基于光学调制的飞秒激光加工技术研究

论文摘要

飞秒激光凭借其超短脉冲宽度、超高峰值功率等优点,在微纳制造领域具有广泛的应用。传统的双光子聚合加工技术是通过单点扫描实现,它具有加工精度高、加工过程便于控制等优势,但受限于其加工效率低这一缺点,在大面积、大尺度的相关应用中难以得到推广。计算全息技术通过对激光波前相位调制,可以实现任意光场分布,并用于二维图形化结构的加工。这种加工技术可以有效提高加工效率,但一般只适用于二维平面加工。为了解决传统加工技术效率低下和全息加工的二维局限性问题,本文提出时空调制技术,引入数字微透镜阵列与光栅,在保证加工精度的同时,也提高了加工效率。本文首先介绍了传统的飞秒激光单点扫描加工技术,利用飞秒激光对玻璃改性,提高氢氟酸对其腐蚀效率。基于此方法,制造出了可调谐的微透镜器件,并且分析了相关的调制参数与调制效果。基于计算傅里叶全息算法,提出一种基于硅基液晶空间光调制器动态加载计算全息图同时控制焦点位置和能量的新型加工方法。利用这一加工方法,成功实现各种可控环状结构的加工,并在光学显微镜下测试达到相应效果,证明这种加工方法在飞秒激光微纳加工领域具有可行性。最后,本文详细介绍了飞秒激光时空调制技术。利用数字微透镜阵列,可以实现任意二维图形化的调制;利用光栅的色散作用,可以将光谱在空间中分开,实现脉冲的展宽;将准直后的激光通过物镜聚焦,在后焦面上光谱重合,脉冲宽度重新被压缩。物镜聚焦使得激光的空间能量密度在物镜后焦面达到最大;后焦面上光谱的重合使得在此位置脉冲宽度达到最小,使得激光能量密度在时域上达到最大,从而使得在物镜后焦面的双光子激发效率达到最高,而离焦后迅速降低。利用此技术可以实现图形加工,并且探究了该技术在单点、单层加工的分辨率的优越性。

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第1章绪论

1.1 飞秒激光加工技术

1.1.1 双光子聚合加工原理

1.1.2 双光子聚合加工材料

1.2 飞秒激光微纳米加工方法与应用

1.2.1 激光单点扫描加工技术

1.2.2 基于数字微镜器件的调制与加工技术

1.2.3 基于相位型调制器的调制与加工技术

1.3 课题的研究意义与本文的主要内容

第2章飞秒激光辅助制备可调谐微透镜阵列芯片

2.1 可调谐微透镜研究背景

2.2 飞秒激光辅助刻蚀制备集成微透镜芯片

2.2.1 开放通道玻璃微透镜的优化设计与制作

2.2.2 闭合通道玻璃微透镜的制造与折射率调谐原理

2.2.3 实验相关的设备与操作说明

2.3 光流控微透镜光学特性的连续与可逆调谐

2.4 本章小结

第3章基于LCoS空间光调制器的双光子聚合加工技术

3.1 LCoS空间光调制器简介

3.2 计算全息原理

3.3 计算全息调制中的解析法与数值法

3.3.1 特殊光场的调制及其在双光子聚合加工中的应用

3.3.2 任意光场的调制及其在双光子聚合加工中的应用

3.4 基于LCoS的能量可控飞秒激光全息加工

3.4.1 加工系统与基本原理

3.4.2 相关实验过程与结果

3.4.3 实验结果分析与讨论

3.5 本章小结

第4章基于时空调制的飞秒激光加工技术

4.1 时空调制技术的原理

4.2 时空调制技术的研究现状

4.3 时空调制实验系统搭建

4.3.1 光学加工系统相关元器件

4.3.2 程序控制与相关软件的编写

4.4 时空调制在双光子聚合技术中的应用

4.5 本章小结

第5章总结与展望

5.1 本文工作的主要成果与总结

5.2 本文研究工作的主要创新点

5.3 本文工作的展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 饶生龙

导师: 胡衍雷

关键词: 飞秒激光,双光子聚合,空间光调制器,计算全息,时空调制,微纳制造

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 中国科学技术大学

分类号: TN249

总页数: 66

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