[发明专利]纳飞秒双激光复合加工系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳飞秒双激光复合加工系统，属于超快激光与微纳加工技术领域。

背景技术

微小型化是制造、生物、环境、信息、医疗器件等领域的普遍发展趋势。激光是理想的微/纳制造工具之一，具有三维可控制、精度高、灵活、无接触、无污染、材料适应性强等特点。激光微/纳制造是一个前沿的交叉学科领域，涉及机械、光学、物理、化学、材料、信息等，可用于制造微/纳尺度的机电系统、光电器件、能源器件、传感器、执行器、流体系统、光纤通讯系统、生物医疗/诊断仪器、芯片实验室等。在美欧日等国家和地区已受到广泛关注，并在应用及基础理论方面取得了长足的发展。

纳秒、飞秒等超快激光相对于毫秒、微秒等长脉冲激光以及连续激光脉冲宽度更窄，其热效应更小、可控性更好、适应性更强，尤其适合微纳尺度加工。在单光束直写加工过程中，纳秒激光加工具有速度快，加工效率高等优点，但受限于衍射极限，加工精度为微米级，更适于微米制造。飞秒激光加工非金属材料具有多光子吸收和强阈值效应，可得到小于衍射极限的加工精度，但加工效率很低。因此采用不同激光在微纳加工的不同尺度下很难同时兼顾加工精度和效率，这制约了激光微/纳制造的应用发展。

发明内容

本发明的目的是克服现有微纳加工技术不能同时兼顾加工精度和效率的不足，提供一种纳飞秒双激光复合加工系统，可同时提高微纳加工精度和效率。

本发明的纳飞秒双激光复合加工系统包括飞秒激光器、纳秒激光器、同步控制电路、照明光源、半透半反镜、第一二向色镜、第二二向色镜、聚焦透镜和CCD图像探测器。

本发明各部分之间的连接关系为：飞秒激光器和纳秒激光器分别通过信号控制线与同步控制电路相连；照明光源位于半透半反镜的一侧，另一侧为第二二向色镜、第一二向色镜和聚焦透镜依次同轴放置，并与照明光源位于一条直线上；CCD图像探测器位于半透半反镜的反射光路末端，该反射光路轴线与第一二向色镜、第二二向色镜、聚焦透镜的轴线垂直。

同步控制电路的作用为控制飞秒激光器和纳秒激光器的激光脉冲输出，在时间上精确调节纳秒与飞秒脉冲的相对时间使二者脉冲的前沿同步。

飞秒激光器采用通用的飞秒激光器，其作用为提供超快加工热源，提高加工精度，并通过产生种子自由电子瞬时局部改变加工材料的特性。

纳秒激光器采用通用的纳秒激光器，其作用为提供加工所需的大部分能量。

照明光源采用普通的白光光源，其作用是照亮非金属样品表面，为CCD图像探测器获得非金属样品表面的显微图像提供照明光。

半透半反镜可使照射的照明光分成能量相同的两部分，一部分被半透半反镜反射至CCD图像探测器接收，另一部分透过半透半反镜照亮非金属样品表面，而从非金属样品表面反射的照明光又返回被半透半反镜反射至CCD图像探测器接收。

第一二向色镜和第二二向色镜的作用是使某一波长范围内的激光不能透射，而其他波长的激光能够透射。其中第一二向色镜不能透射、只能反射飞秒激光器出射的该波长的飞秒激光，同时其他波长的光能够透射，其能量阈值要求大于飞秒激光的能量；第二二向色镜不能透射、只能反射纳秒激光器出射的该波长的纳秒激光，同时其他波长的光能够透射，其能量阈值要求大于纳秒激光的能量。

聚焦透镜可采用单个的透镜，也可采用商用的聚焦物镜，其作用是使飞秒激光束、纳秒激光束和照明光光束聚焦到非金属样品表面，其能量阈值要求大于飞秒激光和纳秒激光的能量。

CCD图像探测器可采用商用的高分辨率CCD产品，其作用是接收从非金属样品表面反射的照明光并进行成像，从而获得非金属样品表面被加工处的显微结构图。

本发明的纳飞秒双激光复合加工系统的工作过程为：

首先，进行加工前的共轴校准。照明光源出射的照明光依次通过半透半反镜、第二二向色镜、第一二向色镜和聚焦透镜照射到待加工非金属样品表面，反射光按原路返回直至半透半反镜，被其反射后被CCD图像探测器接收，根据接收图像判断样品表面是否处于聚焦焦点处。