[发明专利]利用锥透镜实现硬脆材料纳米级小孔的加工系统及方法

权利要求书

1.一种利用锥透镜实现硬脆材料纳米级小孔的加工系统，其特征在于：包括飞秒激光器(1)、偏振控制模块(2)、能量控制模块(3)、锥透镜(4)、准直镜(5)、显微加工模块(6)、控制系统(7)、球透镜(8)和光谱探测模块(9)；

所述偏振控制模块(2)、能量控制模块(3)、锥透镜(4)、准直镜(5)、显微加工模块(6)沿飞秒激光器(1)的出射光路依次设置，飞秒激光器(1)出射的飞秒激光入射至偏振控制模块(2)，偏振控制模块(2)控制飞秒激光的偏振态后将其入射至能量控制模块(3)，能量控制模块(3)控制飞秒激光的输入功率后将其入射至锥透镜(4)，锥透镜(4)将空间高斯分布的光束整形为贝塞尔光束，贝塞尔光束经准直镜(5)准直后进入显微加工模块(6)，显微加工模块(6)将出射的贝塞尔光锥聚焦于待加工硬脆材料表面，实现纳米小孔的加工；

所述控制系统(7)用于分别控制光谱探测模块(9)、飞秒激光器(1)和显微加工模块(6)；所述光谱探测模块(9)通过球透镜(8)对纳米小孔的光散射信息进行采集，并将该信息反馈至控制系统(7)，控制系统(7)根据该信息对贝塞尔光锥在硬脆材料中的Z轴位置进行精确补偿控制和修正；

所述贝塞尔光锥的光锥长度DOF和中心光斑d的计算如下，所述贝塞尔光锥的光锥长度DOF为10～200um，中心光斑d为300～1000nm；

其中，k为光波波矢；β为光锥体的发散角，光锥体的发散角β由锥透镜的锥角α得到，n·sinα＝sin(α+β)，n为锥透镜折射率；f₁为显微加工模块的长焦透镜焦距，f₂为显微加工模块的短焦物镜焦距；w为束腰半径。

2.根据权利要求1所述的利用锥透镜实现硬脆材料纳米级小孔的加工系统，其特征在于：所述能量控制模块(3)和锥透镜(4)之间还设置有倍频晶体(10)，用于将输入的飞秒激光波长减半。

3.根据权利要求2所述的利用锥透镜实现硬脆材料纳米级小孔的加工系统，其特征在于：所述锥透镜(4)为锥透镜微阵列。

4.根据权利要求1或2或3所述的利用锥透镜实现硬脆材料纳米级小孔的加工系统，其特征在于：所述光谱探测模块(9)为光谱仪。

5.根据权利要求4所述的利用锥透镜实现硬脆材料纳米级小孔的加工系统，其特征在于：所述偏振控制模块(2)包括偏振棱镜和波片。

6.根据权利要求5所述的利用锥透镜实现硬脆材料纳米级小孔的加工系统，其特征在于：所述能量控制模块(3)包括中性密度片和可控衰减片。

7.根据权利要求6所述的利用锥透镜实现硬脆材料纳米级小孔的加工系统，其特征在于：所述飞秒激光器(1)出射的飞秒激光波长为800nm和1030nm。

8.一种基于权利要求1至7任一所述利用锥透镜实现硬脆材料纳米级小孔的加工系统的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、选择相匹配的锥透镜和显微加工模块，使得贝塞尔光锥的光锥长度DOF和中心光斑d如下：

步骤二、飞秒激光器开始工作，显微加工模块将出射的贝塞尔光锥聚焦于待加工硬脆材料表面，实现纳米小孔的加工；

步骤三、光谱探测模块通过球透镜对纳米小孔的光散射信息进行实时采集，并将该信息反馈至控制系统，控制系统根据该信息对贝塞尔光锥在硬脆材料中的位置进行精确补偿控制，直至符合小孔尺寸要求，从而实现加工能量在z轴输入的修正；

步骤四、根据步骤三补偿后的位置信息在待加工硬脆材料表面进行高精度纳米小孔的加工。