一种超快激光直写制备矩形结构光栅的装置及方法
技术领域
本发明涉及超快激光直写技术，特别涉及到一种矩形结构光栅的超快激光直写装置及方法。
背景技术
衍射光栅作为一种重要的光学元件，具有色散、分束、偏振和相位匹配等性质，在光学测量、集成光学、光信息处理、传感器、片上实验室，滤波器以及其他领域有极为重要和广泛的应用。目前常见的光栅加工制作方法有LIGA技术、电子束曝光法、聚焦离子束刻蚀法、光学刻蚀法等。
LIGA是一种三维微细加工技术，在非硅领域具有很大的应用潜力，结合了X射线光刻、微电铸和微复制。由于LIGA需要同步辐射X射线源，因此较为昂贵，UV-LIGA、Laser-LIGA等衍生的准LIGA技术就是为了弥补这一缺陷，但是深宽比和准直度却没有LIGA好。
电子束曝光技术是一种利用高能聚焦电子束流直接将设计的图形扫描到特定的高分子聚合物材料上，形成精细掩膜图形的工艺技术。电子束曝光技术具有不需要昂贵的光学系统和费时的掩膜制备过程的优点，然而，电子束光刻也存在较为明显的缺陷，比如效率低、邻近效应等。此外电子束曝光技术所需要的设备价格昂贵，运行费用高，提高了成本，所以不利于大规模生产。
离子束刻蚀法与电子束曝光技术相似，它是利用具有一定能量的离子束轰击带有掩模图形的固体表面，将掩模图形转移到固体表面的一种微细加工技术。聚焦离子束刻蚀是一个无掩膜工艺，不需要电镀金属模具，而且它可以直接在极其坚硬的材料上直接制备纳米光栅。但是，离子束加工过程的损伤问题比较突出，加工要求高真空环境下进行，且成本较高，加工速度较低，加工的结构面积也很小。
光刻技术是现在许多微纳结构加工的首选工艺，也是目前最成熟的微纳加工技术。对光刻技术来说，其能达到的最小加工尺度，主要取决于光刻分辨率。但由于光学衍射极限的限制，光刻的分辨率一般只能达到几百纳米。光刻技术可控性好，成品率较高，但光刻工艺复杂(工序多达十几道)，而且在光刻过程中用到的光刻胶容易造成环境污染。
采用传统方法制备光栅结构工艺复杂、成本较高，对环境也容易造成污染。超快激光直写技术具有更高的灵活性，而且不需要昂贵的掩膜版，降低了成本及损耗。激光直写装置的进一步发展受到加工效率和精度的影响及约束，为了提高光栅加工效率和加工质量，我们需要发展一种新的直写方法，可以加工出高质量的光栅形状。
发明内容
本发明的目的在于提供一种快速、可控、高质量制备矩形结构光栅的装置和方法，该方法利用激光光束整形器和可调矩形光阑获得能量平行分布的矩形光斑，直写在材料表面，形成光栅结构。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种超快激光直写制备矩形结构光栅的装置，包括依次设置的激光器、光闸、准直器、孔径光阑、π-shaper整形器、格兰激光棱镜、反射镜、扩束系统、可调矩形光阑和聚焦系统；所述计算机控制激光器、关闸、π-shaper整形器和可调矩形光阑。
进一步的，所述激光器发出的激光光源为皮秒激光或者飞秒激光。
进一步的，所述π-shaper整形器，可将激光能量由高斯分布转为矩形分布。
进一步的，所述格兰激光棱镜，可对激光能量进行连续调节，得到任意能量的激光。
进一步的，所述扩束系统包括两个聚焦透镜和一个小孔光阑，平行光束经过两个共焦点的聚焦透镜进行扩束。
进一步的，使用可调矩形光阑将扩束后的圆形光束调整为矩形光束，并可调节光束大小。
进一步的，聚焦系统采用透镜或者显微物镜聚焦，在加工微米量级结构时，选择透镜聚焦；在加工精度要求足够高且加工能量较低时，选择显微物镜聚焦。
进一步的，计算机与精密工作台连接，控制精密工作台三维移动，通过调节X、Y轴水平运动，加工工件；调节Z轴位置，控制离焦量。
激光直写制备矩形结构光栅的方法，包括以下步骤：
步骤一：根据目标光栅的尺寸大小，选择合适面积的材料；
步骤二：通过计算机控制精密移动平台的移动，使焦点聚焦在材料表面；
步骤三：在计算机上设置激光器参数，比如：脉宽、脉冲频率、激光能量、扫描速度、离焦量等参数；
步骤四：调节可调矩形光阑尺寸大小，获得不同的光斑尺寸；
步骤五：使用CAD软件绘制光路移动轨迹，控制光栅尺寸大小以及线密度；
步骤六：让刻写光路保持畅通，点击出光，进行光栅结构的刻写；
步骤七：加工结束，关闭光闸，取出光栅成品。
本发明的技术效果是：
本发明利用π-shaper整形器和可调矩形光阑，得到尺寸可调并且能量均匀分布的矩形光斑，通过激光直写的方式在材料表面上得到光栅形状。利用矩形光斑加工时的光斑重叠率低且无需重复刻写，提高了刻写速度，实现高效率刻写光栅结构。利用能量均匀分布的光斑刻蚀出的矩形槽边的垂直度很高，保证了光栅的光学性能。
附图说明
图1是超快激光直写制备矩形结构光栅的装置结构图；
图2是扩束系统结构原理图；
图3是圆形光斑和矩形光斑对比图；
图4是一般激光直写的U形槽与本发明加工出的矩形槽对比图；
附图标记如下：
1-超快激光光源；2-光闸；3-准直器；4-孔径光阑；5-π—shaper整形器；6-格兰激光棱镜；7-反射镜；8-扩束系统；9-可调矩形光阑；10-聚焦系统；11-工件；12-精密移动平台；13-计算机。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面首先结合附图具体描述根据本发明实施例的
图1是本发明的基于超快激光直写制备矩形结构光栅的装置结构示意图，包括：超快激光光源1、光闸2、准直器3、孔径光阑4、π-shaper整形器5、格兰激光棱镜6、反射镜7、扩束系统8、可调矩形光阑9、聚焦系统10、工件11、精密移动平台12、计算机13。其中，计算机13通过光闸2、可调矩形光阑9和精密工作台12分别控制激光光路通断、光斑大小和工件11移动；超快激光光源包括皮秒激光和飞秒激光，具有脉冲时间短、峰值能量高、热影响区小、加工精度高等特点，非常适合用来加工精密结构；π-shaper整形器5，可以将激光能量由高斯分布转为矩形分布；格兰激光棱镜6，可以对激光能量进行连续调节，得到任意能量的激光；扩束系统8包括两个聚焦透镜和一个小孔光阑，平行光束经过两个共焦点的聚焦透镜进行扩束；使用可调矩形光阑9将扩束后的圆形光束调整为矩形光束，并可以调节光束大小；聚焦系统10采用透镜或者显微物镜聚焦，在加工微米量级结构时，选择透镜聚焦；在加工精度要求足够高且加工能量较低时，选择显微物镜聚焦；使用激光直写技术直接在材料表面制备光栅结构，效率高、无污染、无需掩模；计算机13与精密工作台12连接，控制精密工作台12三维移动，通过调节X、Y轴水平运动，加工工件11；调节Z轴位置，控制离焦量。
本发明中使用飞秒激光器作为激光光源，因为飞秒激光的脉宽更小，加工精度更高。通过光闸控制激光光路的通断，利用准直器获得高平行度的激光光束，使用孔径光阑滤掉激光外围的能量，激光光束经过π-shaper整形器激光由高斯分布转为矩形分布，获得激光能量均匀分布得激光光束。通过格兰激光棱镜调节激光能量，使用反射镜改变激光传输的方向。
图2是本发明中的扩束系统示意图，扩束系统包括两个焦距为20mm和60mm的聚焦透镜共焦点和一个小孔光阑，搭建成3倍扩束大小的扩束镜。经扩束后的光束直径为10mm。
在扩束系统和聚焦系统之间加入可调矩形光阑，调节聚焦前的光束尺寸，获得最终大小可控并且能量均匀分布的光斑。在激光直写光栅过程中，当需要刻写不同宽度的光栅槽，在相同的激光参数下，只需要通过软件调节可调光斑的大小，就可以达到控制槽宽的目的，方便快捷而且易于操作。
聚焦系统采用透镜或者显微物镜聚焦，在加工微米量级结构时，选择透镜聚焦；在加工精度要求足够高且加工能量较低时，选择显微物镜聚焦。
计算机控制系统包括计算机和计算机控制的精密移动平台，计算机的作用是控制激光器的开关、激光能量参数、光闸的开关、可调矩形光阑的尺寸、精密移动平台位置等。
图3是一般激光的圆形光斑加工与本发明中使用的矩形光斑加工的对比图，光斑为圆形时，在刻写速度较快的情况下，光斑不重叠的部分，材料不能被加工到，需要重复加工，影响加工质量和加工效率。本发明的矩形光斑克服了这一缺点，在保证加工效率的基础上，加工更均匀，光栅质量更好。
图4是一般激光直写的U形槽与本发明加工出的矩形槽对比图,使用高斯分布的激光直写加工光栅，难以获得垂直度很好的槽边，对光栅的性能造成一定影响。本发明通过光束整形器获得能量均匀分布的光斑，可以加工出矩形槽，保证了光栅的光学性能。
所述一种超快激光直写制备矩形结构光栅的步骤为：
步骤一：激光光源选择波长为1030nm的飞秒激光，设计光栅的参数，如周期30μm、刻槽深度20μm、刻槽宽度15μm，制备光栅面积为30mm×30mm；
步骤二：根据设计的光栅参数，选取聚焦系统，在加工微米量级结构时，选择透镜聚焦；在加工精度要求足够高且加工能量较低时，选择显微物镜聚焦。
步骤三：根据设计的光栅参数，选取合适的光斑尺寸，通过计算机软件调节可调光阑的大小，获得最终的光斑。
步骤四：选择加工材料，因为材料表面质量对光栅最终质量影响较大，选取40mm×40mm尺寸面积、粗糙度Ra小于1nm的抛光二氧化硅作为实验材料；
步骤五：将待加工二氧化硅材料放置于微米级精密加工平台上，控制计算机，调节加工平台，使材料处于激光焦点处；
步骤六：设置激光参数，激光脉冲能量180mw、脉冲频率100khz、刻写速度300mm/s；
步骤七：打开激光器和光闸，使激光依次通过光闸、准直器、孔径光阑、π-shaper整形器、格兰激光棱镜、反射镜、扩束系统、可调矩形光阑、聚焦系统，最终光斑聚焦于工件表面以300mm/s速度开始刻写；
步骤八：得到所需光栅结构。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
