[发明专利]激光微纳加工分光瞳差动共焦在线监测一体化方法与装置

说明书

本发明属于激光精密检测技术、激光微纳加工监测技术领域，涉及激光微纳加工分光瞳差动共焦在线监测一体化方法与装置，可用于复杂微细结构的激光微纳加工与在线检测。本发明将长工作距、高轴向分辨的分光瞳激光差动共焦轴向监测模块与飞秒激光加工系统有机融合，利用分光瞳差动共焦系统曲线零点对样品轴向位置进行纳米级监测实现了样品轴向位置的实时定焦和加工后微纳结构尺寸的高精度测量，解决了测量过程中的漂移问题和高精度在线检测问题，提高了微纳飞秒激光加工精度的可控性和样品的加工质量等。加工前，还可以利用显微成像模块对样品进行粗找正和横向位置识别。

技术领域

本发明属于激光精密检测技术、激光微纳加工监测技术领域，涉及激光微纳加工分光瞳差动共焦在线监测一体化方法与装置，可用于复杂微细结构的激光微纳加工与在线检测。

技术背景

复杂微细结构构件广泛应用在航空航天、兵器工业、精密传感器、精密光学测量等，激光微纳加工是制造复杂微细结构最具发展前途的技术手段，目前如何实现加工聚焦光斑的纳米级轴向定焦、样品位置的高分辨在线检测是满足微纳制造领域纳米级特征尺寸、高深宽比加工/检测的关键技术之一。

在复杂微纳结构加工方面，尽管近场聚焦加工分辨能力高，但远场聚焦加工由于具有工作距长、深宽比大和效率高等显著优势反而成为激光微纳加工研究和发展的主流。远场聚焦加工极易达到10:1的深宽比，但只有采用基于双光子聚合及受激发射损耗(Stimulated emission depletion，STED)效应的澳大利亚研究组(顾敏教授团队)和采用自组干涉效应的加拿大研究组实现了小于10nm的特征尺度制造，通过飞秒激光的时空整形调控瞬时局部电子动态，是目前实现极小特征尺寸加工的有效途径与发展趋势。

在激光制造过程监测与质量控制方面，聚焦光斑位置的准确判断、自动定焦与样品漂移等原位监测和检测对于三维微纳加工至关重要，并在一定程度上决定了轴向加工特征尺寸，如基于三角光位移传感器轴向监测方法、横向焦点监测的共焦显微成像方法、光学相干层析监测方法等，其分辨能力均为μm量级，德国和加拿大利用干涉成像法(OCT)开展了在线监测技术研究，但其x-y-z方向的监测分辨能力仅达2微米，目前仍需要研究新方法来实现纳米级的监测与定位。

现有的超分辨三维光学测量方法可分为近场测量方法和荧光标记远场测量方法和非荧光标记光学远场测量。其中，非荧光标记光学远场测量中，差分共焦技术、差动共焦技术和径向偏振光差动技术均使轴向测量分辨力提升到2nm，特别是径向偏振光差动测量技术同时使横向分辨力提升到150nm并易于量程扩展，是三维微纳结构远场测量的有效技术手段。

为解决激光微纳加工中样品易产生轴向漂移和倾斜等问题，实现微纳加工样品轴向离焦位置的纳米级实时在线监测，本发明提出激光微纳加工分光瞳差动共焦在线监测一体化方法与装置，实现了样品加工过程中的轴向漂移、倾斜的在线监控和样品结构轴向尺寸的纳米级监测，确保了加工过程中样品的精确实时定焦，提高了激光加工精度的可控性和样品的加工质量。

发明内容

本发明的目的是为了提高微纳结构加工尺寸精度的可控性和样品加工质量，提出了一种纳米级激光微纳加工分光瞳差动共焦在线监测一体化方法与装置，以实现高分辨力的微纳结构激光加工与检测。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的激光微纳加工分光瞳差动共焦在线监测一体化方法，利用飞秒激光加工系统对样品进行微纳结构加工，利用分光瞳差动共焦轴向监测模块对样品的轴向位置进行实时监控，实现微纳结构高精度加工与监测的一体化，提高微纳结构激光加工精度的可控性和样品的加工质量；包括以下步骤：

步骤一、将样品置于精密工作台上，由精密工作台带动样品进行扫描运动，利用分光瞳差动共焦轴向监测模块对样品的表面轮廓进行扫描测量，并将其测量结果反馈给计算机，用于飞秒激光加工系统对加工控制参数的调整；