[发明专利]一种高效制备高深径比微孔阵列的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种加工高深径比微孔阵列的方法，特别涉及一种利用飞秒激光贝塞尔光束高效加工高深径比微孔阵列的方法，属于飞秒激光应用技术领域。

背景技术

微孔制造在航空航天领域、光电学领域、微流体器件等相关领域都有着极其重要的应用，随着激光技术的不断进步和发展，微孔制造方面的研究具有十分重要的现实意义。激光微孔制造的优势在于具有较好的柔性和较高的自动化程度，另外，与传统机械加工技术相比，激光微孔制造技术为无接触技术，加工工具也不会因加工材料质地较硬而发生断裂破坏。飞秒激光是一种新型的脉冲激光，其脉冲持续时间可低至飞秒量级。与传统的长脉冲激光相比(如纳米激光和皮秒激光)，飞秒激光在微细加工方面具有其独特的优势：(1)加工尺度小，可实现亚微米甚至纳米级加工；(2)飞秒激光加工时不会出现长脉冲激光时常出现的等离子体屏蔽效应，显著提高了加工效率；(3)飞秒激光加工可显著减少重铸层，微裂纹和热影响区。

飞秒激光器产生以来，利用其在各种材料上进行了大量的微孔加工实验研究，其中，微孔尺寸和微孔的质量是微孔制造过程中最重要的两个指标，包括微孔的直径、深度和侧壁锥度等问题。在已知的飞秒激光微孔加工方法中，大部分是利用高斯型强度分布的飞秒激光，经过高倍显微物镜聚焦后加工透明材料，但若不采用特殊加工手段，微孔的深径比较难突破100:1。飞秒激光微孔制造是推动制造业进步和发展的关键性技术之一，极小尺寸和极高质量的微孔是飞秒激光微孔制造发展的目标。

另外，高深径比微孔阵列相比于单个的微孔在生物医学、航天航空、光电学等方面应用更为突出。目前存在的问题则是，加工大面积(比如1cm×1cm)的高深径比微孔阵列，所需的加工时间过长并且阵列中微孔的质量未能保证，加工效率极低。因此，目前迫切需要一种能够高效加工高深径比微孔阵列的方法并且能够保证阵列中各微孔质量的均一性。

发明内容

本发明的目的是为了解决高质量、高深径比的微孔阵列加工效率较低，无法在较短的时间内快速加工大面积的高深径比微孔阵列的难题，提出一种利用飞秒激光贝塞尔光束高效加工高深径比微孔阵列的方法，本发明通过对飞秒激光空间光整形，调控激光辐照区域瞬态的电子密度，并结合飞秒激光“飞行时间打孔法”(JournalofLaserApplications,4(2),15-24,1992)，实现大面积高深径比微孔阵列的高效加工。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种利用飞秒激光贝塞尔光束高效加工高深径比微孔阵列的方法，具体步骤如下：

步骤一：利用轴棱锥原理，将平行入射的飞秒激光高斯光束整形为飞秒激光贝塞尔光束；

步骤二：将步骤一中空间光整形得到的贝塞尔光束通过望远系统缩小尺寸成微贝塞尔光束，使其具有足够高的能量进行样品的加工；

步骤三：将加工样品置于六维移动的平移台上，控制平移台带动样品运动，将步骤二中得到的微贝塞尔光束聚焦在被加工样品表面；

步骤四：利用“飞行时间打孔法”，在飞秒激光贝塞尔光束单脉冲条件下，快速加工大面积高深径比微孔阵列。通过控制飞秒激光重复频率和平移台的移动速度(扫描速度)来控制微孔加工速度和相邻微孔间的间距。

作为优选，所述步骤一使用锥透镜将平行入射的高斯光束整形为焦深较长的贝塞尔光束。

作为优选，所述望远系统由一个平凸透镜和一个聚焦物镜组成。

作为优选，所述加工样品材料为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)/PET/PC/熔融石英等透明材料。

一种利用飞秒激光贝塞尔光束高效加工高深径比微孔阵列的装置，包括飞秒激光系统、半波片、偏振分光棱镜、连续衰减片、机械快门、光阑、锥透镜、平凸透镜、二向色镜、聚焦显微物镜和六维精密位移平台；

连接关系：飞秒激光系统、半波片、偏振分光棱镜、连续衰减片、机械快门、光阑、锥透镜、平凸透镜依次平行、同轴放置，二向色镜的中心位于经过平凸透镜的光轴上，成45°放置，光轴经二向色镜反射依次通过聚焦显微物镜、加工样品和六维精密位移平台的中心；