飞秒激光直写加工及结构信息快速存储

白海涛

（吕梁学院物理系，山西离石 033001）

0 引言

飞秒激光具有以下特点：一是它在实验条件下能够获得最短脉冲，其精确度能达到±5μm；二是它的瞬时功率非常高，可达到百万亿千瓦；三是它的聚焦区域非常小，可以聚焦到比人头发直径还小的区域.因此，它被广泛地运用于半导体等高密度信息储存材料的加工过程中.激光系统与高精度的三维移动平台结合可直接在基体材料上刻出微米量级的图案，或加工出高精度的立体微小图案[1-4]，如光子晶体、二元光学器件等.在飞秒激光微加工中，直写加工方式因其方便灵活而占有重要地位[5]，在对光敏玻璃、石英玻璃等透明材料的加工过程中它主要运用于制造微光学元件、光通信部件等.对透明材料进行加工时，飞秒激光既可以对材料的表面进行微加工，也可以对材料的内部核心部分进行加工.在飞秒激光直写加工中，直写加工可以分为横向直写加工和纵向直写加工[6-8].横向直写常用于线的扫描，由于焦斑光强分布横向尺寸比纵向深度要小，所以激光加工区域的横截面区域比较大.为了减小纵深比例的这种差别，可以改用聚焦透镜孔径数值大的物镜，或在光束中加入其他光学元件来调整脉冲强度的空间分布[9].纵向直写加工又可以分为从材料的上表面自下向上扫描和自上向下扫描两种方式[10]，纵向直写加工的特点是激光照射的加工区域通常为圆形，自上向下的纵向加工时，激光束受烧灼区域的作用散射较大，从而影响材料加工的质量，而且纵向加工尺寸受平台移动范围限制，图形尺寸一般较小.

目前国内外采用激光直写加工的微结构多是规则的几何结构，如直线、圆、圆弧等.本文通过平台程序辅助设计方式在非光敏材料内部成功实现复杂微结构的快速写入.采用飞秒激光横向直写方法将AutoCAD软件设计的蝴蝶图形、蝴蝶位图和毛主席照片位图轮廓信息快速存储到石英玻璃内部.本文为飞秒激光快速直写复杂微结构提供了灵活的加工手段.

1 程序设计

为实现各种复杂微结构的快速制作，我们编制了平台操作程序，可以识别并制作由AutoCAD软件设计的微结构和位图图像.由AutoCAD软件设计的微结构图形要保存成含有图形坐标信息的DXF文件，所以程序设计包括DXF文件坐标信息读出、快门初始化、图元间的快门自动开关、位图坐标信息读出等部分.最后对平台操作程序进行整体优化，以提高程序运行的安全稳定性.

完整的DXF文件由7个段组成：标题段（HEADER）、类段（CLASSES）、表段（TABLES）、块段（BLOCKS）、实体段（ENTITIES）、对象段（OBJECTS）、图形预览段（THUMBNAILIMAGE）.图元坐标信息全部都是存储在实体段（ENTITIES）中，平台操作程序采用逐行读取的方式将每个图元的坐标信息存储在数组中，然后对图元进行排列找到一个最佳加工路径，目的是缩短平台移动距离，节省加工时间，降低平台长距离移动造成的误差.

通过程序自动控制快门开关，在微结构加工过程中将图形坐标信息分单元存储，在每一个单元加工开始前打开快门，加工结束后关闭快门.快门的准确开关是加工复杂微结构的必要条件.

2 实验结果

实验使用再生、放大的800 nm，120 fs,重复频率1 kHz钛宝石激光器（Coherent-Inc）的聚焦脉冲，利用快门控制光路开关，并通过显微镜系统聚焦到样品内部.平台加工精度为100 nm，激光扫描过程通过CCD和监视器进行实时监测.通过改变显微镜中聚焦物镜的放大倍数来改变直写样品内激光作用区的功率密度.横向写入的具体光路如图1所示.

图1 飞秒激光直写实验装置图

本文使用AutoCAD设计了一个二维微结构图形，曲线是通过多段线形成.生成的DXF文件微结构如图2所示：

利用飞秒激光横向直写把图2写入石英玻璃（n=1.4598）表面下800μm处，如图3所示.飞秒激光重复频率为1 kHz，50 X、NA=0.80的聚焦透镜，样品的移动速率1000 μm/s，单脉冲能量为6μJ.当制作图形的尺寸较大时，制作的图形与设计图形高度一致，边缘清晰.如图3所示，尺寸为400×420μm2，当加工尺寸减小到50×50μm2时，图形整体效果仍然保持良好.我们可以根据需要设计适当的图形尺寸.

对于三维图形的快速写入，需要将预先设计好的图形进行分层，即将三维图形的三维空间信息转换成可以识别并逐层加工的二维平面信息，然后对三维空间的坐标进行识别并逐点写入.三维图形信息分层间隔是决定三维图形写入速度和图形精细程度的重要因素.本文首先通过AutoCAD软件设计了一个三维图形并进行分层，然后保存成DXF文件.通过驱动平台的程序将文件导入并进行自动化写入.三维图形写入透明玻璃材料的过程可以通过程序实时显示，如图4所示.

图2 微结构图纸

图3

图4 加工程序界面

通过程序界面显示的三维图形三视图，可以清晰地看到整体的加工过程和加工进度.在加工过程中通过CCD系统可以实时监视透明玻璃内部图形的加工质量，并随时对程序进行调整.三维图形的俯视图如图5（a）所示，侧视图如图5（b）所示.该技术可以广泛应用于各种基质材料的物品的防伪标识制作及贵重金属首饰等个性化制作；应用全息加密技术对图像加密后存储到透明介质中，可应用于光信息存储.

3 结论

本文使用飞秒激光直写方法，成功地在石英玻璃内部写入了由AutoCAD设计的微结构，实现了结构信息的快速存储.该技术可以自主设计各种复杂的微结构；通过对现有的平面微结构拍照制作成位图后，可以对微结构进行高度一致性的复制，可以广泛应用于制作激光防伪标识和光子器件.

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