專利名稱：控制氣體氛圍的飛秒激光微納加工裝置及其加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及飛秒激光微納加工，特別是一種控制氣體氛圍的飛秒激光微納加工裝置及其加工方法。
背景技術(shù)：
飛秒激光以其加工精度高、熱效應(yīng)小、損傷閾值低和可以對(duì)透明材料實(shí)現(xiàn)三維微加工等優(yōu)點(diǎn)在當(dāng)代微制造領(lǐng)域中獨(dú)樹(shù)一幟，它為我們提供了一種全新的制備大規(guī)模、復(fù)雜三維微結(jié)構(gòu)的方法。飛秒激光能通過(guò)非線性吸收過(guò)程對(duì)玻璃進(jìn)行局域改性，從而具有高分辨的三維加工能力。當(dāng)前利用飛秒激光微加工主要有三種方法
(1)輔助水或其它液體的飛秒激光微加工技術(shù)；
(2)飛秒激光輻照石英玻璃后直接使用氫氟酸腐蝕(參見(jiàn)文獻(xiàn):A.Marcinkevicius, S. Juodkazis, et al.，Opt. Lett. , 2001，26(5) : 277-279·)。(3)飛秒激光輻照光敏玻璃后對(duì)樣品進(jìn)行焙燒，腐蝕，退火等后期處理(參見(jiàn)文 K Sugioka, Y. Cheng, et al. , Appl. Phys. A, 2005，81: 1-10·)。隨著黑硅結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，飛秒激光微納加工技術(shù)引入了對(duì)不透明材料的處理(參考文獻(xiàn)Tsing-Hua Her, et al. ,APPLIED PHYSICS LETTERS VOLUME 73，NUMBER 12 21 SEPTEMBER 1998)。黑硅的制造成本低廉、具有奇特的光學(xué)性能，在紅外探測(cè)器、太陽(yáng)能電池以及平板顯示器等領(lǐng)域的重要潛在應(yīng)用價(jià)值。黑硅優(yōu)異的光學(xué)性能源于表面的微納結(jié)構(gòu)的尺寸和形狀。而這些微納結(jié)構(gòu)的尺寸和形狀對(duì)加工的氣體氛圍有很強(qiáng)的依賴性，在真空以及不同氣體氛圍條件下，將得到不同的表面微納結(jié)構(gòu)。要實(shí)現(xiàn)高真空以及所需氣體氛圍，就需要一套能控制氣體氛圍的飛秒激光微納加工裝置?，F(xiàn)有的光學(xué)加工平臺(tái)無(wú)法滿足需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種控制氣體氛圍的飛秒激光微納加工裝置及其加工方法，實(shí)現(xiàn)高真空以及所需氣體氛圍下的飛秒激光微納加工。本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一種控制氣體氛圍的飛秒激光微納加工裝置，包括飛秒激光光源、計(jì)算機(jī)和位移平臺(tái)， 其特點(diǎn)在于還有固定在所述的位移平臺(tái)的真空腔體，該真空腔體的構(gòu)成包括一個(gè)不銹鋼圓筒形杯體，在該杯體的底中央為下光學(xué)窗口，在下光學(xué)窗口上固定一個(gè)可調(diào)樣品臺(tái)，在該杯體口有一固定端蓋，在該固定端蓋的中央是上光學(xué)窗口，所述杯體的兩側(cè)分別有與之相通的進(jìn)氣管和抽氣管，該進(jìn)氣管的末端設(shè)有三個(gè)法蘭，分別接電阻規(guī)、電離規(guī)和氣體微調(diào)閥門，所述的電阻規(guī)和電離規(guī)與控制電源連接，所述的氣體微調(diào)閥門與氣體瓶相連，所述的抽氣管通過(guò)法蘭與真空泵的波紋管連接，所述的真空腔體正上方架設(shè)一臺(tái)帶有CCD的顯微鏡，所述的CCD和位移平臺(tái)與所述的計(jì)算機(jī)相連。利用上述控制氣體氛圍的飛秒激光微納加工裝置進(jìn)行飛秒激光微納加工的方法， 其特征在于包括以下步驟
(1)待加工樣品安裝
3在可調(diào)樣品臺(tái)上固定待加工樣品，將CCD和位移平臺(tái)與所述的計(jì)算機(jī)連接好，啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，控制所述的位移平臺(tái)進(jìn)行三維移動(dòng)；所述的CCD對(duì)待加工的樣品進(jìn)行實(shí)時(shí)成像并輸入計(jì)算機(jī)顯示，所述的飛秒激光光源發(fā)出的飛秒激光通過(guò)一組反射鏡經(jīng)顯微物鏡聚焦后通過(guò)真空腔體的上光學(xué)窗口進(jìn)入真空腔室照射在可調(diào)樣品臺(tái)上的待加工樣品上，調(diào)整好后， 將真空腔體的真空腔室密封；
(2)氣體氛圍控制
需要真空加工環(huán)境時(shí)，將微調(diào)閥門關(guān)閉后，啟動(dòng)真空泵對(duì)真空腔體的真空腔室進(jìn)行抽真空，所述的電阻規(guī)和電離規(guī)測(cè)得的真空度在控制電源上實(shí)時(shí)顯示，二十分鐘后，待真空腔室內(nèi)的真空度達(dá)到0. 01帕斯卡后即可進(jìn)行加工；
加工需要?dú)怏w氛圍時(shí)，首先按照上述操作使真空腔室的真空度達(dá)到0.01帕斯卡，然后打開(kāi)微調(diào)閥門，所需氣體由氣體瓶進(jìn)入真空腔室，通過(guò)控制微調(diào)閥門的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)控制氣體的流量，真空腔室內(nèi)氣體壓強(qiáng)在控制電源上實(shí)時(shí)顯示，達(dá)到所需的氣壓后即可進(jìn)行加工；
(3)加工過(guò)程:
調(diào)節(jié)顯微物鏡的高度，使待加工樣品表面在CXD上成清晰的像；將飛秒激光引入真空腔室與樣品作用的同時(shí)，計(jì)算機(jī)啟動(dòng)位移平臺(tái)控制程序，位移平臺(tái)帶動(dòng)真空腔室內(nèi)的待加工樣品進(jìn)行精確的三維移動(dòng)，實(shí)施飛秒激光加工，計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控，直至加工完成。本發(fā)明的技術(shù)效果
實(shí)驗(yàn)表明，本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)高真空以及所需氣體氛圍下的飛秒激光微納加工。


下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明
圖1是本發(fā)明控制氣體氛圍的飛秒激光微納加工裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明真空腔體的俯視圖。圖3是圖2中的A-A剖面圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。先請(qǐng)參閱圖1，圖1是本發(fā)明控制氣體氛圍的飛秒激光微納加工裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可見(jiàn)，本發(fā)明控制氣體氛圍的飛秒激光微納加工裝置，包括飛秒激光光源1、計(jì)算機(jī) 3和位移平臺(tái)10，其特點(diǎn)在于還有固定在所述的位移平臺(tái)10的真空腔體4，該真空腔體4 的構(gòu)成(參見(jiàn)圖2和圖3)包括一個(gè)不銹鋼圓筒形杯體12，在該杯體的底中央為下光學(xué)窗口 16，在下光學(xué)窗口 16上固定一個(gè)可調(diào)樣品臺(tái)13，在該杯體口有一固定端蓋14，在該固定端蓋14的中央是上光學(xué)窗口 15，所述杯體的兩側(cè)分別有與之相通的進(jìn)氣管17和抽氣管18， 該進(jìn)氣管17的末端設(shè)有三個(gè)法蘭，分別接電阻規(guī)6、電離規(guī)7和氣體微調(diào)閥門8，所述的電阻規(guī)6和電離規(guī)7與控制電源5連接，所述的氣體微調(diào)閥門8與氣體瓶9相連，所述的抽氣管18通過(guò)法蘭與真空泵11的波紋管連接，所述的真空腔體4正上方架設(shè)一臺(tái)帶有(XD2的顯微鏡，所述的CXD 2和位移平臺(tái)10與所述的計(jì)算機(jī)3相連。利用所述的控制氣體氛圍的飛秒激光微納加工裝置進(jìn)行飛秒激光微納加工的方法，其特征在于包括以下步驟
(1)待加工樣品安裝
在可調(diào)樣品臺(tái)13上固定待加工樣品，將CCD2和位移平臺(tái)10與所述的計(jì)算機(jī)3連接好，啟動(dòng)計(jì)算機(jī)3，控制所述的位移平臺(tái)10進(jìn)行三維移動(dòng)；所述的CCD2對(duì)待加工的樣品進(jìn)行實(shí)時(shí)成像并輸入計(jì)算機(jī)3顯示，所述的飛秒激光光源1發(fā)出的飛秒激光通過(guò)一組反射鏡經(jīng)顯微物鏡聚焦后通過(guò)真空腔體4的上光學(xué)窗口 15進(jìn)入真空腔室照射在可調(diào)樣品臺(tái)13上的待加工樣品上，調(diào)整好后，將真空腔體4的真空腔室密封；
(2)氣體氛圍控制
需要真空加工環(huán)境時(shí)，將微調(diào)閥門8關(guān)閉后，啟動(dòng)真空泵11對(duì)真空腔體4的真空腔室進(jìn)行抽真空，所述的電阻規(guī)6和電離規(guī)7測(cè)得的真空度在控制電源上實(shí)時(shí)顯示，二十分鐘后，待真空腔室內(nèi)的真空度達(dá)到0. 01帕斯卡后即可進(jìn)行加工；
加工需要?dú)怏w氛圍時(shí)，首先按照上述操作使真空腔室的真空度達(dá)到0. 01帕斯卡，然后打開(kāi)微調(diào)閥門8，所需氣體由氣體瓶9進(jìn)入真空腔室，通過(guò)控制微調(diào)閥門的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)控制氣體的流量，真空腔室內(nèi)氣體壓強(qiáng)在控制電源上實(shí)時(shí)顯示，達(dá)到所需的氣壓后即可進(jìn)行加工；
(3)加工過(guò)程:
調(diào)節(jié)顯微物鏡的高度，使待加工樣品表面在(XD2上成清晰的像；將飛秒激光引入真空腔室與樣品作用的同時(shí)，計(jì)算機(jī)3啟動(dòng)位移平臺(tái)控制程序，位移平臺(tái)帶動(dòng)真空腔室內(nèi)的待加工樣品進(jìn)行精確的三維移動(dòng)，實(shí)施飛秒激光加工，計(jì)算機(jī)3實(shí)時(shí)監(jiān)控，直至加工完成。
在圖3所示實(shí)施例中，下光學(xué)窗口 16與不銹鋼腔體12的下表面通過(guò)膠合連接，不銹鋼腔體12下表面所開(kāi)的不同孔徑的圓孔保證下光學(xué)窗口 16的位置固定以及腔體密封。 上光學(xué)窗口 15與上窗口固定端蓋14也是通過(guò)膠合連接。上窗口固定端蓋14與不銹鋼腔體12通過(guò)螺釘連接固定?？烧{(diào)樣品臺(tái)13中間是螺紋連接構(gòu)造，可連續(xù)調(diào)節(jié)樣品平臺(tái)的高度。可調(diào)樣品平臺(tái)13中間螺紋立柱采用不銹鋼材料，其上部圓形小平臺(tái)采用玻璃材料。中間螺紋立柱與上下玻璃材料均采用膠合連接。當(dāng)整套裝置組合完畢，進(jìn)行抽真空操作，經(jīng)過(guò)二十分鐘，該真空腔的真空度達(dá)到0. 01帕斯卡量級(jí)，符合設(shè)計(jì)要求。通過(guò)控制微調(diào)閥門8， 可以選擇需要充入的氣體，從而實(shí)現(xiàn)不同氣體氛圍的飛秒激光微納加工。
權(quán)利要求
1.一種控制氣體氛圍的飛秒激光微納加工裝置，包括飛秒激光光源(1)、計(jì)算機(jī)(3)和位移平臺(tái)(10)，其特征在于還有固定在所述的位移平臺(tái)(10)的真空腔體(4)，該真空腔體 (4)的構(gòu)成包括一個(gè)不銹鋼圓筒形杯體(12)，在該杯體的底中央為下光學(xué)窗口(16)，在下光學(xué)窗口(16)上固定一個(gè)可調(diào)樣品臺(tái)(13)，在該杯體口有一固定端蓋(14)，在該固定端蓋 (14)的中央是上光學(xué)窗口( 15)，所述杯體的兩側(cè)分別有與之相通的進(jìn)氣管(17)和抽氣管 (18)，該進(jìn)氣管(17)的末端設(shè)有三個(gè)法蘭，分別接電阻規(guī)(6)、電離規(guī)(7)和氣體微調(diào)閥門 (8)，所述的電阻規(guī)(6)和電離規(guī)(7)與控制電源(5)連接，所述的氣體微調(diào)閥門(8)與氣體瓶(9)相連，所述的抽氣管(18)通過(guò)法蘭與真空泵(11)的波紋管連接，所述的真空腔體(4) 正上方架設(shè)一臺(tái)帶有CXD (2)的顯微鏡，所述的CCD (2)和位移平臺(tái)(10)與所述的計(jì)算機(jī) (3)相連。
2.利用權(quán)利要求1所述的控制氣體氛圍的飛秒激光微納加工裝置進(jìn)行飛秒激光微納加工的方法，其特征在于包括以下步驟(1)待加工樣品安裝在可調(diào)樣品臺(tái)(13)上固定待加工樣品，將CXD (2)和位移平臺(tái)(10)與所述的計(jì)算機(jī) (3)連接好，啟動(dòng)計(jì)算機(jī)(3)，控制所述的位移平臺(tái)(10)進(jìn)行三維移動(dòng)；所述的CXD (2)對(duì)待加工的樣品進(jìn)行實(shí)時(shí)成像并輸入計(jì)算機(jī)(3)顯示，所述的飛秒激光光源(1)發(fā)出的飛秒激光通過(guò)一組反射鏡經(jīng)顯微物鏡聚焦后通過(guò)真空腔體(4)的上光學(xué)窗口(15)進(jìn)入真空腔室照射在可調(diào)樣品臺(tái)(13)上的待加工樣品上，調(diào)整好后，將真空腔體(4)的真空腔室密封；(2)氣體氛圍控制需要真空加工環(huán)境時(shí)，將微調(diào)閥門(8)關(guān)閉后，啟動(dòng)真空泵(11)對(duì)真空腔體(4)的真空腔室進(jìn)行抽真空，所述的電阻規(guī)(6)和電離規(guī)(7)測(cè)得的真空度在控制電源上實(shí)時(shí)顯示， 二十分鐘后，待真空腔室內(nèi)的真空度達(dá)到0. 01帕斯卡后即可進(jìn)行加工；加工需要?dú)怏w氛圍時(shí)，首先按照上述操作使真空腔室的真空度達(dá)到0. 01帕斯卡，然后打開(kāi)微調(diào)閥門(8)，所需氣體由氣體瓶(9)進(jìn)入真空腔室，通過(guò)控制微調(diào)閥門的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)控制氣體的流量，真空腔室內(nèi)氣體壓強(qiáng)在控制電源上實(shí)時(shí)顯示，達(dá)到所需的氣壓后即可進(jìn)行加工；(3)加工過(guò)程:調(diào)節(jié)顯微物鏡的高度，使待加工樣品表面在CCD (2)上成清晰的像；將飛秒激光引入真空腔室與樣品作用的同時(shí)，計(jì)算機(jī)(3)啟動(dòng)位移平臺(tái)控制程序，位移平臺(tái)帶動(dòng)真空腔室內(nèi)的待加工樣品進(jìn)行精確的三維移動(dòng)，實(shí)施飛秒激光加工，計(jì)算機(jī)(3)實(shí)時(shí)監(jiān)控，直至加工完成。
全文摘要
一種控制氣體氛圍的飛秒激光微納加工裝置及其加工方法，包括真空腔體、可編程位移平臺(tái)、CCD、顯微鏡、電離規(guī)、電阻規(guī)、控制電源、微調(diào)閥門、真空泵、飛秒激光、可編程控制位移平臺(tái)和CCD的計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)。真空腔體、微調(diào)閥門和真空泵可進(jìn)行抽真空與選擇性引入氣體操作，飛秒激光經(jīng)顯微物鏡聚焦后通過(guò)光學(xué)窗口進(jìn)入真空腔室與樣品作用，真空腔室內(nèi)的樣品由計(jì)算機(jī)控制位移平臺(tái)帶動(dòng)進(jìn)行三維移動(dòng)。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)真空條件或一定氣體氛圍下的飛秒激光微納加工。
文檔編號(hào)B23K26/12GK102284790SQ201110188918
公開(kāi)日2011年12月21日 申請(qǐng)日期2011年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月7日
發(fā)明者崔乾楠, 廖洋, 程亞 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所