[发明专利]一种激光三维内雕加工能量动态补偿系统及其操作方法

说明书

本发明公开了一种激光三维内雕加工能量动态补偿系统及其操作方法。系统包括中性密度衰减方片、与之匹配的衰减片夹持装具、单轴向步进电机、激光系统、二向色镜、长工作距离聚焦物镜、透明样品、用于放置所述透明样品的透明样品加工模具、用于固定所述透明样品加工模具的三维位移台、计算机和电机控制箱；激光系统发出激光光束，其透射过中性密度衰减方片后，经二向色镜被反射导入长工作距离聚焦物镜之中进行聚焦，对透明样品进行加工。计算机根据三维位移台的运动速度和已位移时间计算出单轴向步进电机的实时位移速度，实时反馈到电机控制箱，实现对单轴向步进电机和三维位移台的速度控制。进而使得激光在表面和内部加工时的刻蚀尺度保持一致。

技术领域

本发明涉及激光微纳米制造技术领域，尤其涉及一种激光三维内雕加工能量动态补偿系统及其操作方法。

背景技术

飞秒激光具有超高的峰值功率密度(10¹³W/cm²)和极短的脉冲宽度(10^-12s)的物理特性。当将飞秒激光脉冲聚焦于材料的内部时，可在以聚焦物镜焦点为中心的近椭球型微/纳米尺度的体元(聚焦激光作用下所影响到的体积单元)中产生极强的能量场，进而实现对材料内部特定微区空间的选择性刻蚀。近年来，采用飞秒激光内雕加工三维空腔结构的相关技术得到广泛的学术关注和初步的应用研究，主要面向三维微流控芯片制造和微机电系统(MEMS)制造等领域的未来潜在应用。

目前，面向于制作三维微流控芯片的飞秒激光内雕三维空腔结构的技术一般采用自下而上(Bottom-Up)的结构加工模式，即：从片状透明样品的下表面选择加工起始位置向材料内部进行三维空腔结构的直写刻蚀的方式。然而这种Bottom-Up的加工方式往往存在两方面问题：

一是由于在Bottom-Up的加工模式下，一般需保证物镜焦点的空间绝对位置固定不变，透明样品的下表面置于物镜焦点位置的上方，这样，当透明样品台自上而下的运动时，透明样品下表面则自上而下地接近焦点，直至界面与焦点位置完全重合(如图1所示)。在高能量密度的聚焦激光与下表面界面相作用的瞬间，在固-气边界存在很强的界面效应，等离子的产生极为不稳定，激光能量不能得到有效利用，因此往往不能达到预期的破坏效果。为了实现对该位置有效的破坏，确保在继续向内部加工时气态分解产物或固体杂质能够从下表面有效排出，则往往需要采用远高于材料破坏阈值的激光能量对该位置进行加工；而一旦在界面上实现一定深度刻蚀后，激光能量的利用率将显著增加，却使得激光在表面和内部加工时的刻蚀尺度不一致，导致结构均一性较差，差异化明显。

二是当在透明样品内部不同深度进行微结构加工时，激光在介质中传播的距离是变化的，基于Lamber-Beer定律，透射于激光能量会被介质部分吸收，因此有效沉积的激光能量透射随深度增加而减少，导致加工结构随深度变化时存在加工尺度差异。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷，本发明提供一种激光三维内雕加工能量动态补偿系统及其操作方法，使得激光在表面和内部加工时的刻蚀尺度保持一致。

本发明提供的一种激光三维内雕加工能量动态补偿系统，其改进之处在于，所述系统包括中性密度衰减方片1、与之匹配的衰减片夹持装具2、单轴向步进电机3、激光系统4、二向色镜5、长工作距离聚焦物镜6、透明样品7、用于放置所述透明样品7的透明样品加工模具8和用于固定所述透明样品加工模具8的三维位移台9；

所述衰减片夹持装具2安装在所述单轴向步进电机3上；

所述激光系统4发出激光光束，其透射过所述中性密度衰减方片1后，经二向色镜5被反射导入所述长工作距离聚焦物镜6之中进行聚焦，对所述透明样品7进行加工。

优选的，所述系统包括相互通信的计算机10和电机控制箱11；