高速转盘式飞秒激光纳米直写装置的研制

激光纳米制造作为一种超精密制造手段，正在基础科研、工业与国防高技术领域展现广阔的应用前景，但由于加工效率与加工分辨率的矛盾，尚无满足实用化需求的专用设备，使其应用只能停留在实验室展示阶段。本项目立足于申请团队良好的先期工作基础，提出研制基于步进自转扫描这一创新方案的高速飞秒纳米直写装置。主要思想是将现有飞秒激光纳米加工的直写控制技术和DVD的光盘伺服技术有机结合，具体通过对载物盘的稳定自转控制、动作部件精密时序控制、运动误差溯源和比特环寻址纠偏等关键科学和技术问题的研究，实现高精度环式扫描条件下的大面积、高效率加工。通过上述工作，建立高速转盘式飞秒激光纳米直写装置制造的完整知识和技术体系，研制出原理样机，主要性能达到：在保证总体造型精度百纳米的情况下，将可加工器件尺寸由百微米提高到厘米量级，扫描线速度由毫米/秒提高到米/秒量级。通过以上工作为我国超精密制造设备的研制和自主创新贡献力量。

飞秒激光直写作为一种超精密制造手段，其特点在于可实现至亚波长量级的高加工精度，真三维的加工能力以及广谱的加工材料，在科研、工业及国防中展现了广阔的应用前景。针对当前飞秒激光纳米加工技术面临高精度、大面积及高效率之间的矛盾，本项目提出步进自转式飞秒激光纳米直写方案，其主要机理即是利用载物盘的高速自转和样品的径向步进相耦合，因而从根本上解决上述问题。基于上述思想，本项目对高速转盘式飞秒激光纳米直写装置进行了研制。构建的样机在满足亚微米级的加工精度前提下，能够实现厘米量级的加工尺寸以及数十mm/s的扫描速度。为了保证加工结构的一致性，系统默认采用恒定功率恒定线速度的扫描方式。针对样品回转式加工在较高的恒定线扫描速度下样品中心区域难以加工的问题，提出依据扫描半径由内至外，依次进行振镜扫描、变功率的恒角速度样品回转扫描及恒功率的恒线速度样品回转扫描的分区域扫描方案。针对飞秒激光加工多光子吸收中存在的非线性，在加工过程中难以根据扫描速度匹配加工功率以保证恒定的曝光量，提出脉冲门控曝光的功率调节方案，通过对激光脉冲进行门控选择实现激光功率的调节，从根本上补偿了多光子吸收过程的非线性。同时，对于激光曝光开关与扫描位置的同步，采用基于光电编码器脉冲计数值硬件触发的位置同步，同时通过声光调制控制曝光开关，将曝光开关的延迟控制在了微秒量级内。为了保证曲面加工过程中的激光准焦，开展了激光聚焦误差检测的研究，聚焦误差探测精度可达亚微米量级。基于上述直写装置的基础研究，开展了光学元件制备的直写装置应用研究。在折射透镜曲面上制备衍射圆光栅结构，在满足亚微米量级的精度下，加工直径达到厘米量级，具备了折衍混合光学元件制备能力。同时开展了对半导体二极管激光器光束进行整形的非对称多阶波带片以及非对阵双曲面透镜等光学元件的制备。