一种超快激光微纳加工界面定位装置及方法

技术领域

本发明属于超快激光微纳加工技术领域，具体涉及一种超快激光微纳加工界面定位装置及方法。

背景技术

超快激光微纳加工是将超快激光聚焦在加工材料与衬底材料的交界面处进行，使得所加工的微型结构可以依附在衬底材料上的一种激光加工方式。激光加工界面位置的确定是影响加工效率的重要因素之一,对激光加工界面的精准定位具有很强的实际应用价值。目前存在的超快激光加工界面确定方法主要有两种：一种是通过将一束超快激光自动聚焦在加工界面来实现加工界面的自动确定[中国专利：CN111390377A]，其方法是沿光轴方向调整显微物镜与待加工材料间的相对位置，并在调整过程中实时检测反射光的强度，根据反射光最强的位置来确定加工界面。上述方法使用与加工过程中相同的同一束超快激光进行自动聚焦，在界面的寻找过程中很容易对加工材料产生破坏、影响后续的加工质量，而且这种方法确定的加工界面精度不高、误差较大。另一种方法是额外增加一套光学设备，通过这套光学设备自动聚焦的方法来自动确定界面[中国专利：CN111239047A]。但这种方法成本高，光路复杂。所以在不破坏加工材料、不影响加工质量的前提下，结构简单、成本低并能准确快速的确定加工界面位置和保证加工过程的连续性显得尤为重要。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明提供一种超快激光微纳加工界面定位装置及方法，以解决上述技术问题。

本发明提供一种超快激光微纳加工界面定位装置，所述装置包括：

探测光源、光学观测仪器、观测图像采集器和处理器，所述探测光源位置固定，且所述探测光源发射的探测光束照射加工界面，形成光触点；所述观测图像采集器通过光学观测仪器采集小区域内的光触点图像；所述观测图像采集器与处理器电连接。

进一步的，所述光学观测仪器包括：

聚焦物镜、分束镜、滤波片和透镜，所述聚焦物镜在光触点正上方且正对光触点；所述分束镜在聚焦物镜正上方；所述滤波片在所述分束镜正上方；所述透镜在所述滤波片正上方。

进一步的，所述探测光源包括：

探测激光器和二向色镜，所述二向色镜在加工光束的光路上；所述探测激光器发射的探测光束经所述二向色镜反射后与所述加工光束的光路重合；所述探测激光器发射的探测光的波长与加工光束波长不同。

进一步的，所述观测图像采集器采用高速摄像头。

进一步的，所述装置还包括：

加工平台和机械运动模块，所述加工平台安装在所述机械运动模块的推动结构上；所述加工平台的台面上设有样品放置区；所述机械运动模块与处理器电连接。

本发明还提供一种超快激光微纳加工界面定位方法，所述方法包括：

从所述光触点图像提取小区域内的探测光聚焦光斑区域；

计算分析所述探测光聚焦光斑区域的光强度随着界面位置的变化关系；

根据光斑区域的实际光强度和所述变化关系，分析计算得到加工平台的实际高度；

参照所述实际高度利用机械运动模块将所述加工平台调节至目标高度。

本发明的有益效果在于，

本发明提供的超快激光微纳加工界面定位装置及方法，可以实现结构简单、成本低、界面自动确定过程与激光加工过程分离，提高界面自动确定准确性，保证加工过程连续性。因此，该加工界面自动确定装置与方法可以很好地应用于超快激光微纳加工界面的确定。

此外，本发明设计原理可靠，结构简单，具有非常广泛的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请一个实施例的超快激光微纳加工界面定位装置的结构示意图；

其中，1-探测激光器，21-加工光束，22-探测光束，23-右侧水平准直光束,24-左侧水平准直光束,25-下竖直准直光束,26-上竖直准直光束，3-二向色镜，4-分束镜，5-聚焦物镜，6-加工平台，7-加工样品，8-滤波片，9-透镜，10-相机。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”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，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

实施例1

请参考图1，本实施例提供一种超快激光微纳加工界面定位装置，包括：

探测光源、光学观测仪器、观测图像采集器和处理器，探测光源位置固定，且探测光源发射的探测光束照射加工界面，形成光触点；观测图像采集器通过光学观测仪器采集光触点图像；观测图像采集器与处理器电连接。

探测光源包括：探测激光器1和二向色镜3，所述二向色镜3在加工光束的光路上；所述激光器发射的探测光经所述二向色镜3反射后与所述加工光束的光路重合。位于光学平台上的780nm探测激光器1发射探测光束22，经过短波通二向色镜3反射后实现与加工光束21同轴同向，所述探测光束22经过所述分束镜4分束，被分为沿X轴负方向的左侧水平准直光束24和沿Z轴竖直向下的下竖直准直光束25，以及上竖直准直光束26。左侧水平准直光束24与下竖直准直光束25出射方向相互垂直。上竖直准直光束26直接被相机10采集，用于校对仪器角度。

下竖直准直光束25经过聚焦模块照射至光刻胶加工样品界面。由聚焦物镜5照射在位于加工平台6上的加工样品7中，下竖直准直光束25在加工样品7中的加工材料(光刻胶)与衬底材料(玻璃片、硅片等)交界面的光学作用(可以为反射)形成信号光。

加工平台和机械运动模块，所述加工平台安装在所述机械运动模块的推动结构上；加工平台的台面上设有样品放置区；机械运动模块与处理器电连接。机械运动模块用于通过调整加工样品高度(机械运动模块可调整加工平台高度，或调整加工平台的样品放置区高度)进而调整加工样品界面与显微物镜的相对位置。

用于观测信号光的光学观测仪器包括以下结构：

显微物镜5用于收集加工样品7反射的信号光，并使信号光到达光信号获取模块；

滤波片8用于过滤与探测光波长不同的其他信号光；

透镜9用于汇聚信号光；

相机10用于采集穿过所述滤波片8、透镜9的信号光。

与相机10电连接的处理器，处理分析相机10采集的信号光图片。

机械运动模块由处理器加工控制软件控制在预定的范围内连续调节过程中，改变了所述显微物镜与所述光刻胶加工样品界面相对位置时，光学观测仪器采集不同位置的信号光。

实施例2

本实施例提供一种超快激光微纳加工界面定位方法，包括：

处理器对信号光进行处理，只保留信号光聚焦光斑中心周围区域，根据不同位置的信号光强度进行分析(光强度分析可根据光斑大小和像素等进行分析)，通过光强度拟合(高斯拟合)得到拟合曲线，最后通过分析结果以及拟合曲线得到信号光强度的大小与位置关系。

根据信号光强度和上述分析出的光强度大小与位置关系即可确定加工样品界面的实际位置，通过实时监测实际位置，利用机械运动模块将显微物镜与光刻胶加工样品界面的相对位置调整至目标位置，实现加工界面自动确定。

尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。