[发明专利]飞秒激光薄膜微纳加工实时监测装置

说明书

技术领域

本发明属于光谱技术的微加工装置，特别是一种飞秒激光薄膜微纳加工实时监测装置。

背景技术

激光诱导击穿光谱技术在元素识别和定量分析中是一个重要的工具。它具有可选性，破坏性小，分辨率高以及可对固态，液态，气态以及浮质材料进行实时分析，使得该技术的应用范围约来越广泛。

1962年，Fred Brech首先提出用红宝石微波激射器诱导产生等离子体的光谱化学法；1964年Runge以及1965年Rasberry建立定量分析元素含量的参考曲线。1967年Kenneth使用红宝石激光器在矿石上激发等离子体通过对照参考曲线探测矿石中微量元素的含量，并且探测极限达到1000ppm。经过四十多年的发展LIBS经历了以下几个过程：60年代重点是研发一种商品化的能用光电火花源产生等离体的仪器上。70年代主要研究光谱学和直接消融激发，同时研究大气击穿的物理机制。80年代起点人们把LIBS技术应用到光谱化学中，研究提高探测精度及可靠性。90年代中期至今这种技术才得到广泛应用及研究，应用于实际，如环境污染的监测，艺术品的清理以及材料加工的控制等。

随着飞秒激光的出现，由于飞秒激光具有超高的能量密度，在加工材料时具有一定的消融阈值，同时材料是被直接汽化使得加工出的形貌非常的平滑，具有更高的重复性，而这些是传统的纳秒激光加工所无法比拟。因此飞秒激光微加工在MEMS设备制造中具有很重要的地位。但是存在一个问题就是在如此高的脉冲能量下，因为超快激光微制造对于所加工的材料不敏感，当在薄膜上加工微器件时怎样阻止基质材料的熔化。随着对器件的精密化和微型化的要求的提高，现有技术的的激光加工装置已经无法满足新的精密化和微型化的需要。而且传统的加工是通过人工操作，在加工完后通过人工观察，这将影响到加工的效率和连贯性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种结构设置更为合理、可以实现实时监控与高精度加工的飞秒激光薄膜微纳加工装置。

本发明所要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现的。本发明是一种飞秒激光薄膜微纳加工装置，该装置包括激光发生系统、外光路系统、PC机和三维移动平台；所述的激光发生系统依次由泵浦源、飞秒激光器和再生放大器组成；所述的外光路系统依次由全反镜、光闸、衰减镜、半透半反镜和聚焦镜组成；激光发生系统发出的激光经外光路系统聚焦在聚焦镜上；其特点是：该装置还设有光谱聚焦镜、光纤探头、光谱仪、增强型CCD和时间延迟控制器；所述的光谱聚焦镜和光纤探头固定在三维移动平台上，光谱仪通过数据线与光纤探头连接，光谱仪还通过信号线与时间延迟控制器连接，时间延迟控制器通过信号线与飞秒激光器连接，飞秒激光器、增强型CCD、光闸和三维移动平台均通过信号线与PC机连接。

本发明所述的一种飞秒激光薄膜微纳加工装置技术方案中：还可以在半透半反镜的反射方向侧设有能量计。

本发明所述的一种飞秒激光薄膜微纳加工装置技术方案中：优选采用响应波段为200nm～980nm、分辨率为0.1nm的光谱仪。

本发明装置是基于激光诱导击穿光谱技术，它可以实现实时在线检测多种元素的功能。它是一种集超快激光技术、高精度扫描技术、光谱检测技术、软件控制技术于一体的加工检测装置。它采用飞秒激光加工薄膜材料表面，通过接受等离子体光谱从而实时监控加工深度及加工质量，适用于MEMS器件制造过程的实时监控。

本发明装置使用时，首先开启泵浦源，将其产生的激光引入到飞秒激光器的谐振腔中，经振荡后产生的飞秒超短脉冲激光通过再生放大器将能量放大以满足微加工的需要。脉冲激光经过光闸以及衰减镜，可以通过光闸暂停加工过程；后经过衰减镜方便调节激光能量以及对脉冲进行整形，然后经过半透半反镜，实现分束，一束用于实时监测脉冲能量的波动值，另一束经过聚焦镜聚焦到被加工样品表面进行加工。将固体靶材置于三维移动平台上，在PC机上编好平台的移动路线，调节好光谱聚焦镜、光纤探头以及样品三者之间的距离和角度，使得光谱信号的强度为最大，最后固定在三维移动平台上，从而保证加工过程中三者之间的相对静止。通过时间延迟控制器（可优选DG535）调节激光器出光和光谱仪检测信号之间的延迟时间。在此过程中可以实验来优化延迟时间，得到最强的光谱信号。通过PC机内设定的软件控制系统驱动三维扫描平台的运动，控制光闸开关，同时还进行元素识别与元素分析，并通过加工实时控制软件对激光器进行控制，因而可以实现薄膜表面微加工、谱线的检测以及加工的控制和参数的及时调整。