[发明专利]一种飞秒激光加工形态参数时间分辨共焦测量方法及装置

说明书

本发明涉及一种飞秒激光加工形态参数时间分辨共焦测量方法及装置，属于飞秒激光加工在线检测领域。本发明利用连续激光共焦光路对材料表面进行轴向精确定位，利用飞秒激光对材料进行加工，利用不同延迟时间的飞秒激光对材料的形态参数进行探测，使用共焦光路探测该不同延迟时间的飞秒激光反射信号，对该信号解调得到轴向位置。重复上述“连续激光共焦定位‑飞秒激光加工‑延迟飞秒激光共焦探测”过程，能够获得飞秒激光加工中材料的轴向去除量随时间的变化量，实现飞秒激光高精度加工材料形态参数的时间分辨测量，提高飞秒激光加工的可控性和样品的加工质量，对于提高飞秒加工精度、加工质量和加工过程的可控性具有重要意义。

技术领域

本发明涉及一种飞秒激光加工形态参数时间分辨共焦测量方法及装置，属于飞秒激光加工在线检测领域。

背景技术

飞秒激光加工技术，利用激光脉冲的紧聚焦“焦点”与材料发生非线性作用，诱导光物理、光化学变化，实现了微纳器件结构的加工制造，因其具有加工精细度高、材料适应性广等显著优势而备受关注。

在飞秒激光对材料进行去除加工时，对材料的瞬时形态变化中的非线性效应、尺度效应等缺乏有效监测手段，例如：当飞秒加工的工艺参数尺度、时间尺度和空间几何尺度减小时，其加工特性与按比例推导出的预测值存在较大偏差，即“尺度效应”。对飞秒激光加工中的尺度效应等形态变化过程认识的不足严重制约了加工形状精度、尺寸精度和表面质量提高。因此，监测飞秒加工中材料去除时的瞬时形态变化、研究飞秒激光与材料相互作用的去除过程，对于揭示飞秒激光非线性加工的作用机理及其演化规律、提高微细结构飞秒激光加工精度的可控性具有重要意义。

然而，飞秒激光对材料的去除加工时间过程极短，目前测量手段无法获得瞬时的材料形态变化，现有测量手段仍然基于传统测量技术，如：基于激光三角位移传感器轴向监测、背向相干层析监测、光学相干层析监测等方法，其分辨力均在亚微米级；基于共焦的测量技术在飞秒激光加工中具有极高的应用潜力，共焦或差动共焦轴向监测手段具有纳米级的轴向分辨力，且具备较高的定焦精度和测量稳定性，例如专利CN108286936A公开的一种激光微纳加工差动共焦在线监测一体化方法与装置，解决了飞秒激光加工过程中的漂移问题、高精度实时定焦问题以及飞秒激光加工样品的在线检测问题，但该发明的测量对象仍然是宏观时间尺度上的样品形态，无法监测材料去除时的瞬时形态变化过程。

发明内容

本发明的目的是为了获得飞秒加工中材料去除时的瞬时形态参数变化过程并由此提高飞秒加工过程的可控性，提出一种飞秒激光加工形态参数时间分辨共焦测量方法及装置。本发明将飞秒脉冲激光分束为加工光和探测光，利用共焦技术对探测光的反射信号进行探测和解调，实现飞秒加工中样品形态参数的时间分辨测量。

本发明所述的飞秒激光加工形态参数时间分辨共焦测量方法，利用连续激光共焦光路对材料表面进行轴向精确定位，利用飞秒激光对材料进行加工，利用不同延迟时间的飞秒激光对材料的形态参数进行探测，使用共焦光路探测该不同延迟时间的飞秒激光反射信号，对该信号解调得到轴向位置。重复上述“连续激光共焦定位-飞秒激光加工-延迟飞秒激光共焦探测”过程，能够获得飞秒激光加工中材料的轴向去除量随时间的变化量，实现飞秒激光高精度加工材料形态参数的时间分辨测量，提高飞秒激光加工的可控性和样品的加工质量。

本发明所述的飞秒激光加工形态参数时间分辨共焦测量装置，包括飞秒脉冲激光器，位于飞秒脉冲激光器出射方向的A分光镜，在A分光镜的反射光束传播方向上，依次布置有A快门、A反射镜、B反射镜、C反射镜、D反射镜、频率调制器、二向色镜，其中，B反射镜和C反射镜位于A直线运动模块上，安装保证B反射镜的光束入射方向、C反射镜的光束出射方向、A直线运动模块的运动方向三者平行。

在A分光镜的透射光束传播方向上，依次布置有B快门、E反射镜、F反射镜、G反射镜、B分光镜，其中，E反射镜和F反射镜位于B直线运动模块上，安装保证E反射镜的光束入射方向、F反射镜的光束出射方向、B直线运动模块的运动方向三者平行。