[发明专利]一种飞秒激光高效率加工大深径比高质量微孔的方法

说明书

技术领域

本发明涉及激光应用领域，尤其涉及一种飞秒激光高效率加工大深径比高质量微孔的方法。 

背景技术

激光加工大深径比微孔在微光学元件、微电子器件、微生物学以及微化学领域中都有着广泛的应用。玻璃、陶瓷和聚合物等宽禁带材料拥有价格低廉，透明度高和易于塑形等优点，尤其是PMMA材料，在可见光范围内具有高的光穿透性，还有低的烧蚀效率和玻璃化转变温度，非常适合应用于微光学等领域的微孔加工。 

相较于连续激光，脉冲激光可以调控脉冲持续时间和重复频率，在微孔加工中更加具有优势。在文献S.Lazare,J.Lopez,and F.Weisbuch:Appl.Phys.A69,S1(1999)中，作者通过降低光束发散度和改善光束均匀性的方法，使用纳秒激光加工出了大深径比的微孔，但当深径比增加的时候，这种加工的精度很差，因而不适合应用于大深径比、高精度加工领域，例如：染料喷射器、喷丝头和喷油嘴等。相比于纳秒激光，飞秒激光可以在很短的时间内将能量沉积到材料中，其热影响区显著降低，不会发生熔融和凝固现象，从而可以获得相对于纳秒激光更高的加工精度。在文献Y.Zhang,R.M.Lowe,E.Harvey,P.Hannaford,A.Endo:Appl.Surf.Sci.186,345(2002)中，作者使用800nm波长的飞秒激光单脉冲在聚合物上加工出了深径比大于10的微孔，其直径为20-40μm，深度为300-400μm。但是使用传统红外波段飞秒激光（多数为单脉冲）加工方式，在给定的能量条件下，很难突破衍射极限，加工出直径更小的孔；而且在大能量条件下，孔深也不会持续随着激光能量的增加而增长，孔径的扩大还会造成深径比降低，并伴随着孔壁粗糙度升高，孔尾端分叉等现象。 

发明内容

本发明的目的是为了克服飞秒激光加工微孔时效率低、深径比小、质量差 的不足，提供一种采用可见光双脉冲技术来整体改善飞秒激光加工微孔的方法。该方法通过调节超快激光双脉冲的子脉冲延时、波长、能量等参数，有效调控局部瞬时电子动态，从而改变其对应材料特性和相应的激光与材料相互作用过程，提高激光加工微孔的效率、深径比和质量。 

本发明的目的是通过以下技术方案来实现： 

本发明的一种飞秒激光高效率加工大深径比高质量微孔的方法，所述方法包括以下步骤： 

步骤1）采用飞秒激光系统产生近红外飞秒激光单脉冲，利用飞秒激光光学参量放大器将近红外飞秒激光单脉冲的波长调节为可见光，然后利用迈克尔逊干涉仪结构的光路把激光单脉冲调制为激光双脉冲，再利用连续衰减片调整激光双脉冲的总能量不小于待加工样品的加工阈值； 

步骤2）使步骤1）中所得到的可见光双脉冲穿过光学快门，并通过物镜后垂直聚焦于待加工样品的上表面； 

步骤3）利用光学快门控制可见光双脉冲的曝光时间，进而调整照射到待加工样品表面的激光脉冲个数，直至加工微孔的深度达到饱和。 

所述待加工样品为宽禁带透明材料，包括玻璃、晶体、陶瓷和聚合物。 

进一步的，步骤1）中，可见光波长调节范围为480-780nm。 

进一步的，步骤1）中，双脉冲两个子脉冲之间的延时时间为100-300fs。 

进一步的，步骤2）中，借助纵向CCD和纵向白光光源实现待加工样品的上表面成像并用以检测激光聚焦。 

进一步的，步骤3）中，借助横向CCD和横向白光光源实时监测微孔的加工形貌。 

进一步的，步骤3）中，可以使用氮气吹走加工过程中产生的碎屑。 

有益效果： 

本发明通过将激光波长调节至可见光波段，并通过时域整形生成双脉冲序列，实现高效率微孔加工，与传统的飞秒激光制造方法相比，能够有效提高微孔加工的深径比和质量。 

附图说明

图1为本发明飞秒激光可见光双脉冲加工方法的光路图； 

其中，1-飞秒激光器；2-飞秒激光光学参量放大器；3-连续衰减片；4-分光棱镜；5-合光棱镜；6-第一反射镜；7-第二反射镜；8-第三反射镜；9-第四反射镜；10-机械平移台；11-光纤光谱仪；12-自相关仪；13-光学快门；14-光学快门控制系统；15-二向色镜；16-物镜；17-待加工样品；18-6维精密移动平台；19-移动平台控制系统；20-纵向白光光源；21-纵向CCD；22-横向白光光源23-横向CCD；24-氮气装置。 

图2为传统红外波段飞秒激光单脉冲加工方法与本发明加工方法加工微孔的形貌对比图。