[发明专利]基于LabVIEW的集成化飞秒激光微纳加工系统及加工方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种飞秒激光加工系统及加工方法，尤其涉及一种基于LabVIEW的集成化飞秒激光微纳加工系统及加工方法。

背景技术

自20世纪末开始，飞秒激光技术得到了突飞猛进的发展，主要表现为激光脉冲持续时间的压缩和峰值功率的提升。当飞秒激光与物质相互作用时，可突破衍射极限实现高精度微纳结构的制备。这些微纳结构在材料光学吸收率提升、输水性能优化、微机械结构与零件的应用等方面具有巨大的价值。然而，对飞秒激光微纳加工系统来说，加工数据信息的实时体现，需要一套灵活、高效且兼容性强的系统控制程序。因此，如何实现飞秒激光束、各类元器件、三维移动平台等三者间的有效协同配合，如何在系统中实现激光束状态的实时监控和精密定位，是决定飞秒激光加工过程能否顺利完成的关键，更是决定飞秒激光加工技术能否实现有效应用的前提。

当前飞秒激光微纳加工系统的定位技术可分为以下三种：1）利用数字扫描振镜和显微物镜头进行二维平面上的高精度定位，配合一维压电平台即可实现激光加工的三维操作；2）利用三维压电平台进行三维方向高精度定位；3）利用直线电机驱动气浮平台的方式进行三维方向的高精度定位。

通常来说，基于这三种定位技术的飞秒激光微纳加工系统具有相似的结构，主要包括八个部分：飞秒激光器、光路开关、光束衰减器件、全反射镜、显微成像单元（包括显微物镜头、CCD相机、辅助照明等）、三维移动平台和控制软件（包括计算机、控制软件）等。其中，飞秒激光器是用于加工的激光光源；光路开光用于控制加工过程中光束的通断；光束衰减器件用于调节激光功率；全反射镜用于调控光束的指向；显微成像单元用于激光光束聚焦及实时监控激光加工过程；三维移动平台用于实现样品的精密定位；控制软件用于加工参数的设定和控制。

目前，最为常用的飞秒激光微纳加工系统的工作流程可归纳为以下过程：1）启动飞秒激光微纳加工平台；2）将样品放置在飞秒激光微纳加工平台的载物台上；3）手动调节三维移动平台进行对焦，将样品移动至CCD相机监测区域，通过人眼观察CCD相机显示的图片清晰度，根据观察结果完成样品的对焦；4）设置加工参数，如激光功率、焦斑大小、加工速度、加工模式等，其中，激光功率的调节是将衰减器件和激光功率探头放置在光路中，调节衰减器同时观察激光功率计测量值，调节至所需功率值停止，完成后将激光功率探头移开；焦斑大小的选择与显微镜镜头放大倍数相关；加工速度和加工模式的设置是通过控制程序设置；5）软件控制程序根据设置的参数执行加工。

综上所述，分析可以得知，现有飞秒激光加工系统存在以下不足：

1）加工系统集成化程度不高。在当前大多数飞秒激光加工系统中，三维移动平台的控制界面和CCD的实时监控界面分别基于不同计算机语言开发，因而在加工过程中需同时在同一台计算机上开启两个软件界面，实验操作过程比较繁琐耗时，在一定程度上影响加工效率。

2）加工系统没有统一的样品对焦状态判断标准。在对焦过程中，样品对焦清晰度是通过人眼观察CCD相机显示的照片清晰度来判断，由于人眼误差和亮度的影响，对焦的清晰度判断标准存在不统一和误差。

3）加工系统没有激光功率的实时监控模块。在大面积样品的加工过程中，如需调整或监控激光功率，需将功率计探头放入光路中，这导致加工过程的不连续性。同时，每次功率探头的光敏元件接触的光束位置不统一，测量结果存在误差，这会导致样品加工后微纳结构的均匀性不能得到有效保证。

4）加工系统没有光路指向的实时监控模块。飞秒激光微纳加工平台采用很多的光学器件进行光路指向调节，在使用中难免会因为松动致使其光路指向发生偏移，这会影响聚焦后的光斑状态，直接影响激光作用在单位面积样品上的功率密度，进而影响样品表面的微结构形貌。

经检索，目前国内尚没有基于LabVIEW软件开发的集成化飞秒激光微纳加工系统的相关专利，其主要原因在于：飞秒激光微纳加工平台外围部件多，难以将不同型号和不同通信协议的外围部件通过计算机同步控制、计算机多通信接口的控制存在资源竞争问题、多线程并行运行机制应用等技术难度大，另外，精密的高端设备伴随复杂的操作和调试过程，所需时间较长，因此我们发明一种基于LabVIEW的集成化飞秒激光微纳加工系统。

发明内容