[发明专利]利用飞秒激光在透明材料内部进行大深度结构的加工装置和加工方法

说明书

一种在透明材料中使用飞秒激光进行大深度结构的加工装置和加工方法。本方法的核心是改变飞秒激光压缩器输出激光脉冲宽度，对加工所用飞秒激光的时空特性进行操控，使得即使在低数值孔径物镜聚焦条件下也可得到三维对称性良好的近球形焦斑，提高了低数值孔径物镜的加工精度。此外，在物镜工作距离范围内，使用该方法可以在透明材料内部任意深度进行相同高精度的加工，而无需对球差等不良效果进行附加校正。加工深度与加工精度是飞秒激光加工过程中的两个关键指标，该方法使得“大深度”与“高精度”的同时实现成为可能，有利于大尺寸、高集成度的复杂三维结构的加工，在微流器件、光子集成芯片等领域有巨大的应用价值。

技术领域

本发明涉及飞秒激光微纳加工领域，特别是一种利用飞秒激光在透明材料内部进行大深度结构的加工装置和加工方法。

背景技术

飞秒激光加工技术以其加工精度高、加工过程热效应小、可在透明材料内部进行三维加工等优点在当代微制造领域独树一帜，为我们提供了一种全新的制备大规模、复杂三维微纳结构的方法。使用飞秒激光在透明材料内部进行三维加工时，加工结构距透明材料上表面的距离受限于聚焦物镜的工作距离，通常使用的高数值孔径物镜的工作距离较短，使得结构的加工只能进行在距表面较近的区域，无法用于较大尺寸结构的加工。低数值孔径的聚焦物镜拥有较长的工作距离，使得加工可深入透明材料内部进行，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因素，例如某些微流器件需要由横截面为圆形的微流通道组成，这些微流通道就很难通过低数值孔径物镜加工出来。

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，提供一种利用飞秒激光在透明材料内部进行大深度结构的加工装置和加工方法，通过该装置和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，可用于加工大尺寸的复杂三维结构。

本发明的技术解决方案如下：

一种利用飞秒激光在透明材料内部进行大深度结构的加工装置，其特点在于该装置包括飞秒激光放大器，在飞秒激光放大器的激光输出方向依次是飞秒激光压缩器、小孔、衰减片、光闸、第一光栅、第二光栅、分色镜、低数值孔径显微物镜、三维平移台，所述的光闸的控制端与所述的三维平移台的控制端分别与电脑输出端相连，光源设置在所述的三维平移台的下方，该光源发出的光经所述的三维平移台的透明窗口、所述的低数值孔径显微物镜和分色镜由CCD接收，所述的CCD的输出端与所述的电脑输入端相连。

利用上述加工装置对透明材料内部进行大深度结构的加工方法，该方法包括下列步骤：