[发明专利]利用反球差校正进行纵向加工的方法及应用

说明书

本发明公开了利用反球差校正进行纵向加工的方法及应用，属于飞秒激光加工技术领域，该方法通过空间光调制器对飞秒激光焦点进行反球差校正，在待加工材料内部较深处获得沿纵向显著拉伸的焦斑，从而直接利用此拉伸焦斑在待加工材料内部进行连续扫描，来实现大深径比的纵向加工。利用反球差校正获得沿纵向显著拉伸的线型焦斑，能够在材料内部一次性加工出具有大深径比的纵向结构，而无需通过多次加工来累加结构的纵向深度，避免了多次加工导致的结构交错，从而同时提高了加工效率和结构质量；无需降低数值孔径NA来增加加工深度，从而提高了加工分辨率。

技术领域

本发明属于飞秒激光加工技术领域，具体涉及利用反球差校正将飞秒激光焦点进行纵向拉伸，从而实现高精度的、纵向均匀的微光学元件加工。

背景技术

微光学元件是微纳光子学的基本组件，在光学芯片、微光治疗等方面具有重要应用。飞秒激光加工技术因其高加工精度、高图案化水平和对材料的有效改性，已成为加工微光学器件的主要技术之一。以石英材料为例，飞秒激光在较高功率下能在其内部诱导出纳米光栅结构，同时其高脉冲能量能够显著地改变诱导区域的折射率(达10^-3量级)，从而获得光学衍射元件。为了提高光学衍射元件的效率，需要增加诱导纳米光栅的长度，即增大纵向加工的深径比。据此，现有技术通常采用多层光栅叠加或降低数值孔径(增加焦深)的方法。然而，前者加工耗时长，且叠加后的光栅容易出现交错的情况，从而降低光学衍射元件的质量。后者则由于降低了数值孔径，导致加工分辨率过低，不利于器件的小型化。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是：提供一种利用反球差校正进行纵向加工的方法。通过空间光调制器对飞秒激光焦点进行反球差校正，在待加工材料内部较深处获得沿纵向显著拉伸的焦斑，从而直接利用此拉伸焦斑在待加工材料内部进行连续扫描，来实现大深径比的纵向加工。其原理为：英国的Booth课题组提出了球差校正的相位调制公式，即通过光场相位调制来减少飞秒激光入射至材料内部时焦斑的纵向拉伸。球差校正所需的相位补偿为，

其中，λ为飞秒激光波长，ρ为飞秒激光出射的归一化瞳孔半径，d_nom为待加工材料内部的任意深度，s为补偿因子(其具体值取决于物镜数值孔径NA和d_nom)，n₁＝1为空气折射率，n₂为待加工材料折射率，NA为飞秒激光出射物镜的数值孔径。其中，飞秒激光入射至材料内部的实际深度由s值决定。基于Booth公式，本发明进一步引入拉伸因子f_st(0.1≤f_st≤20)，将公式中s取值由原来的单一值拓展为一个范围，并据此获得所需拉伸焦斑的相位补偿全息图。随后，利用空间光调制器对飞秒激光进行反球面像差相位调制(增大焦斑的纵向拉伸)，从而使得入射至待加工材料内部的飞秒激光焦斑沿纵向显著拉伸，形成所需的拉伸焦斑。

本发明通过如下技术方案实现：

利用反球差校正进行纵向加工的方法，具体步骤如下：

(1)、拓展补偿因子s获得反球差校正相位补偿全息图；