加工路径相对应的矢量光斑。
[0014]一种基于矢量图结构和光场调制的激光刻印方法，包括：
[0015]激光器发出激光光束；
[0016]对激光光束进行整型和偏振态调节；
[0017]对整型和偏振态调节后的激光光束通过光束调制模块进行调制，按加工流程实时加载待加工结构基本形状的全息相位图以生成与矢量加工路径相对应的矢量光斑；
[0018]将矢量光斑汇聚至待加工结构上，实现待加工结构的激光刻印。
[0019]进一步地，所述全息相位图的生成，具体包括：
[0020]对待加工结构的矢量图进行解析尺寸和解析结构；所述解析尺寸为将复杂矢量图形解析为n个分区，所述解析结构为将复杂矢量图解析为基本形状；
[0021]对结构分区通过匹配矢量图来找到对应的基本形状，并通过基本形状、位置和走向来生成相应的基本形状全息相位图。
[0022]进一步地，所述全息相位图的生成，还包括：
[0023]对于穿越两个分区的曲线，通过该曲线函数计算得到边界点的位置，以边界点的位置作为该曲线在一个分区中的新终点，结合其起始点，重新生成该曲线在一个分区中部分的曲线函数，同时，以边界点的位置作为该曲线在另一个分区中的新起点，结合其终点或另一个边界点，重新生成该曲线在另一个分区中部分的曲线函数。
[0024]进一步地，
[0025]所述基本形状包括：圆形、椭圆型、直线型、弧线型、点型；
[0026]所述基本形状全息相位图包括：圆型相位图、椭圆型相位图、直线型相位图、弧线型相位图、点型相位图；
[0027]其中，能够通过一个全息相位图同时产生多个基本形状。
[0028]进一步地，所述基本形状全息相位图的生成，包括：
[0029]所述点型光斑相位图，通过贝塞尔高斯光束相位得到；
[0030]所述直线型相位图，通过艾里光斑通过增加旋转变换得到；
[0031]所述弧线型相位图，通过完美涡旋光斑结合离散相位得到；
[0032]所述封闭曲线相位图，通过弧线形光斑拼接得到。
[0033]进一步地，所述将矢量光斑汇聚至待加工结构上，实现待加工结构的激光刻印，包括：
[0034]对待加工结构进行加工时，打开激光器，在光束调制模块上按一定时间顺序加载全息相位图并实时调节激光能量，完成一个结构分区内图形的加工，关闭激光器；
[0035]将待加工结构水平移动至下一个结构分区，完成下一个结构分区内图形的加工；重复所有结构分区实现单层平面的加工；
[0036]将待加工结构垂直移动，并完成此平面上每个结构分区内图形的加工；重复所有层的结构分区实现三维结构加工。
[0037]本专利技术实施例提供的上述基于矢量图结构和光场调制的高速激光直接刻印系统与方法，与现有技术相比，其有益效果如下：
[0038]本专利技术通过光场调控技术结合矢量路径的方法，将一个复杂的图形(杂光斑结构，例如可以自由定义形状和尺寸、并实现的圆、线段、弧线等)分解成基本形状，然后按基本形状去加工合成这个复杂图形，这种技术改变以前的点加工过程为结构的直接打印或刻印，将极大提高加工效率、精度、一致性和光滑性。即本专利技术可以直接加工由基本形状所构成的
复杂结构，显著降低逐点加工所产生的加工不确定性，极大提升加工效率、精度、一致性和光滑性，这在宏观加工和微观加工技术中均具有革命性的意义。
附图说明
[0039]图1为一个实施例中提供的一种基于矢量图结构和光场调制的高速激光直接刻印系统结构示意图；
[0040]图2为一个实施例中提供的复杂矢量图像解析实现矢量路径加工流程图；
[0041]图3为一个实施例中提供的物镜聚焦区域点型光斑(a)、直线型光斑(b)、弧线型光斑(c)、圆型光斑(d)、椭圆型光斑(e)仿真模拟相位图和光强分布图；
[0042]图4为一个实施例中提供的利用基本矢量光斑合成的复杂图形模拟结果图；其中，图(a)为进行逐点进行加工的图案仿真模拟光强分布图；图(b)为基于矢量图结构和光场调制加工同图(a)相同结构的仿真模拟光强分布图；图(c)为基于矢量图结构和光场调制加工指纹结构的仿真光强图；图(d)为基于矢量图结构和光场调制加工复杂图案的仿真光强图。
具体实施方式
[0043]为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
[0044]实施例1
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于矢量图结构和光场调制的激光刻印系统，其特征在于，包括：激光器、光束整型与偏振调制模块、光束调制模块、物镜；所述激光器出射相应的激光光束并入射至所述光束整型与偏振调制模块，经所述光束整型与偏振调制模块整型和偏振态调节后的激光光束入射至所述光束调制模块，所述光束调制模块对激光光束按加工流程实时加载待加工结构基本形状的全息相位图以生成与矢量加工路径相对应的矢量光斑，调制后的矢量光斑入射至所述物镜的后孔径平面，所述物镜对入射至后孔径平面的光束进行聚焦，汇聚至待加工结构上实现待加工结构的激光刻印。2.如权利要求1所述的基于矢量图结构和光场调制的激光刻印系统，其特征在于，所述光束调制模块为反射式相位型空间光调制器。3.如权利要求1所述的基于矢量图结构和光场调制的激光刻印系统，其特征在于，所述整型和偏振态调节，包括：空间光滤波、扩束和偏振态调节。4.如权利要求1所述的基于矢量图结构和光场调制的激光刻印系统，其特征在于，经所述光束整型与偏振调制模块扩束后的激光光束通过第一反射镜入射至所述光束调制模块；调制后的激光光束依次经过小孔光阑、二向色镜入射至所述物镜的后孔径平面；其中，所述小孔光阑用于隔档光束调制模块产生的零级光斑；所述二向色镜用以反射调制后的矢量光斑和透射光刻胶发射的荧光；所述荧光通过第二反射镜入射至相机，所述的相机用于实时观察光刻结构；该系统还包括平移台，其用于移动待加工结构在空间中的位置；该系统还包括控制系统，其用于控制所述光束调制模块对激光光束按加工流程实时加载全息相位图以生成与矢量加工路径相对应的矢量光斑。5.一种基于权利要求1～4所述的基于矢量图结构和光场调制的激光刻印系统的激光刻印方法，其特征在于，包括：激光器发出激光光束；对激光光束进行整型和偏振态调节；对整型和偏振态调节后的激光光束通过光束调制模块进行调制，按加工流程实时加载待加工结构基本形状的全息相位图以生成与矢量加工路径相对应的矢量光斑；将矢量光斑汇聚至待加工结构上，实现待加工结构的激光刻印。6.如权利要求5所述的基于矢量图结构和光场调制的激光刻印方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵伟，朱月强，
申请(专利权)人：西北大学，
类型：发明
国别省市：