旋轉(zhuǎn)臺(tái)式飛秒激光直寫方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明的實(shí)施例屬于微納加工領(lǐng)域，具體地，涉及一種旋轉(zhuǎn)臺(tái)式飛秒激光直寫方法及裝置。
技術(shù)背景
[0002]飛秒激光微納直寫加工，是一種利用超短激光脈沖緊聚焦的“焦點(diǎn)”與物質(zhì)發(fā)生非線性相互作用，最小可在亞波長(zhǎng)的尺度上誘導(dǎo)光物理、光化學(xué)變化，而使局部材料特性發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)變，通過(guò)計(jì)算機(jī)圖案生成和焦點(diǎn)掃描，實(shí)現(xiàn)微納器件結(jié)構(gòu)的制造技術(shù)。它具有的顯著特點(diǎn)是:適用材料廣譜，適合藍(lán)寶石等易碎硬質(zhì)難加工材料的加工；非掩模技術(shù)，適合非平面三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)的加工；精度較高，適用于對(duì)加工精度要求在微米乃至納米級(jí)別的器件制備。
[0003]目前對(duì)微納結(jié)構(gòu)的激光加工一般采用如下幾種方案:二維激光振鏡掃描、壓電位移臺(tái)掃描及直線電機(jī)線性掃描。二維激光振鏡掃描可以實(shí)現(xiàn)較高的加工速度，但掃描范圍受物鏡傍軸條件的限制，可加工的范圍較小，盡管可以通過(guò)提高物鏡的焦距乃至使用f_ Θ透鏡來(lái)改善加工范圍，但長(zhǎng)焦物鏡或f-θ透鏡的低數(shù)值孔徑將對(duì)加工精度造成不利影響；壓電位移臺(tái)可以獲得納米級(jí)的高加工精度，但加工范圍和加工速度都十分受限；直線電機(jī)線性掃描可以實(shí)現(xiàn)大范圍的加工，配合氣浮導(dǎo)軌及閉環(huán)反饋器件的使用，至少能夠達(dá)到亞微米級(jí)的高定位精度，但線性掃描不可避免頻繁地加減速，需要克服平臺(tái)本身較大的慣性，加工速度很難達(dá)到很高，并且在加減速過(guò)程中如不對(duì)激光曝光功率進(jìn)行復(fù)雜地調(diào)控，不可避免造成直寫質(zhì)量的劣化。當(dāng)前飛秒激光直寫技術(shù)加工效率、加工精度與加工范圍三者間的不可調(diào)和，限制了這項(xiàng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供一種旋轉(zhuǎn)臺(tái)式飛秒激光直寫方法及裝置，主要解決現(xiàn)有中飛秒激光直寫方案存在的加工效率、加工精度與加工范圍間不可調(diào)和的問(wèn)題。
[0005]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的一個(gè)方面，提出了一種旋轉(zhuǎn)臺(tái)式飛秒激光直寫裝置，包括:飛秒激光源；激光路徑，設(shè)置有激光調(diào)制器、二維激光掃描振鏡和顯微物鏡，來(lái)自飛秒激光源的激光束被激光調(diào)制器調(diào)制后經(jīng)過(guò)二維激光掃描振鏡后經(jīng)由顯微物鏡入射到加工件上；X-Y軸二維平移臺(tái)以及布置在X-Y軸二維平移臺(tái)上的旋轉(zhuǎn)臺(tái)，旋轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)軸與直寫光軸對(duì)準(zhǔn)，旋轉(zhuǎn)臺(tái)的臺(tái)面垂直于直寫光軸，加工件固定于所述旋轉(zhuǎn)臺(tái)的臺(tái)面上；和控制器，所述控制器構(gòu)造成經(jīng)由激光路徑控制入射到加工件上的激光束，以及控制X-Y軸二維平移臺(tái)以及旋轉(zhuǎn)臺(tái)的操作，其中，所述激光路徑包括位于二維激光掃描振鏡下游的4f光學(xué)系統(tǒng)，4f光學(xué)系統(tǒng)由焦距相同的第一透鏡和第二透鏡構(gòu)成，第一透鏡距離掃描振鏡出射軸鏡片的光程為第一透鏡的一倍焦距，第一透鏡與第二透鏡間的光程為第一透鏡的二倍焦距，第二透鏡距離顯微物鏡入瞳的光程為第一透鏡的一倍焦距。
[0006]進(jìn)一步地，所述激光路徑還包括位于第二透鏡與顯微物鏡之間的反射鏡，自第二透鏡射出的激光束經(jīng)由反射鏡反射而入射到顯微物鏡；所述旋轉(zhuǎn)臺(tái)式飛秒激光直寫裝置還包括照明光源、可見光分光片、圖像傳感器，其中來(lái)自照明光源的可見光經(jīng)由可見光分光片反射后透射通過(guò)反射鏡而通過(guò)顯微物鏡入射到加工件上，由加工件反射的可見光通過(guò)顯微物鏡、反射鏡、可見光分光片而進(jìn)入圖像傳感器。
[0007]更進(jìn)一步地，所述控制器還包括顯示器，所述控制器與圖像傳感器通信，以在顯示器上顯示圖像傳感器獲取的圖像。
[0008]可選地，X-Y軸二維平移臺(tái)采用氣浮導(dǎo)軌用于位移引導(dǎo)，利用光柵尺作為位移反饋裝置；旋轉(zhuǎn)臺(tái)采用空氣軸承用于旋轉(zhuǎn)引導(dǎo)，利用光電編碼器作為角度反饋裝置。
[0009]可選地，上述旋轉(zhuǎn)臺(tái)式飛秒激光直寫裝置中，所述激光路徑包括位于二維激光掃描振鏡上游的由第一平凸透鏡與第二平凸透鏡構(gòu)成的激光光束準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)，第一平凸透鏡與第二平凸透鏡的透鏡凸面面對(duì)激光光束平行傳輸方向，擴(kuò)束后的激光光束的直徑為顯微物鏡入瞳直徑的1-1.2倍。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的另一方面，提出了一種旋轉(zhuǎn)臺(tái)式飛秒激光直寫方法，包括步驟:提供上述的旋轉(zhuǎn)臺(tái)式飛秒激光直寫裝置；將加工件固定在旋轉(zhuǎn)臺(tái)的臺(tái)面上；利用旋轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)對(duì)加工件進(jìn)行激光回轉(zhuǎn)直寫掃描；和利用二維激光掃描振鏡偏轉(zhuǎn)聚焦光斑位置對(duì)加工件進(jìn)行單點(diǎn)直寫。
[0011]可選地，上述方法中，在掃描半徑不小于第一掃描半徑時(shí)，采用恒定激光功率以設(shè)定的恒線速度進(jìn)行回轉(zhuǎn)直寫掃描，其中在不小于第一掃描半徑的情況下，旋轉(zhuǎn)臺(tái)的最高轉(zhuǎn)速能夠保證以設(shè)定的線速度進(jìn)行掃描；在掃描半徑小于第一掃描半徑且不小于第二掃描半徑時(shí)，采用恒角速度回轉(zhuǎn)直寫掃描，控制器依據(jù)角速度對(duì)應(yīng)的線掃描速度調(diào)控激光功率，其中第二掃描半徑限定了二維激光掃描振鏡的最大掃描范圍；在掃描半徑小于第二掃描半徑時(shí)，利用二維激光掃描振鏡偏轉(zhuǎn)聚焦光斑位置對(duì)加工件進(jìn)行單點(diǎn)直寫。
[0012]可選地，上述方法中，利用旋轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)對(duì)加工件進(jìn)行激光回轉(zhuǎn)直寫掃描時(shí)，X-Y軸二維平移臺(tái)平移，其中X軸方向平行于光軸方向，Y軸方向水平且垂直于X軸方向。
[0013]或者可選地，利用旋轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)對(duì)加工件進(jìn)行激光回轉(zhuǎn)直寫掃描時(shí)，對(duì)于中心對(duì)稱的環(huán)線結(jié)構(gòu)，采用同心圓的掃描方式；對(duì)于中心對(duì)稱的環(huán)帶結(jié)構(gòu)，采用螺線的掃描方式對(duì)環(huán)帶內(nèi)部進(jìn)行線條填充。
[0014]或者可選地，利用旋轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)對(duì)加工件進(jìn)行激光回轉(zhuǎn)直寫掃描時(shí)，采用同心斷續(xù)弧線掃描方式。
【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例的旋轉(zhuǎn)臺(tái)式飛秒激光直寫裝置的示意圖。
[0016]圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例的旋轉(zhuǎn)臺(tái)式飛秒激光直寫裝置進(jìn)行加工件回轉(zhuǎn)掃描采取的同心圓環(huán)式掃描方案示意圖。
[0017]圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例的旋轉(zhuǎn)臺(tái)式飛秒激光直寫裝置進(jìn)行加工件回轉(zhuǎn)掃描采取的螺線式掃描的掃描方案示意圖。
[0018]圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例的旋轉(zhuǎn)臺(tái)式飛秒激光直寫裝置進(jìn)行加工件回轉(zhuǎn)掃描采取的弧線式掃描方案示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面通過(guò)實(shí)施例，并結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體的說(shuō)明。在說(shuō)明書中，相同或相似的附圖標(biāo)號(hào)指示相同或相似的底部件。下述參照附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式的說(shuō)明旨在對(duì)本發(fā)明的總體發(fā)明構(gòu)思進(jìn)行解釋，而不應(yīng)當(dāng)理解為對(duì)本發(fā)明的一種限制。
[0020]如圖1，根據(jù)本發(fā)明一個(gè)示例性實(shí)施例的旋轉(zhuǎn)臺(tái)式飛秒激光直寫裝置包括飛秒激光器，其發(fā)出的飛秒激光由紅外介質(zhì)反射鏡2反射，經(jīng)過(guò)線性漸變中性密度濾光片3進(jìn)行功率衰減后，由聲光調(diào)制裝置4進(jìn)行激光曝光的開關(guān)與強(qiáng)度控制，再由紅外介質(zhì)反射鏡5反射，經(jīng)過(guò)平凸透鏡6、平凸透鏡7組成的激光準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)后進(jìn)入二維激光掃描振鏡8，然后激光依次經(jīng)過(guò)透鏡9與透鏡10，并由紅外介質(zhì)膜反射鏡11反射至顯微物鏡12，被聚焦在加工件13上。加工件13固定于A軸旋轉(zhuǎn)臺(tái)14，A軸旋轉(zhuǎn)臺(tái)14安裝于Y軸平移臺(tái)15上，而Y軸平移臺(tái)15安裝于X軸平移臺(tái)16之上。照明光源17經(jīng)可見光分光片18及顯微物鏡12照明加工件13，加工件反射光所成的圖像經(jīng)圖像傳感器(例如為CCD或者CMOS) 19采集后通過(guò)計(jì)算機(jī)20進(jìn)行觀察。計(jì)算機(jī)還與聲光調(diào)制裝置4、掃描振鏡8、A軸旋轉(zhuǎn)臺(tái)14、Y軸平移臺(tái)15及X軸平移臺(tái)16相連接，對(duì)它們進(jìn)行相應(yīng)控制。
[0021]在示例性實(shí)施例中，激光器可以使用Spectra-Physics公司的Tsunami飛秒振蕩器，激光中心波長(zhǎng)780nm，重復(fù)頻率80MHz，輸出平均光功率約1W。
[0022]在示例性實(shí)施例中，由OD值為2的線性漸變中性密度濾光片3對(duì)飛秒激光器I發(fā)出的激光進(jìn)行功率衰減。所述的線性漸變中性密度濾光片對(duì)激光功率進(jìn)行衰減，通過(guò)觀察不同功率下以設(shè)定線速度掃描的線條軌跡，優(yōu)化功率使掃描的線條軌跡清晰且線寬較細(xì)。此處激光功率的衰減不限于使用線性漸變中性密度濾光片，也可以通過(guò)其它可調(diào)光衰減器件實(shí)現(xiàn)。
[0023]在示例性實(shí)施例中，聲光調(diào)制裝置4由聲光調(diào)制器、聲光調(diào)制驅(qū)動(dòng)器及光闌組成。聲光調(diào)制驅(qū)動(dòng)器將輸入的調(diào)制電壓信號(hào)放大用于提供驅(qū)動(dòng)聲光調(diào)制器的射頻信號(hào)。聲光調(diào)制器固定于二維傾斜光學(xué)調(diào)整架上，傾斜方向沿與激光傳輸方向相正交的兩軸。調(diào)節(jié)聲光調(diào)制器的傾角至調(diào)制器輸出的一級(jí)衍射光最強(qiáng)。調(diào)節(jié)調(diào)制器后方光闌的位置與孔徑，僅使經(jīng)過(guò)聲光調(diào)制器衍射的一級(jí)衍射光通過(guò)，作為對(duì)加工件進(jìn)行加工的激光，而零級(jí)光及其它級(jí)次的衍射光被遮擋。計(jì)算機(jī)通過(guò)向聲光調(diào)制驅(qū)動(dòng)器輸入模擬電壓信號(hào)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)聲光調(diào)制器控制激光的開關(guān)與強(qiáng)度。但是，對(duì)激光曝光的開關(guān)與強(qiáng)度的控制應(yīng)不僅限于聲光調(diào)制方式，也可通