[发明专利]一种利用飞秒激光直写技术制备平面光栅的装置和方法

说明书

利用飞秒激光直写技术制备平面光栅的装置和方法，属平面光栅的制作技术领域，该装置包括光子晶体光纤飞秒激光光源、第一准直光阑、第二准直光阑、二分之一波片、偏振分光棱镜、电子快门、第一凸透镜、第二凸透镜、反射镜、双色镜、显微物镜、待加工附有金属膜的玻璃基片、电控三维精密移动平台、半透半反镜、CCD相机、照明光源、计算机。该发明基于高功率光子晶体光纤飞秒激光优良的加工性能，采用LabvIEW软件编写电控三维精密移动平台和快门开关联动控制程序，通过参数设置可在附有金属膜的玻璃基片上实现任意形状的平面光栅的直写加工。本发明具有成本低廉、结构简单、灵活性强、自动化程度高、操作简单等优势，具有良好的应用前景。

技术领域

本发明属于平面光栅的制作技术领域，特别是一种利用飞秒激光直写技术制备平面光栅的装置和方法。

背景技术

光栅作为一种基本的衍射光学元件，能对入射光的振幅或相位，或者二者同时产生空间调制的分光色散元件，不仅用于光谱学，还广泛应用于计量、光通信、信息处理等诸多领域。平面光栅大多采用掩模光刻法、电子束或激光直写法制作。但是，掩模光刻法需提前制作母版，同时还存在加工环节多、时间长、成本高且对准精度难以控制、制备光栅周期受掩模母版限制等缺点；电子束直写法所需设备复杂、成本昂贵、基片要经过特殊处理。激光直写法是通过聚焦激光束在基片上进行扫描，直接产生图样的信息，无需掩模和母版制备，具有制作效率高、加工灵活、对基片平整度要求低等优点。尤其是随着具有良好加工性能的飞秒脉冲激光的出现，利用飞秒激光超强峰值功率、超短脉冲宽度特性，通过聚焦获得超高能量密度，在与金属材料发生非线性相互作用时，金属材料相互作用区域温度会在超短时间内急剧上升，瞬间便可超过金属材料的熔化（汽化）所需要的温度，金属材料会被高度电离，产生高温、高压、高密度的等离子体，并以等离子体形式向外喷发，达到去除金属材料的目的，实现在微米尺度的烧蚀微加工。相对于长脉冲激光加工金属材料出现的热扩散效应明显、存在柱状毛刺现象、边缘粗糙、加工精度低等缺点，飞秒激光加工金属材料具有阈值效应明显、热影响区域小、边缘光滑锐利、加工精度高、可控性强等优势。目前，在飞秒激光直写技术中大多使用的光源都是具有放大系统的钛宝石飞秒激光器产生的。但是，钛宝石飞秒激光器的功率一般不高，因而加工速度一般在每秒微米量级，较低的加工速度和加工效率极大地阻碍了飞秒激光加工技术在工业中的应用。同时，钛宝石飞秒激光系统价格昂贵、结构庞大、操作复杂，需要专人维护和专门的超净环境，也严重阻碍了飞秒激光直写技术的普及。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的缺陷和不足，本发明提出一种利用飞秒激光直写技术在附有金属膜的玻璃基片上制备平面光栅的装置和方法。本发明使用高功率光子晶体光纤飞秒激光作为飞秒激光光源，这种新型的飞秒激光可以由半导体激光器直接泵浦，具有转换效率高、成本低廉、结构紧凑、易于维护、光束质量好等优势。另外，本发明采用LabvIEW软件编写三维精密移动平台和快门开关联动控制程序，通过参数设置可在附有金属膜的玻璃基片上实现任意形状的平面光栅的直写加工。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：

一种利用飞秒激光直写技术制备平面光栅的装置和方法，包括光子晶体光纤飞秒激光光源、第一准直光阑、第二准直光阑、二分之一波片、偏振分光棱镜、电子快门、第一凸透镜、第二凸透镜、反射镜、双色镜、显微物镜、待加工附有金属膜的玻璃基片、电控三维精密移动平台、半透半反镜、CCD相机、照明光源、计算机；其特征在于来自光子晶体光纤飞秒激光光源的飞秒激光光束先后经过第一准直光阑、第二准直光阑、二分之一波片、偏振分光棱镜、电子快门，电子快门和计算机相连接，通过计算机可以控制电子快门的开关；随后依次经过第一凸透镜、第二凸透镜、反射镜、双色镜，第一凸透镜的后焦点与第二凸透镜前焦点重合，构成光束扩束系统，反射镜和双色镜与光路成45度角放置；飞秒激光经双色镜反射后再经显微物镜聚焦于待加工附有金属膜的玻璃基片，待加工附有金属膜的玻璃基片固定在电控三维精密移动平台上；双色镜的透射侧依次放置半透半反镜、CCD相机，半透半反镜与光路成45度角放置，半透半反镜的反射侧放置照明光源。