一种减小激光聚焦光斑尺寸的方法及装置

摘要

本发明公开了一种减小激光聚焦光斑尺寸的方法及装置，方法包括：对入射激光束进行分光操作，使得入射激光束发生空间色散并形成具有同心圆结构的色散光束，且色散光束中不同波长的光分布在不同半径的圆环上；将色散光束转换为平行的环形光束；将环形光束转换为径向偏振光束；对径向偏振光束进行聚焦，得到用于激光加工的聚焦光斑；装置包括：分光单元、第一透镜、径向偏振单元以及第二透镜。本发明能够同时从横向和纵向两个维度有效减小激光聚焦光斑的尺寸，从而有效提高激光加工的精度。

说明书

技术领域

本发明属于激光材料加工领域，更具体地，涉及一种减小激光聚焦光斑尺寸的方法及装置。

背景技术

近年来，利用飞秒激光在透明材料中进行三维加工已经发展成激光材料加工技术领域中的一个重要的分支。该方法不仅能加工各种光学器件，例如光波导、偏振光学元件等，还可用于制造微流体系统和光流控系统等。激光与透明材料的相互作用与材料对光子的非线性吸收特性有关，激光对材料的作用区域与焦点处光强分布有关，激光聚焦光斑的尺寸越小，其加工精度则越高。因此，为了提高加工精度，需要减小聚焦光斑的尺寸。

激光聚焦光斑的尺寸包括横向和纵向两个维度。时空聚焦(SSTF)方法可以减小激光聚焦光斑的纵向长度，因此常用于提高激光加工的纵向分辨率。径向偏振光束由于其独特的聚焦特性，在激光材料加工领域也受到越来越多的关注。当用高数值孔径(NA)的物镜对径向偏振光进行聚焦时，可在焦点附近得到一个很强的纵向偏振光场分量，该方法可以减小聚焦光斑的横向尺寸，但是，用径向偏振光束聚焦得到的光斑纵向长度较长，并不适用于块状材料的加工。上述两种方法均可在一定程度上减小激光聚焦光斑的尺寸，但效果都十分有限，并不能很好的满足激光加工的精度要求。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种减小激光聚焦光斑尺寸的方法及装置，其目的在于，同时从横向和纵向两个维度有效减小激光聚焦光斑的尺寸，从而有效提高激光加工的精度。

为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种减小激光聚焦光斑尺寸的方法，包括如下步骤：

(1)对入射激光束进行分光操作，使得入射激光束发生空间色散并形成具有同心圆结构的色散光束，且色散光束中不同波长的光分布在不同半径的圆环上；

(2)将色散光束转换为平行的环形光束；

(3)将环形光束转换为径向偏振光束；

(4)对径向偏振光束进行聚焦，得到用于激光加工的聚焦光斑。

本发明所提供的减小激光聚焦光斑尺寸的方法，能够同时从横向和纵向两个维度有效减小聚焦光斑的尺寸：通过对入射激光束进行分光操作，使得光束在进入物镜前，不同的光谱分量在空间发生分离，即空间啁啾；由于不同的光谱分量只有在焦点附近才产生重叠，即发生时域聚焦，所以在焦点处可以得到最短的脉冲长度和最大的峰值光强；因此，该方法能够有效减小聚焦光斑的纵向长度；将光束转换为径向偏振光束后，对其进行聚焦时，可以在焦点附近得到一个很强的纵向电场分量，同时聚焦光斑的横向尺寸减小，因此，该方法能够有效减少聚焦光斑的横向长度。

按照本发明的第二方面，提供了一种减小激光聚焦光斑尺寸的装置，沿入射激光束的光路方向依次包括：分光单元、第一透镜、径向偏振单元以及第二透镜；

分光单元用于对入射激光束进行分光操作，使得入射激光束发生空间色散并形成具有同心圆结构的色散光束，且色散光束中不同波长的光分布在不同半径的圆环上；

第一透镜用于将色散光束转换为平行的环形光束；

径向偏振单元用于将环形光束转换为径向偏振光束；

第二透镜用于对径向偏振光束进行聚焦，得到用于激光加工的聚焦光斑。

进一步地，分光单元为圆形光栅。

进一步地，第一透镜为锥透镜。

进一步地，当入射激光束为线偏振光时，径向偏振单元包括多个半波片，且半波片的快轴方向随空间变化。

进一步地，当入射激光束为圆偏振光时，径向偏振单元包括多个四分之一波片，且四分之一波片的快轴方向随空间变化。

进一步地，第二透镜为数值孔径高于预设的数值孔径阈值的物镜；数值孔径阈值依据激光加工的精度要求设定。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

本发明所提供的减小激光聚焦光斑尺寸的方法，先对入射激光束进行分光操作，然后将光束转换为平行光束，接着将光束转换为径向偏振光束，最后对光束进行聚焦形成用于激光加工的聚焦光斑。一方面，由于在聚焦前对入射激光束进行分光操作，使得聚焦光斑的纵向长度由于时空聚焦而减小；另一方面，将光束转换为径向偏振光束后再对光束进行聚焦，能够使得聚焦光斑的横向程度减小。因此，本发明所提供的减小激光聚焦光斑尺寸的方法，能够从横向和纵向两个维度有效减小激光聚焦光斑的尺寸。

附图说明

图1为本发明实施例提供的减小激光聚焦光斑尺寸的装置示意图；

图2为本发明实施例提供的径向偏振单元示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明所提供的减小激光聚焦光斑的装置，如图1所示，沿入射激光束的光路方向依次包括：分光单元、第一透镜、径向偏振单元以及第二透镜；

分光单元用于对入射激光束进行分光操作，使得入射激光束发生空间色散并形成具有同心圆结构的色散光束，且色散光束中不同波长的光分布在不同半径的圆环上；在本实施例中，分光单元为圆形光栅，圆形光栅由一系列的同心圆结构组成，当圆形光束入射到圆形光栅上时，光束会发生空间色散，其中，不同波长的光分量以不同的角度折射，在圆形光束的出射光束截面上，不同波长的光分布在不同半径的圆环上；

第一透镜用于将色散光束转换为平行的环形光束；在本实施例中，第一透镜为锥透镜，由于色散光束为发散光束，经过锥透镜后，会转换为平行的光束；

径向偏振单元用于将环形光束转换为径向偏振光束；在本实施例中，入射激光束为线偏振光，径向偏振单元的结构如图2所示，其中包括多个半波片，且半波片的快轴方向随空间变化；当光束通过该径向偏振单元时，不同位置的光束经不同快轴方向的半波片的作用，偏振方向会发生一定角度的旋转，从而该径向偏振单元的出射光束转换为径向偏振光束；

第二透镜用于对径向偏振光束进行聚焦，得到用于激光加工的聚焦光斑；在本实施例中，第二透镜为数值孔径高于预设的数值孔径阈值的物镜，数值孔径阈值依据激光加工的精度要求设定。

在本发明的另一个实施例中，入射激光束为圆偏振光，装置中，径向偏振单元包括多个四分之一波片，且四分之一波片的快轴方向随空间变化；当光束通过该径向偏振单元时，不同位置的光束经不同快轴方向的半波片的作用，偏振方向会发生一定角度的旋转，从而该径向偏振单元的出射光束转换为径向偏振光束。

图1所示的装置可用于实施本发明所提供的减小激光聚焦光斑尺寸的方法。在图1所示的装置中，本发明所提供的减小激光聚焦光斑尺寸的方法，包括如下步骤：

(1)利用分光单元，对入射激光束进行分光操作，使得入射激光束发生空间色散并形成具有同心圆结构的色散光束，且色散光束中不同波长的光分布在不同半径的圆环上；

(2)利用第一透镜，将色散光束转换为平行的环形光束；

(3)利用径向偏振单元，将环形光束转换为径向偏振光束；

(4)利用第二透镜，对径向偏振光束进行聚焦，得到用于激光加工的聚焦光斑。

以上方法，能够同时从横向和纵向两个维度有效减小聚焦光斑的尺寸：通过对入射激光束进行分光操作，使得光束在进入物镜前，不同的光谱分量在空间发生分离，及空间啁啾；由于不同的光谱分量只有在焦点附近才产生重叠，即发生时域聚焦，所以在焦点处可以得到最短的脉冲长度和最大的峰值光强；因此，该方法能够有效减小聚焦光斑的纵向长度；将光束转换为径向偏振光束后，对其进行聚焦时，可以在焦点附近得到一个很像的纵向电场分量，同时聚焦光斑的横向尺寸减小，因此，该方法能够有效减少聚焦光斑的横向长度。

实验结果表明，采用相同数值孔径的物镜进行聚焦时，通过图1所示的装置获得的聚焦光斑的尺寸明显小于通过其他现有的装置所获得的聚焦光斑，因此，本发明能够有效减小聚焦光斑的尺寸，从而有效提高激光加工的加工精度。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。