[发明专利]利用超快激光进行透明材料三维结构的加工装置和加工方法

说明书

一种利用超快激光进行透明材料三维结构的加工装置，包括飞秒激光器、衰减片、缩束镜、声光调制器、扩束镜、反射镜、显微物镜、电脑以及供待加工的透明材料放置的三维平移台。本发明对飞秒激光的整形通过调节飞秒激光器的压缩器而实现，整形之后的激光脉冲在时域上被展宽，增长了激光的脉冲宽度，将整形后的激光通过低数值孔径物镜聚焦至透明材料内部，即可在焦点处得到三维对称性良好的近球形改性区域，提高了低数值孔径物镜聚焦条件下的加工精度。本发明使得“大深度”与“高精度”可同时实现，在激光对透明材料改性之后，通过化学腐蚀方法可高保真的将激光改性区域去除，使用该方法可进行大尺寸的复杂精细三维结构的加工。

技术领域

本发明涉及超快激光三维加工领域，特别是一种利用超快激光进行透明材料三维结构的加工装置和加工方法。

背景技术

一般将脉冲宽度低于几十皮秒的激光脉冲定义为超快激光，由于脉冲宽度极短，即使激光单脉冲能量仅为微焦量级，也很容易通过聚焦方式获得超过10¹⁵W/cm²的功率密度，这一强度足以使大部分原子发生光电离，使得激光与物质相互作用时呈现强烈的非线性效应，如多光子吸收或隧穿电离等。超快激光脉冲作用时间极短，热效应几乎可以忽略，因而可以大大提高加工精度。近红外区的超快激光又能避免紫外激光对大多数材料不透明的缺点，它可以深入透明材料内部在介观尺度上实现真正意义上的三维立体微加工。

低数值孔径的聚焦物镜拥有较长的工作距离，超快激光可由此类物镜聚焦后深入透明材料内部进行加工，但是随着深度增大，球差对加工的影响会越来越显著。由于空气与透明材料折射率不同，经物镜聚焦后的光束经过空气与透明材料的交界面时发生折射，导致光束无法在焦点处会聚到一起，使焦斑在纵向被拉长，这就是球差的作用。球差的存在大大降低了飞秒激光在材料深处的加工精度，阻碍了精细结构的加工。自适应光学元件可用于调节光波的相位，因而在加工光路中加入这类元件可补偿界面折射产生的波前畸变，即可减弱球差带来的不良影响(参见文献： A.Jesacher and M.J.Booth,Opt.Express 18,21090-21099(2010))。然而对于低数值孔径物镜，即使将球差完全补偿，由于物镜本身数值孔径较低这一特性，天然的衍射作用也会导致焦斑纵向被拉长，使得焦斑呈纵向长于横向的椭球形，这种不对称的焦斑形状为结构的加工带来不利影响。为充分发挥飞秒激光加工技术的三维制备能力，在结构加工过程中可以同时实现大尺寸与高精度，如何提高低数值孔径物镜聚焦状态下的加工精度成为关键。

一种提高低数值孔径物镜加工精度的方法是使用飞秒激光时空聚焦技术，该技术通过在光路中引入色散装置，将不同频率成分首先在空间上分离再通过物镜进行聚焦，使得物镜焦点处脉宽最短，焦点之外的区域脉宽迅速增大，从而降低焦点之外区域激光的功率密度(参见文献：H.Fei,X.Han,C.Ya et al.Opt.Lett.35,1106-1108 (2010).)。该方法可降低焦斑在纵向的拉长程度，但在低数值孔径物镜聚焦情况下，依然很难实现焦斑在横向与纵向完全对称的加工精度。

发明内容

本发明目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种利用超快激光进行透明材料三维结构的加工装置和加工方法，通过该方法可在低数值孔径物镜聚焦条件下产生近球形的焦斑，同时在工作距离范围内的任意深度保持焦斑形状不变，可用于加工拥有较大纵向尺寸的复杂三维结构。

本发明的技术解决方案如下：

一种利用超快激光进行透明材料三维结构的加工装置，其特征在于，包括飞秒激光器、衰减片、缩束镜、声光调制器、扩束镜、反射镜、显微物镜、电脑以及供待加工的透明材料放置的三维平移台；

沿所述的飞秒激光器的激光输出方向依次为所述的衰减片、缩束镜、声光调制器、扩束镜和反射镜，经该反射镜反射的反射光通过所述的显微物镜入射在待加工的透明材料上；

所述的声光调制器的控制端与所述的三维平移台的控制端分别与电脑相连。