飛秒激光直寫加工及結構信息快速存儲

白海濤

（呂梁學院物理系，山西離石 033001）

0 引言

飛秒激光具有以下特點：一是它在實驗條件下能夠獲得最短脈沖，其精確度能達到±5μm；二是它的瞬時功率非常高，可達到百萬億千瓦；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，它被廣泛地運用于半導體等高密度信息儲存材料的加工過程中.激光系統(tǒng)與高精度的三維移動平臺結合可直接在基體材料上刻出微米量級的圖案，或加工出高精度的立體微小圖案[1-4]，如光子晶體、二元光學器件等.在飛秒激光微加工中，直寫加工方式因其方便靈活而占有重要地位[5]，在對光敏玻璃、石英玻璃等透明材料的加工過程中它主要運用于制造微光學元件、光通信部件等.對透明材料進行加工時，飛秒激光既可以對材料的表面進行微加工，也可以對材料的內(nèi)部核心部分進行加工.在飛秒激光直寫加工中，直寫加工可以分為橫向直寫加工和縱向直寫加工[6-8].橫向直寫常用于線的掃描，由于焦斑光強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元件來調(diào)整脈沖強度的空間分布[9].縱向直寫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]，縱向直寫加工的特點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，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移動范圍限制，圖形尺寸一般較小.

目前國內(nèi)外采用激光直寫加工的微結構多是規(guī)則的幾何結構，如直線、圓、圓弧等.本文通過平臺程序輔助設計方式在非光敏材料內(nèi)部成功實現(xiàn)復雜微結構的快速寫入.采用飛秒激光橫向直寫方法將AutoCAD軟件設計的蝴蝶圖形、蝴蝶位圖和毛主席照片位圖輪廓信息快速存儲到石英玻璃內(nèi)部.本文為飛秒激光快速直寫復雜微結構提供了靈活的加工手段.

1 程序設計

為實現(xiàn)各種復雜微結構的快速制作，我們編制了平臺操作程序，可以識別并制作由AutoCAD軟件設計的微結構和位圖圖像.由AutoCAD軟件設計的微結構圖形要保存成含有圖形坐標信息的DXF文件，所以程序設計包括DXF文件坐標信息讀出、快門初始化、圖元間的快門自動開關、位圖坐標信息讀出等部分.最后對平臺操作程序進行整體優(yōu)化，以提高程序運行的安全穩(wěn)定性.

完整的DXF文件由7個段組成：標題段（HEADER）、類段（CLASSES）、表段（TABLES）、塊段（BLOCKS）、實體段（ENTITIES）、對象段（OBJECTS）、圖形預覽段（THUMBNAILIMAGE）.圖元坐標信息全部都是存儲在實體段（ENTITIES）中，平臺操作程序采用逐行讀取的方式將每個圖元的坐標信息存儲在數(shù)組中，然后對圖元進行排列找到一個最佳加工路徑，目的是縮短平臺移動距離，節(jié)省加工時間，降低平臺長距離移動造成的誤差.

通過程序自動控制快門開關，在微結構加工過程中將圖形坐標信息分單元存儲，在每一個單元加工開始前打開快門，加工結束后關閉快門.快門的準確開關是加工復雜微結構的必要條件.

2 實驗結果

實驗使用再生、放大的800 nm，120 fs,重復頻率1 kHz鈦寶石激光器（Coherent-Inc）的聚焦脈沖，利用快門控制光路開關，并通過顯微鏡系統(tǒng)聚焦到樣品內(nèi)部.平臺加工精度為100 nm，激光掃描過程通過CCD和監(jiān)視器進行實時監(jiān)測.通過改變顯微鏡中聚焦物鏡的放大倍數(shù)來改變直寫樣品內(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 飛秒激光直寫實驗裝置圖

本文使用AutoCAD設計了一個二維微結構圖形，曲線是通過多段線形成.生成的DXF文件微結構如圖2所示：

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

對于三維圖形的快速寫入，需要將預先設計好的圖形進行分層，即將三維圖形的三維空間信息轉(zhuǎn)換成可以識別并逐層加工的二維平面信息，然后對三維空間的坐標進行識別并逐點寫入.三維圖形信息分層間隔是決定三維圖形寫入速度和圖形精細程度的重要因素.本文首先通過AutoCAD軟件設計了一個三維圖形并進行分層，然后保存成DXF文件.通過驅(qū)動平臺的程序?qū)⑽募氩⑦M行自動化寫入.三維圖形寫入透明玻璃材料的過程可以通過程序?qū)崟r顯示，如圖4所示.

圖2 微結構圖紙

圖3

圖4 加工程序界面

通過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程和加工進度.在加工過程中通過CCD系統(tǒng)可以實時監(jiān)視透明玻璃內(nèi)部圖形的加工質(zhì)量，并隨時對程序進行調(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.該技術可以廣泛應用于各種基質(zhì)材料的物品的防偽標識制作及貴重金屬首飾等個性化制作；應用全息加密技術對圖像加密后存儲到透明介質(zhì)中，可應用于光信息存儲.

3 結論

本文使用飛秒激光直寫方法，成功地在石英玻璃內(nèi)部寫入了由AutoCAD設計的微結構，實現(xiàn)了結構信息的快速存儲.該技術可以自主設計各種復雜的微結構；通過對現(xiàn)有的平面微結構拍照制作成位圖后，可以對微結構進行高度一致性的復制，可以廣泛應用于制作激光防偽標識和光子器件.

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