[发明专利]激光微纳加工分光瞳差动共焦在线监测一体化方法与装置

权利要求书

1.激光微纳加工分光瞳差动共焦在线监测一体化方法，其特征在于：利用飞秒激光加工系统对样品进行微纳结构加工，利用分光瞳差动共焦轴向监测模块对样品的轴向位置进行实时监控，实现微纳结构高精度加工与监测的一体化，提高微纳结构激光加工精度的可控性和样品的加工质量；

包括以下步骤：

步骤一、将样品(9)置于精密工作台(10)上，由精密工作台(10)带动样品(9)进行扫描运动，利用分光瞳差动共焦轴向监测模块(1)对样品(9)的表面轮廓进行扫描测量，并将其测量结果反馈给计算机(30)，用于飞秒激光加工系统对加工控制参数的调整；

其中，分光瞳差动共焦轴向监测模块(1)由激光器(2)、扩束器(3)、反射镜(12)、探测物镜(13)、分光瞳差动探测器(14)组成，轴向监测平行光束(4)经二向色镜A(5)反射、二向色镜B(6)透射后，进入物镜(7)并被聚焦到样品(9)上，经样品(9)反射的反射轴向监测光束(11)经反射镜(12)、探测物镜(13)、光斑放大物镜(25)后汇聚到探测器CCD(26)上，在探测器CCD(26)像面上的探测光斑(27)上取两个对称的第一探测区域(31)和第二探测区域(32)，得到分光瞳差动共焦曲线(28)；

依据分光瞳差动共焦曲线(28)的过零点位置对样品(9)的轴向离焦位置进行纳米级检测；

步骤二、利用由飞秒激光器(15)、激光时空整形模块(16)、二维扫描器(18)构成的飞秒激光加工系统对样品(9)进行微纳结构加工，加工过程中利用分光瞳差动共焦轴向监测模块(1)对加工过程中样品(9)表面的轴向位置进行监测；依据分光瞳差动共焦曲线(28)的过零点位置对样品(9)的轴向位置进行纳米级监测；

步骤三、计算机(30)依据测量结果调整样品(9)的轴向位置，实时调整精密工作台(10)的位置，实现加工过程中样品的精确定焦；

步骤四、加工完成后，利用分光瞳差动共焦轴向监测模块(1)对加工完成后的样品结构进行扫描测量，实现加工后样品的高精度在线检测，样品(9)的轴向位置实时监控和轴向定焦，同时，记录样品(9)的轴向结构尺寸，实现样品(9)轴向尺寸的纳米级检测；

还包括在加工前，利用显微成像模块(24)对样品(9)进行粗对准；白光光源(19)发出的光经照明系统(20)、分光镜(21)、二向色镜B(6)、物镜(7)后均匀照射到样品(9)上，经样品(9)返回的光经分光镜(21)反射后经成像物镜(22)成像到CCD(23)上，可判断样品(9)的倾斜和位置。

2.根据权利要求1所述的激光微纳加工分光瞳差动共焦在线监测一体化方法，其特征在于：飞秒激光加工系统发出的加工激光光束(17)与轴向监测平行光束(4)经物镜(7)同轴耦合到样品(9)表面，分别实现微纳结构的加工与检测。

3.一种用于权利要求1或2所述的激光微纳加工分光瞳差动共焦在线监测一体化方法的装置，其特征在于：飞秒激光加工系统由飞秒激光器(15)、激光时空整形模块(16)、二维扫描器(18)构成，分光瞳差动共焦轴向监测模块(1)包括激光器(2)、扩束器(3)、反射镜(12)、探测物镜(13)、分光瞳差动探测器(14)。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：分光瞳差动探测器(14)由光斑放大物镜(25)和探测CCD(26)、第一探测区域(31)和第二探测区域(32)构成，其中第一探测区域(31)和第二探测区域(32)位于探测CCD(26)的像面上、且关于光轴对称。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：分光瞳差动探测器(14)还由光斑放大物镜(25)和二象限探测器(29)构成，其中二象限探测器探测面(33)上的第一探测象限(36)和第二探测象限(37)关于光轴对称。

6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：激光时空整形模块(16)由空间整形器(34)、时间整形器(35)构成，对飞秒激光器(15)发出的激光束进行时域和空域参数的联合调控，提高飞秒激光微纳加工能力。

7.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：利用显微成像模块(24)对样品(9)进行观察，其中，显微成像模块(24)由白光光源(19)、照明系统(20)、分光镜(21)、二向色镜B(6)、成像物镜(22)、CCD(23)组成。