白海濤

（呂梁學(xué)院物理系，山西離石 033001）

0 引言

飛秒激光具有以下特點(diǎn)：一是它在實(shí)驗(yàn)條件下能夠獲得最短脈沖，其精確度能達(dá)到±5μm；二是它的瞬時(shí)功率非常高，可達(dá)到百萬(wàn)億千瓦；三是它的聚焦區(qū)域非常小，可以聚焦到比人頭發(fā)直徑還小的區(qū)域.因此，它被廣泛地運(yùn)用于半導(dǎo)體等高密度信息儲(chǔ)存材料的加工過(guò)程中.激光系統(tǒng)與高精度的三維移動(dòng)平臺(tái)結(jié)合可直接在基體材料上刻出微米量級(jí)的圖案，或加工出高精度的立體微小圖案[1-4]，如光子晶體、二元光學(xué)器件等.在飛秒激光微加工中，直寫(xiě)加工方式因其方便靈活而占有重要地位[5]，在對(duì)光敏玻璃、石英玻璃等透明材料的加工過(guò)程中它主要運(yùn)用于制造微光學(xué)元件、光通信部件等.對(duì)透明材料進(jìn)行加工時(shí)，飛秒激光既可以對(duì)材料的表面進(jìn)行微加工，也可以對(duì)材料的內(nèi)部核心部分進(jìn)行加工.在飛秒激光直寫(xiě)加工中，直寫(xiě)加工可以分為橫向直寫(xiě)加工和縱向直寫(xiě)加工[6-8].橫向直寫(xiě)常用于線的掃描，由于焦斑光強(qiáng)分布橫向尺寸比縱向深度要小，所以激光加工區(qū)域的橫截面區(qū)域比較大.為了減小縱深比例的這種差別，可以改用聚焦透鏡孔徑數(shù)值大的物鏡，或在光束中加入其他光學(xué)元件來(lái)調(diào)整脈沖強(qiáng)度的空間分布[9].縱向直寫(xiě)加工又可以分為從材料的上表面自下向上掃描和自上向下掃描兩種方式[10]，縱向直寫(xiě)加工的特點(diǎn)是激光照射的加工區(qū)域通常為圓形，自上向下的縱向加工時(shí)，激光束受燒灼區(qū)域的作用散射較大，從而影響材料加工的質(zhì)量，而且縱向加工尺寸受平臺(tái)移動(dòng)范圍限制，圖形尺寸一般較小.

目前國(guó)內(nèi)外采用激光直寫(xiě)加工的微結(jié)構(gòu)多是規(guī)則的幾何結(jié)構(gòu)，如直線、圓、圓弧等.本文通過(guò)平臺(tái)程序輔助設(shè)計(jì)方式在非光敏材料內(nèi)部成功實(shí)現(xiàn)復(fù)雜微結(jié)構(gòu)的快速寫(xiě)入.采用飛秒激光橫向直寫(xiě)方法將AutoCAD軟件設(shè)計(jì)的蝴蝶圖形、蝴蝶位圖和毛主席照片位圖輪廓信息快速存儲(chǔ)到石英玻璃內(nèi)部.本文為飛秒激光快速直寫(xiě)復(fù)雜微結(jié)構(gòu)提供了靈活的加工手段.

1 程序設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜微結(jié)構(gòu)的快速制作，我們編制了平臺(tái)操作程序，可以識(shí)別并制作由AutoCAD軟件設(shè)計(jì)的微結(jié)構(gòu)和位圖圖像.由AutoCAD軟件設(shè)計(jì)的微結(jié)構(gòu)圖形要保存成含有圖形坐標(biāo)信息的DXF文件，所以程序設(shè)計(jì)包括DXF文件坐標(biāo)信息讀出、快門初始化、圖元間的快門自動(dòng)開(kāi)關(guān)、位圖坐標(biāo)信息讀出等部分.最后對(duì)平臺(tái)操作程序進(jìn)行整體優(yōu)化，以提高程序運(yùn)行的安全穩(wěn)定性.

完整的DXF文件由7個(gè)段組成：標(biāo)題段（HEADER）、類段（CLASSES）、表段（TABLES）、塊段（BLOCKS）、實(shí)體段（ENTITIES）、對(duì)象段（OBJECTS）、圖形預(yù)覽段（THUMBNAILIMAGE）.圖元坐標(biāo)信息全部都是存儲(chǔ)在實(shí)體段（ENTITIES）中，平臺(tái)操作程序采用逐行讀取的方式將每個(gè)圖元的坐標(biāo)信息存儲(chǔ)在數(shù)組中，然后對(duì)圖元進(jìn)行排列找到一個(gè)最佳加工路徑，目的是縮短平臺(tái)移動(dòng)距離，節(jié)省加工時(shí)間，降低平臺(tái)長(zhǎng)距離移動(dòng)造成的誤差.

通過(guò)程序自動(dòng)控制快門開(kāi)關(guān)，在微結(jié)構(gòu)加工過(guò)程中將圖形坐標(biāo)信息分單元存儲(chǔ)，在每一個(gè)單元加工開(kāi)始前打開(kāi)快門，加工結(jié)束后關(guān)閉快門.快門的準(zhǔn)確開(kāi)關(guān)是加工復(fù)雜微結(jié)構(gòu)的必要條件.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)使用再生、放大的800 nm，120 fs,重復(fù)頻率1 kHz鈦寶石激光器（Coherent-Inc）的聚焦脈沖，利用快門控制光路開(kāi)關(guān)，并通過(guò)顯微鏡系統(tǒng)聚焦到樣品內(nèi)部.平臺(tái)加工精度為100 nm，激光掃描過(guò)程通過(guò)CCD和監(jiān)視器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè).通過(guò)改變顯微鏡中聚焦物鏡的放大倍數(shù)來(lái)改變直寫(xiě)樣品內(nèi)激光作用區(qū)的功率密度.橫向?qū)懭氲木唧w光路如圖1所示.

圖1 飛秒激光直寫(xiě)實(shí)驗(yàn)裝置圖

本文使用AutoCAD設(shè)計(jì)了一個(gè)二維微結(jié)構(gòu)圖形，曲線是通過(guò)多段線形成.生成的DXF文件微結(jié)構(gòu)如圖2所示：

利用飛秒激光橫向直寫(xiě)把圖2寫(xiě)入石英玻璃（n=1.4598）表面下800μm處，如圖3所示.飛秒激光重復(fù)頻率為1 kHz，50 X、NA=0.80的聚焦透鏡，樣品的移動(dòng)速率1000 μm/s，單脈沖能量為6μJ.當(dāng)制作圖形的尺寸較大時(shí)，制作的圖形與設(shè)計(jì)圖形高度一致，邊緣清晰.如圖3所示，尺寸為400×420μm2，當(dāng)加工尺寸減小到50×50μm2時(shí)，圖形整體效果仍然保持良好.我們可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)膱D形尺寸.

對(duì)于三維圖形的快速寫(xiě)入，需要將預(yù)先設(shè)計(jì)好的圖形進(jìn)行分層，即將三維圖形的三維空間信息轉(zhuǎn)換成可以識(shí)別并逐層加工的二維平面信息，然后對(duì)三維空間的坐標(biāo)進(jìn)行識(shí)別并逐點(diǎn)寫(xiě)入.三維圖形信息分層間隔是決定三維圖形寫(xiě)入速度和圖形精細(xì)程度的重要因素.本文首先通過(guò)AutoCAD軟件設(shè)計(jì)了一個(gè)三維圖形并進(jìn)行分層，然后保存成DXF文件.通過(guò)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)的程序?qū)⑽募?dǎo)入并進(jìn)行自動(dòng)化寫(xiě)入.三維圖形寫(xiě)入透明玻璃材料的過(guò)程可以通過(guò)程序?qū)崟r(shí)顯示，如圖4所示.

圖2 微結(jié)構(gòu)圖紙

圖3

圖4 加工程序界面

通過(guò)程序界面顯示的三維圖形三視圖，可以清晰地看到整體的加工過(guò)程和加工進(jìn)度.在加工過(guò)程中通過(guò)CCD系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)視透明玻璃內(nèi)部圖形的加工質(zhì)量，并隨時(shí)對(duì)程序進(jìn)行調(diào)整.三維圖形的俯視圖如圖5（a）所示，側(cè)視圖如圖5（b）所示.該技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于各種基質(zhì)材料的物品的防偽標(biāo)識(shí)制作及貴重金屬首飾等個(gè)性化制作；應(yīng)用全息加密技術(shù)對(duì)圖像加密后存儲(chǔ)到透明介質(zhì)中，可應(yīng)用于光信息存儲(chǔ).

3 結(jié)論

本文使用飛秒激光直寫(xiě)方法，成功地在石英玻璃內(nèi)部寫(xiě)入了由AutoCAD設(shè)計(jì)的微結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)信息的快速存儲(chǔ).該技術(shù)可以自主設(shè)計(jì)各種復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)；通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的平面微結(jié)構(gòu)拍照制作成位圖后，可以對(duì)微結(jié)構(gòu)進(jìn)行高度一致性的復(fù)制，可以廣泛應(yīng)用于制作激光防偽標(biāo)識(shí)和光子器件.

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