飞秒激光扫描功率调控装置和方法、飞秒激光加工系统

摘要

一种飞秒激光扫描功率调控装置和方法、飞秒激光加工系统，包括：激光调制器，构造成对来自激光源的激光进行调制；脉冲宽度调制信号生成器，构造成向激光调制器提供具有占空比的脉冲宽度调制信号；和控制器，构造成与脉冲宽度调制信号生成器通信，以向所述脉冲宽度调制信号生成器提供所述占空比，其中所述占空比为当前激光扫描线速度与最大激光扫描线速度的比值。一种飞秒激光扫描功率调控方法，包括以下步骤：提供激光调制器，激光调制器构造成对来自激光源的激光进行调制；和向激光调制器提供具有占空比的脉冲宽度调制信号，所述占空比为当前激光扫描线速度与最大激光扫描线速度的比值。

说明书

技术领域

本发明的实施例属于飞秒激光微纳加工领域，具体地，涉及一种 飞秒激光扫描功率调控装置和方法、飞秒激光加工系统。

技术背景

飞秒激光由于其超快的时间特性和超高的峰值功率，使其在与物 质的相互作用中，能够快速、准确地将能量限定在特定的区域内，可 以实现极高的加工精度。其特点在于：适用材料广泛，适合难加工材 料的加工；非掩模技术，适合非平面加工；精度较高，适用于三维复 杂结构的制备。

在某些场合中，为了保证激光加工质量，需要根据激光扫描的速 度对激光的功率进行相应的调节，例如对样品进行光栅式扫描时，扫 描的起始段与结束段通常分别有一个加速与减速的过程，如果不对加 减速过程中的激光功率进行调控，则可能造成扫描端点处样品品质的 劣化；对样品进行类似光盘刻录式的回转扫描时，若以恒定线速度的 方式对主轴附近的样品进行扫描时，对主轴的转速要求过高，所以需 要通过降低线扫描速度同时降低激光曝光功率的方法来加以解决。由 于飞秒激光与材料间的相互作用为非线性作用，对材料的加工需要激 光脉冲满足材料的加工阈值，并且激光与物质的作用效果并非是激光 脉冲作用在物质上能量的简单累积。对于飞秒激光加工功率的调节， 通常采用①利用连续变化型中性滤光片衰减激光功率或者②利用连 续的模拟电压信号控制声光/电光调制器对激光进行强度调制来实现。 两种方法都整体改变了激光各个脉冲的能量，由于飞秒激光脉冲与物 质作用的非线性特性，利用上述方法不能依据扫描速度对激光功率进 行线性调控来保证一致的加工效果，这给飞秒激光微纳加工中激光的 功率调节造成了一定的困难。通过改变激光器重复频率的手段可以根 据扫描速度线性地改变激光的功率，但通过改变重复频率进行功率的 调节取值只能选择是原功率的整数倍分之一，灵活性较差。

发明内容

本发明的实施例提供一种飞秒激光加工过程中激光功率随扫描 速度线性调控的装置和方法，主要解决利用飞秒激光进行高质量的线 条直写时，激光功率随扫描速度调节困难的问题，并且改善功率调节 的灵活性。

根据本发明的实施例的一个方面，提出了一种飞秒激光扫描功率 调控装置，包括：激光调制器，构造成对来自激光源的激光进行调制； 脉冲宽度调制信号生成器，构造成向激光调制器提供具有占空比的脉 冲宽度调制信号；和控制器，构造成与脉冲宽度调制信号生成器通信， 以向所述脉冲宽度调制信号生成器提供所述占空比，其中所述占空比 为当前激光扫描线速度与最大激光扫描线速度的比值。

根据本发明的实施例的另一方面，提出了一种飞秒激光扫描功率 调控方法，包括以下步骤：提供激光调制器，激光调制器构造成对来 自激光源的激光进行调制；和向激光调制器提供具有占空比的脉冲宽 度调制信号，所述占空比为当前激光扫描线速度与最大激光扫描线速 度的比值。

根据本发明的实施例的再一方面，提出了一种飞秒激光加工系统， 包括：激光源；移动台，加工件放置在所述移动台上；和上述的激光 扫描功率调控装置。

附图说明

图1是根据本发明的一个示例性实施例的飞秒激光功率随扫描 速度线性调控装置的示意图。

图2是根据本发明的一个示例性实施例的脉冲调制信号驱动调 制器对激光脉冲选择示意图。

图3是根据本发明的一个示例性实施例的三维运动系统示意图。

图4是根据本发明的一个示例性实施例的模拟调制及脉冲宽度 调制信号分别与激光平均输出功率的关系曲线。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具 体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的底 部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发 明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。

图1是根据本发明的一个示例性实施例的飞秒激光功率随扫描 速度线性调控装置的示意图。图2是根据本发明的一个示例性实施例 的脉冲调制信号驱动调制器对激光脉冲选择示意图。

飞秒激光源1使用Spectra-Physics公司的Tsunami飞秒振荡器， 激光中心波长780nm，重复频率80MHz。

图1中对实际的运动系统及激光聚焦光路进行了简化，实例中实 际的三维运动系统如图3。如图1所示，飞秒激光器1发出的激光经 过作为单脉冲能量调节器的示例的线性渐变中性密度滤光片2衰减 后，计算机5根据当前激光对加工样品9的扫描速度计算所需的激光 曝光功率，通过向脉冲宽度调制信号生成器4发出控制改变声光调制 装置3开关占空比的指令，对经过调制装置3的激光脉冲进行选择， 经过调制选择后的激光经过准直与扩束6后由显微物镜8聚焦于样品 9对其进行加工。

如图1和3所示，加工样品9固定在X-Y-A三轴运动系统的 A轴转台的台面上，激光光束经介质高反镜701反射通过显微物镜8 聚焦在加工样品9表面。旋转轴A轴1003围绕平移轴X轴旋转，平 移轴X轴1001与平移轴Y轴1002正交。A轴实现对样品的切向回 转扫描；Y轴实现对样品的径向位置的定位；X轴实现对样品轴向高 度(即厚度)方向的定位。调节X轴平移台1001的位移，使激光经 过显微物镜能够聚焦在加工样品的表面。

本发明利用线性渐变中性密度滤光片2或者其它可调光衰减器 件作为单脉冲能量调节器，对激光所有脉冲的单脉冲能量进行整体调 控。经过其衰减后的激光功率作为加工系统以设定的以恒定最高线速 度进行扫描时的功率。通过利用不同功率的激光对材料进行试加工， 得到优化的激光功率，使激光的脉冲能量能够满足材料的加工阈值， 并且避免脉冲能量过高对加工材料造成过曝光，对扫描线条的特征尺 寸产生不利影响。

通过线性渐变中性密度滤光片2将功率调节至能够对样品进行 有效加工的较小值。此处的较小值为利用不同激光功率对样品进行试 加工，重复试验所获得的经验值。

上述加工准备工作就绪后，将待加工的衍射微光学器件结构数据 读入加工系统控制程序中，以设定的恒线速度，对样品进行回转扫描 加工。

对于旋转轴轴心附近的结构，在转台提供的最高转速ω_max(单位： rad/s)不足以实现以设定的线速度v进行扫描、即当前扫描线条的半 径小于v/ω_max时，转台以设定的最高转速ω_max进行恒角速度的扫描， 计算机计算当前扫描半径r角速度ω_max所对应的线速度r×ω_max，与 设定的恒定线扫描速度v相除，所得的比值作为当前曝光功率与恒线 速度扫描时曝光功率的比值p。

加工过程中曝光功率通过声光调制器进行调节。通过向声光调制 器输入不同占空比的脉冲宽度调制(PWM)信号调控激光平均曝光 功率，占空比值为上述计算机计算所得的比值p。

在进行激光扫描样品的过程中，计算机5根据当前线扫描速度与 不限制扫描速度时的最高线扫描速度的比值作为最终输出的脉冲数 占脉冲序列中所有脉冲数的百分比。计算机计算所得的百分比数值作 为脉冲宽度调制信号生成器输出信号的占空比，计算机5通过通信端 口向脉冲宽度调制信号生成器4发出改变占空比的指令。脉冲宽度调 制信号生成器4发出的脉冲宽度调制信号的周期为上述一个脉冲序 列的周期，脉冲宽度调制信号输入声光调制装置调控激光脉冲的选择， 改变脉冲宽度调制信号的占空比对已调制激光的平均功率进行线性 调控。

具体地，PWM信号由CPU主频为72MHz的STM32微控制器 的PWM外设(或通用定时器外设)产生，PWM外设的输入时钟设 为72MHz，PWM外设从0至899计数，从而输出的PWM信号频率 为80kHz。功率调节的分辨率被人为设定为1％，此时所得到的最小 分辨率对应了脉冲序列中的10个激光脉冲。计算机通过串口以 115200的波特率向微控制器的USART(Universal  Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter，通用同步/异步串行 接收/发送器)外设发出改变PWM占空比的指令，微控制器的USART 收到计算机发出的指令产生中断，在中断服务程序中改变PWM外设 的输出信号的占空比。PWM信号经过信号调理后输入到声光调制驱 动器，控制声光调制器对通过的激光脉冲进行选择，从而调控激光的 曝光功率。

本发明中，飞秒激光器发出的激光脉冲被设定为一系列由n个脉 冲组成的脉冲序列，脉冲序列中脉冲个数n决定着调控激光平均功率 时的精度，理论上n值越大功率的调控精度越高。实际应用中，n的 数值过高会导致采用较低激光功率扫描线条的过程中，输出的脉冲占 脉冲序列中的比例较小，输出的脉冲不足以扫描出不间断的线条。为 了保证激光扫描出高质量线条，要对n的最大数值进行限制，通常要 求脉冲个数n除以激光重复频率f所得商值与扫描线速度v的乘积不 宜高于扫描线条的最小线宽，这样能够扫描出连续不间断的线条，其 中n除以激光重复频率f所得的商值为一个脉冲序列的周期。如图2， 激光器发出的激光脉冲中n个脉冲被设定为一个脉冲序列，本实例中 n＝900。当脉冲宽度调制信号为高电平时，声光调制装置将激光脉冲 选择用于样品加工。输出的激光平均功率为未经功率调控时的平均功 率与脉冲宽度调制信号占空比之积。

本发明利用声光调制装置3对上述脉冲序列中最终曝光在加工 样品9上的脉冲进行选择。声光调制装置3由声光调制器、声光调制 驱动器及光阑组成。声光调制驱动器产生射频驱动信号驱动声光调制 器，使其内部声光晶体形成衍射光栅，光阑仅使经过声光调制器衍射 的一级衍射光通过，作为对加工样品进行加工的激光，零级光及其它 级次的衍射光被遮挡。脉冲选择的实现不仅限于如上所述的声光调制 方式，也可通过电光调制方式实现。调制器的选择要保证通过调制器 的激光功率密度不超过调制器的损伤阈值。

如图4，激光输出平均功率与脉冲宽度调制信号的占空比成线性 关系已经实验证实，而激光输出平均功率与模拟调制电压值并无这一 线性关系。

利用本飞秒激光功率线性调控的方法，转台最高转速为每分钟 300转，以20mm/s的线速度，利用数值孔径0.7的60X物镜在涂布 光刻胶的玻璃平片上扫描半径由100微米到1000微米的同心圆环， 圆环半径依次间隔100微米。经计算，半径在636.6微米内的圆环， 其应采用最高转速下依据扫描线速度线性调控激光平均功率进行扫 描，而此半径外的圆环以20mm/s的线速度以恒定的平均功率进行扫 描。显影后观察所有扫描线条能够被有效加工，并且线条粗细均匀。

因此，通过本发明实施例提供的功率调控系统，在变化扫描线速 度进行加工时，加工所得的结构线条粗细均匀，能够获得较高的加工 质量。

综上，本发明的实施例提出了一种飞秒激光扫描功率调控装置， 包括：激光调制器，构造成对来自激光源的激光进行调制；脉冲宽度 调制信号生成器，构造成向激光调制器提供具有占空比的脉冲宽度调 制信号；和控制器，构造成与脉冲宽度调制信号生成器通信，以向所 述脉冲宽度调制信号生成器提供所述占空比，其中所述占空比为当前 激光扫描线速度与最大激光扫描线速度的比值。本发明的实施例还提 出了一种飞秒激光扫描功率调控方法，包括以下步骤：提供激光调制 器，激光调制器构造成对来自激光源的激光进行调制；和向激光调制 器提供具有占空比的脉冲宽度调制信号，所述占空比为当前激光扫描 线速度与最大激光扫描线速度的比值。本发明的实施例也提出了一种 飞秒激光加工系统，包括：激光源；移动台，加工件放置在所述移动 台上；和根据上述的激光扫描功率调控装置。

根据本发明的实施例的技术方案，可以获得如下技术效果的至少 一个方面：

1.由于激光单脉冲的能量仍为原脉冲的能量，所以仍能够达到材 料加工的阈值条件，通过控制单位时间内脉冲个数而非单脉冲能量的 方式使激光的平均功率与扫描速度线性相关。直写过程中根据扫描速 度线性调控激光平均功率，使加工所得线条形貌的均一性更好。

2.通过改变脉冲宽度调制信号占空比的方式可以相对连续地改 变激光的平均功率，相对于改变激光重复频率的方式，其平均功率仅 能为最大功率的整数倍分之一，本发明可获得更高的激光功率调控灵 活性与精度。

3.声光调制器调制输出的光功率与输入的模拟调制电压不成线 性关系，而与输入的脉冲宽度调制信号的占空比成线性关系，通过调 控脉冲宽度调制信号的占空比可对激光的平均功率进行线性调控。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术 人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这 些实施例进行变化，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。