[发明专利]飞秒激光加工装置

说明书

技术领域

本发明涉及飞秒激光加工，特别是一种飞秒激光加工装置，利用飞秒激光时间聚焦使激光焦点处的三维光强分布接近球形的方法。本发明无需考虑飞秒激光直写方向，可以在透明材料内部加工出沿任意方向摆放且横截面为圆形的三维微流体通道和光波导。

背景技术

飞秒激光以其加工精度高、热效应小、损伤阈值低和可以对透明材料实现三维微加工等优点在当代微制造领域中独树一帜，它为我们提供了一种全新的制备大规模、复杂三维微结构的方法。目前已在微光学、微流体、微电子和微机械等领域中体现出重要应用前景。

利用飞秒激光直写方法可以在透明材料内部制备出三维光波导(参见K.M.Davis，K.Miura et al.，Optics Letters，Vol.21，P1729-1731，1996)；利用飞秒激光直写结合后期的热处理和HF酸腐蚀等辅助过程还可以在玻璃材料内部加工出三维微流体通道(参见文献：M.Ma suda，K.Sugioka，et al.，Applied Physics A，Vol.76，P 857，2003)。通常飞秒激光微加工所采用的直写方法是指横向直写，即直写方向垂直于激光光束的传播方向。这种工作方式可以不受聚焦物镜工作距离的限制，直写长度为任意距离。但是，由于显微物镜聚焦时的纵向分辨率远小于其横向分辨率，通常的横向直写方式制备出的微结构的横截面呈现出极度不均匀的椭圆形状，不利于许多微光学或微流体应用。例如横截面不对称的光波导会引起较大的传输损耗等。尽管人们提出了对飞秒光束整形的方法来改善横截面的方向比例，例如在光路中添加狭缝(参见文献：Y.Cheng，K.Sugioka，et al.，Optics Letters，Vol.28，P 55，2003)或象散透镜(R.Osellame，S.Taccheo，et al.，Journalof the Optical Society of America B，Vol.20，P 1559，2003)等。但这些方法仅能使飞秒激光沿特定的一个方向直写时横截面为圆形，即只能制备出横截面对称的一维微结构。当需要制备二维或三维微结构(如环形光波导，二维光栅，弯曲微通道等)时，上述这些方法很难满足需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服上述现有的飞秒激光直写技术横向和纵向加工分辨率不均匀的缺点，提供一种飞秒激光加工装置，该装置应能实现各向同性的加工精度，可应用于光波导和微流体通道制备中。

本发明的技术解决方案如下：

一种飞秒激光加工装置，包括一台飞秒激光器，其特点在于构成还包括：沿所述的飞秒激光器输出的飞秒激光光路依次是小孔光阑、平行光栅对、双色镜、显微物镜和加工对象，该加工对象固定于三维精密电控位移平台上并使所述的显微物镜的焦点位于该加工对象的内部，所述的双色镜与所述的飞秒激光光路的夹角为45°，在该双色镜的垂直方向设置照明光源，该照明光源所发出的白光经所述的双色镜反射后再通过显微物镜聚焦于加工对象的加工区域，为整个加工过程提供照明，在所述的双色镜另一反射方向依次设置透镜和CCD，所述的三维精密电控位移平台和CCD与计算机相连，所述的飞秒激光辐照区由显微物镜、双色镜和透镜成像并由CCD接收图像输入所述的计算机监控，所述的三维精密电控位移平台的运动由所述的计算机依程序控制。

所述的平行光栅对的两个光栅分别固定在两个旋转及位移平台上，以调节光栅对的垂直距离和光束入射角。

本发明的特点是，利用平行光栅对将飞秒激光的较宽光谱的不同的频率成分的光在空间上分离开来，这些分离开来不同频率的光只能在显微物镜的焦点处重叠，而在焦点前后保持分离，因此脉冲只有在焦点处才能达到最短脉宽，而在焦点前后都将被展宽，以此形成所谓的时间聚焦。

所述的双色镜5对800nm波长的光高透，对白光高反的镜片、

照明光源所发出的白光经双色镜反射后再通过物镜聚焦于加工对象的加工区域，从而为整个加工过程提供照明，因此飞秒激光辐照区可由显微物镜、双色镜和透镜成像并由CCD接收实时加工的图像，输入计算机显示出来，通过在显示屏幕上观察激光烧蚀的颜色变化以确定所需激光功率大小，观察横截面型变化确定小孔光阑的小孔尺寸或光栅对的距离与角度；所述的三维精密电控位移平台的运动由计算机控制。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、时间聚焦方式改变了光强分布，使瑞利长度缩短，可以显著提高纵向加工分辨率；