[发明专利]一种深度连续可调的近4π立体角飞秒激光直写加工的方法及应用

摘要

本发明公开了一种深度连续可调的近4π立体角飞秒激光直写加工的方法及应用，属于激光加工技术领域，本发明采用双光子激发解决利用飞秒激光进行直写波导时的散焦问题，同时引入四棱柱，以实现在样品内部加工深度的连续可调；将飞秒激光分束后分别聚焦并垂直入射样品表面一个由压电平台控制高度变化的四棱柱中对应的矩面，到达待加工材料内部，在材料内部将两个光子的能量“凑足”原单光子激发的对应的能量阈值，再通过控制压电平台和样品运动平台使四棱柱和样品在Z轴方向同步运动，同时解决了飞秒激光大埋入深度直写时的散焦问题和加工深度连续调节的问题，可在待加工材料中制备不同加工深度、性质均一的三维埋入式波导。

主权项

1.一种深度连续可调的近4π立体角飞秒激光直写加工的方法，其特征在于，具体步骤如下：(1)、样品台和玻璃四棱镜的调平；具体步骤为：首先，使激光器出射的飞秒激光经由第一凹透镜L₁和第一凸透镜L₂进行扩束，将光斑扩大4倍，并依次经由调平反射镜M反射和调平物镜OL聚焦后入射至样品台；然后，在样品台上接上载玻片，将玻璃四棱镜QL固定于压电平台PI上并移动至载玻片上方，以载玻片的互相垂直的两条边为X轴与Y轴，利用激光在坐标为(0，0)，(0，5cm)，(5cm，0)三点处对样品表面进行烧蚀，烧蚀点尺寸直径为5μm，曝光时间10s；在(0，0)和(0，5cm)两点间移动样品台，同时调整X方向调平旋钮T₁，直至(0，0)和(5cm，0)两点处的损伤点同时清晰可见，测试X方向调平完毕；同理，利用(0，0)和(0，5cm)两点及Y方向调平旋钮T₂对Y方向进行调平，并固定此时样品台的位置；随后，利用照相机CCD观察玻璃四棱镜QL和载玻片界面的等厚干涉现象来调平QL，调节压电平台高度和水平位置直至CCD中无法观察到等厚条纹时，代表QL已调平，并固定压电平台此时的位置；(2)、飞秒激光分束和等光程调节；具体步骤为：首先，使激光器出射的飞秒激光经由第一凹透镜L₁和第一凸透镜L₂进行扩束，将光斑扩大4倍；然后，经由第一半反半透镜BS₁进行均匀分束，得到第一子束飞秒激光FL₁和第二子束飞秒激光FL₂；随后，FL₁依次经由第一反射镜M₁、第二反射镜M₂、第三反射镜M₃、第四反射镜M₄反射至第五反射镜M₅，FL₂经由第六反射镜M₆反射至M₇；最后，通过测量FL₁、FL₂各自的传播路径长度即光程，调节上述各反射镜的位置使两束子束飞秒激光的光程相等，即FL₁、FL₂同时到达各自的空间调节反射镜；(3)、脉冲空间同步和等功率调节；具体步骤为：首先，在QL底部粘上荧光纸，通过电脑端及监控装置实时监测荧光纸，调节第五反射镜M₅与竖直方向的夹角，使FL₁垂直入射至QL一侧的棱面，同时调节样品台的高度，使FL₁经由第二凸透镜L₃聚焦并入射至荧光纸上的位置P，并在电脑端监测屏幕标记该位置；然后，调节第七反射镜M₇与竖直方向的夹角，使FL₂经由第三凸透镜L₄聚焦并垂直入射至QL另一侧的棱面，经由QL折射后同样入射至荧光纸上的位置P，即两束子束飞秒激光聚焦于荧光纸上同一点，达到空间同步；最后，用两个功率计分别监测FL₁被M₃反射后的功率和FL₂被M₆反射后的功率，同时在M₆和M₇之间加装二分之一波片P和偏振分束器PBS，转动二分之一波片调节FL₂的功率，直至FL₁、FL₂的功率相等；(4)、脉冲时间同步调节；具体步骤为：所用脉冲时间同步调节的辅助设备为步进电机H，并预先将时间同步反射镜组S，固定于步进电机上，所述时间同步反射镜组S由M₂和M₃组成；首先，取下荧光纸，将载玻片置于样品台上，同时在同时在玻璃四棱镜QL与载玻片的界面注射折射率匹配液，调节样品台高度使会聚的两子束飞秒激光焦点落在载玻片表面；接着，设置激光器总功率为1nJ，利用步进电机H控制时间同步反射镜组S左右移动，同时控制样品台在水平面内做圆周平动，查看在时间同步反射镜组S左右移动过程中激光焦点是否能在载玻片表面扫出圆形扫线；如果不能，说明脉冲并未同步，继续增加激光器总功率，每次增加50nJ，重复上述“左右移动S‑查看圆形扫线”的过程，直至载玻片表面出现圆形扫线，并固定此时S的位置；出现圆形扫线说明此时两束飞秒激光FL₁和FL₂的脉冲叠加能量达到激光加工阈值(实现脉冲同步)，即形成所需的双光子激发焦斑。(5)、三维埋入式结构直写；具体步骤为：将载玻片从样品台取下，换上待加工的体材料，调节样品台和压电平台PI的高度，使得双光子激发焦斑移动至体材料内部的所需加工位置；然后，控制样品台和压电平台同步移动，可实现双光子激发焦斑在材料内部进行深度连续可调的直写加工，最终获得所需三维埋入式结构。