[发明专利]一种飞秒激光旋转式双光点光束微孔加工方法

说明书

本发明涉及一种飞秒激光旋转式双光点光束微孔加工方法，属于激光应用技术领域。本发明利用空间光调制器加载0‑π相位，对入射的呈高斯型强度分布的飞秒激光进行相位整形，由于入射的高斯光场的左右两部分被施加了不同的相位，在两部分重合的中间区域，会由于相位畸变形成光场强度暗区，从而将原本的高斯光束整形成双光点光束；在微孔加工过程中，双光点光束中心的光场暗区会有利于产生的等离子体从该位置处喷发，从而减少对后续激光脉冲的影响，改善能量沉积效率，提高微孔加工深度。

技术领域

本发明涉及一种飞秒激光旋转式双光点光束微孔加工方法，属于激光应用技术领域。

背景技术

微孔是一种十分常见的结构，高质量的微孔结构在微流体芯片、发动机涡轮叶片、生物传感等各种领域有着极其重要的应用。常规的机械钻孔、电火花制孔等方式，受加工装置体积限制，加工出的微孔结构往往深度较浅，尺寸较大，无法满足需求。飞秒激光由于其超快、超强的特点及本身无接触式加工的形式，导致其用于微孔加工过程中具有独特的优势。然而，飞秒激光超高的峰值强度也会带来一定的加工问题。在飞秒激光加工过程中，其超高的峰值强度导致其聚焦后焦点附近产生多种形式的等离子体，包括电离空气产生的等离子体以及烧蚀材料相变过程中产生的材料-蒸汽等离子体。对于非透明材料，往往只能采用传统的叩击法并配合移动焦点来实现较深微孔结构的加工，而等离子体的存在会严重阻碍叩击式微孔加工过程中后续激光脉冲的传播与碎屑的喷发，影响了后续激光能量在材料中的沉积，从而导致微孔加工过程中会存在深度饱和的现象，大大限制了飞秒激光加工出的微孔结构的深度。采用真空环境可以避免空气的电离，并有利于材料-蒸汽等离子体和碎屑等的喷发，一定程度可以缓解上述问题，然而真空环境的引入大大增加了加工系统的复杂性，提高了加工成本，并且导致失去了飞秒激光加工本身无加工环境限制的优势。因此，目前需要一种新的加工方法来解决上述飞秒激光加工过程中的等离子体阻碍激光能量沉积的问题，实现非透明材料上高深径比微孔结构的加工。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的飞秒激光在非透明材料上加工的微孔结构深度有限，无法满足使用需求的问题，提供一种飞秒激光旋转式双光点光束微孔加工方法；

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种飞秒激光旋转式双光点光束微孔加工方法，利用空间光调制器加载0-π相位，对入射的呈高斯型强度分布的飞秒激光进行相位整形，由于入射的高斯光场的左右两部分被施加了不同的相位，在两部分重合的中间区域，会由于相位畸变形成光场强度暗区，从而将原本的高斯光束整形成双光点光束；在微孔加工过程中，双光点光束中心的光场暗区会有利于产生的等离子体从该位置处喷发，从而减少对后续激光脉冲的影响，改善能量沉积效率，提高微孔加工深度。

通过计算机控制实时、逐帧切换空间光调制器上不同角度分布的0-π相位图，实现双光点光束沿中心轴旋转，能够提高孔的圆度，配合激光重复频率，并通过平移台上下移动样品，加工出圆形深孔结构。

采用的激光重复频率不能低于相位图的换帧频率，相图的换帧频率决定了双光点光束的旋转速度，进而决定了微孔加工的效率。

所加载的0-π相位的表达式为：

其中，τk是所加载的第k张相位图的相位，θ是极坐标的极角，n为正整数，k为自然数，且0≤k＜n；该表达式的含义为将2π的角度平均分为n等份，此时总共需切换n张不同角度的0-π相位图来实现双光点光束的旋转，其中k表示了第k张相位图的0相位和π相位不同的分布区域。

具体包括如下步骤：

步骤一：飞秒激光器产生呈高斯型强度分布的激光，通过能量调节装置对激光能量进行调节；

步骤二：高斯激光以小角度入射到反射式液晶空间光调制器上，通过计算机在空间光调制器上加载所需的0-π相位，将入射的高斯激光整形成双光点光束；