飛秒激光系統(tǒng)圖像調(diào)焦裝置以及方法*

寇千慧， 劉 華*， 譚明月， 陸子鳳， 張有旋， 王雨時(shí)

0 引 言

現(xiàn)代社會(huì)科學(xué)技術(shù)朝著“微”方向發(fā)展，微型器件廣泛應(yīng)用于電子、光學(xué)、機(jī)械、生物、仿生等各個(gè)領(lǐng)域，而高精元件勢(shì)必對(duì)加工方法提出更高要求[1-5].飛秒激光加工技術(shù)因其可加工材料范圍廣、加工精度高、分辨率高、對(duì)加工環(huán)境要求低等優(yōu)點(diǎn)使其在眾多三維加工方法中脫穎而出.自從2001年Sun等[6-12]利用該技術(shù)成功制備“微納米?！敝螅瑖?guó)內(nèi)外很多相關(guān)機(jī)構(gòu)對(duì)飛秒激光加工技術(shù)展開了深入研究，并成功獲得了多種功能型微結(jié)構(gòu)器件.

飛秒激光加工技術(shù)以其獨(dú)特的逐點(diǎn)掃描方式實(shí)現(xiàn)了極高的加工精度，但因此也存在著加工效率低的問(wèn)題[13-14]，加工單個(gè)復(fù)雜微結(jié)構(gòu)器件可能需要花費(fèi)數(shù)十分鐘到幾個(gè)小時(shí)的時(shí)間.因此，加工之前準(zhǔn)確地找到焦面位置顯得尤為重要，這樣才能確保每次加工的成功率并最大程度保證所加工結(jié)構(gòu)的完整度.目前常見的調(diào)焦方式主要分3種：鏡組調(diào)焦，即加入變焦鏡組，通過(guò)調(diào)整鏡組間透鏡位置改變其間焦距，實(shí)現(xiàn)調(diào)焦；平面反射鏡調(diào)焦，光路中加入一塊反射鏡改變光路方向，并通過(guò)改變反射鏡位置進(jìn)行焦面調(diào)整；焦面調(diào)焦，通過(guò)調(diào)整焦平面位置使其與像面重合，實(shí)現(xiàn)調(diào)焦[15-19].基于實(shí)驗(yàn)室飛秒激光系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)形式，工作中采用了焦面調(diào)焦的方式，并在此基礎(chǔ)上形成了一種相對(duì)簡(jiǎn)單的、穩(wěn)定的圖像調(diào)焦方法.該方法是通過(guò)在光路中加入調(diào)焦光源和物，將激光聚焦?fàn)顟B(tài)通過(guò)成像清晰度表現(xiàn)出來(lái)，大幅簡(jiǎn)化了調(diào)焦流程.

基于課題組自主搭建的飛秒激光加工系統(tǒng)所提出的圖像調(diào)焦方法有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì).首先，光路中不再使用二向色鏡或半反半透鏡作為分光器件，而是直接在基片正上方安裝一顯微物鏡與CCD連接構(gòu)成圖像監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，避免了分光器件引起的激光能量損失.此外，加工用鏡頭放大倍率為40×，成像用顯微物鏡放大倍率為20×，兩種鏡頭結(jié)合使用，滿足加工需求的同時(shí)，擴(kuò)大成像視場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)全視場(chǎng)對(duì)準(zhǔn).調(diào)焦過(guò)程中，先通過(guò)定標(biāo)工作確定物面的位置并固定，之后每次加工前，只需微調(diào)加工物鏡位置使成像條紋清晰即可，操作簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn).

1 圖像調(diào)焦技術(shù)

1.1 飛秒激光直寫系統(tǒng)

圖1所示為飛秒激光直寫系統(tǒng)的示意圖，它主要由以下幾個(gè)部分構(gòu)成：光源系統(tǒng)(飛秒光纖激光器，中心波長(zhǎng)為780 nm，重復(fù)頻率為80 MHz)、光路傳輸系統(tǒng)、三維精密移動(dòng)系統(tǒng)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、軟件控制系統(tǒng).光源發(fā)出的激光經(jīng)擴(kuò)束后先后通過(guò)二維振鏡系統(tǒng)，以及由透鏡1和透鏡2組成的4f光學(xué)系統(tǒng)后(4f系統(tǒng)等焦距設(shè)計(jì)保證偏轉(zhuǎn)后的激光束順利進(jìn)入加工物鏡，減少截?cái)嘧饔脤?duì)激光能量的損失)，經(jīng)一反射鏡進(jìn)入高數(shù)值口徑的油浸加工物鏡1(40×，1.30 NA)，聚焦后在光刻膠SU-8中引起雙光子聚合反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)的加工.在微結(jié)構(gòu)制作過(guò)程中，水平方向由掃描振鏡控制激光聚焦點(diǎn)移動(dòng)，豎直方向由壓電平臺(tái)控制樣品上下移動(dòng)，構(gòu)成三維自由度的精密移動(dòng)系統(tǒng)，其精度為0.1 μm.顯微鏡頭2(20×，0.4 NA)與CCD相連接，構(gòu)成實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)軟件讀取三維加工數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)整個(gè)加工過(guò)程的監(jiān)控.

圖1 飛秒激光直寫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Femtosecond laser direct writing system structure diagram

1.2 圖像調(diào)焦技術(shù)基本原理

1.2.1 調(diào)焦原理及誤差分析

調(diào)焦的最終目的是將激光聚焦到基片的上表面.然而，通過(guò)反復(fù)調(diào)節(jié)激光光斑大小進(jìn)行調(diào)焦，不僅有時(shí)結(jié)果會(huì)不準(zhǔn)確，而且不易掌控，容易引入人工誤差.圖像調(diào)焦原理如圖2所示，調(diào)節(jié)激光聚焦面和調(diào)焦光路成像面一致，以圖像清晰度作為激光聚焦?fàn)顟B(tài)的等效替換判定標(biāo)準(zhǔn).通過(guò)上方鏡頭所連接的CCD進(jìn)行觀察，若能同時(shí)觀測(cè)到清晰的基片上表面(以表面雜質(zhì)、灰塵清楚為準(zhǔn))與清晰的成像條紋，說(shuō)明此時(shí)激光恰聚焦到加工基片上表面.

圖2 圖像調(diào)焦技術(shù)原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of image focusing technology

通過(guò)分析調(diào)焦過(guò)程，得出影響調(diào)焦精度的主要因素是上下兩個(gè)顯微鏡的固有焦深，鏡頭焦深的存在會(huì)導(dǎo)致調(diào)焦位置與實(shí)際焦面位置存在一定的差異.已知焦深的計(jì)算公式為[20]

(1)

其中，Δz代表焦深，比例常數(shù)k為工藝因子，一般取0.8，λ為波長(zhǎng)，NA為鏡頭數(shù)值孔徑.已知飛秒激光加工光源工作波長(zhǎng)為780 nm，現(xiàn)用調(diào)焦光源工作波長(zhǎng)為625 nm，油浸加工物鏡數(shù)值孔徑為1.3，干燥顯微物鏡數(shù)值孔徑為0.4.將以上數(shù)值代入式(1)，可計(jì)算得出兩個(gè)鏡頭的焦深分別為Δz1=±0.369 μm和Δz2=±3.9 μm.顯然加工物鏡的焦深遠(yuǎn)小于上方成像用顯微物鏡焦深，也就是說(shuō)，調(diào)焦過(guò)程中的誤差主要與Δz2有關(guān).而圖像調(diào)焦技術(shù)通過(guò)人眼判斷成像清晰度，調(diào)焦精度一般可精準(zhǔn)到焦深的1/2(±1.95 μm)范圍以內(nèi).

1.2.2 光路模擬分析

圖3(a)為由Zemax軟件模擬的飛秒激光系統(tǒng)光路圖.基于上述調(diào)焦原理，將調(diào)焦光源與物放在圖3(a)透鏡1與透鏡2組成的4f系統(tǒng)之間，構(gòu)成調(diào)焦系統(tǒng).在Zemax軟件中模擬分析此方式下的光路聚焦情況，結(jié)果如圖3(b)所示.選用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有625 nm面光源作為調(diào)焦光源，光源攜帶的物面信息經(jīng)過(guò)透鏡2和一反射鏡后，由加工鏡頭聚焦.與原飛秒激光光路相比，調(diào)焦光路可實(shí)現(xiàn)相同的物鏡后工作距離約4.45 mm.將飛秒激光系統(tǒng)與調(diào)焦系統(tǒng)的傳遞調(diào)制函數(shù)(MTF)相比較，如圖3(c)和圖3(d)所示，可見兩系統(tǒng)MTF曲線相近，說(shuō)明調(diào)焦系統(tǒng)同樣能夠達(dá)到衍射極限，實(shí)現(xiàn)良好的成像質(zhì)量.

通過(guò)上述分析，可見利用外加調(diào)焦用面光源成像反映激光聚焦?fàn)顟B(tài)是可行的.也就是說(shuō)，在實(shí)際操作中，可將調(diào)焦光源以及物放置在4f系統(tǒng)透鏡2之前，搭建調(diào)焦光路.另外，圖3(a)中，最佳成像狀態(tài)對(duì)應(yīng)物距為71.2 mm，這也為之后的實(shí)際調(diào)焦實(shí)驗(yàn)提供了理論依據(jù).

圖3 飛秒激光系統(tǒng)與調(diào)焦系統(tǒng)的光路模擬分析及MTF圖像對(duì)比圖Fig.3 Optical path simulation analysis and MTF image comparison charts of the femtosecond laser system and the focusing system

1.2.3 圖像調(diào)焦過(guò)程

圖4為基于飛秒激光直寫系統(tǒng)的圖像調(diào)焦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖.具體調(diào)焦操作流程如下：

圖4 基于飛秒激光系統(tǒng)的圖像調(diào)焦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of image focusing system based on femtosecond laser system

(1)在圖像調(diào)焦之前，首先需要調(diào)節(jié)壓電確定基片上表面，之后借助激光在記號(hào)筆所作墨跡上產(chǎn)生劃痕的方式，調(diào)節(jié)激光使其恰聚焦到基片上表面：在潔凈基片的上表面無(wú)光刻膠的位置用記號(hào)筆作一墨痕，處理完之后將基片固定到加工臺(tái)上.水平方向手動(dòng)移動(dòng)壓電平臺(tái)，使激光正對(duì)于無(wú)膠無(wú)墨跡的基片表面，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件微調(diào)壓電平臺(tái)z向位置，使CCD視野中基片上表面清晰.接下來(lái)將激光調(diào)到正對(duì)墨跡的位置，手動(dòng)平移壓電平臺(tái)一段距離使激光在墨跡里刻出劃痕，然后通過(guò)調(diào)節(jié)顯微鏡z軸改變激光聚焦位置，直到激光刻出最清晰并連續(xù)的劃痕，說(shuō)明此時(shí)飛秒激光恰好聚焦到基片上表面.

(2)確定物的位置并固定：CCD、壓電平臺(tái)、顯微鏡位置固定不動(dòng)，關(guān)閉激光光源.在4f系統(tǒng)透鏡2前放置調(diào)焦光源和物，調(diào)整好高度之后前后改變物的位置，當(dāng)CCD視野中觀察到圖2中所示的最清晰成像條紋時(shí)將物固定.此時(shí)，我們通過(guò)前后兩次操作配合，找到了飛秒激光恰好聚焦到上表面時(shí)對(duì)應(yīng)的調(diào)焦光路中物的位置.至此，定標(biāo)工作完成.

(3)后續(xù)加工：鑒于不同基片之間會(huì)存在幾微米的高度差，所以在后續(xù)的每一次加工中，固定基片將上表面調(diào)至清晰后，只需要微調(diào)顯微鏡z軸位置使條紋成像清晰后即可開始加工，具體操作流程如圖5所示.

圖5 圖像調(diào)焦技術(shù)流程圖Fig.5 Flow chart of image focusing technology

需要說(shuō)明的一點(diǎn)是，在整個(gè)圖像調(diào)焦過(guò)程中，所使用照明光源與調(diào)焦光源應(yīng)保持一致.這是易于實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)閮煞N光源并不會(huì)同時(shí)使用，依次取用即可，如此可避免引入不必要的色差.而文章中提到的調(diào)焦光源為625 nm波長(zhǎng)的紅光面光源，此光源也是可以隨意更換的.應(yīng)用其他波長(zhǎng)的光源時(shí)，只需要通過(guò)定標(biāo)工作重新找到新的物面位置即可.也就是說(shuō)，該調(diào)焦方法在保證調(diào)焦準(zhǔn)確性的同時(shí)，對(duì)設(shè)備無(wú)硬性要求，易于投入使用.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

為了探究圖像調(diào)焦方法的加工精度，設(shè)計(jì)了圖6所示的上下均為5 μm的二層基礎(chǔ)圓柱測(cè)試結(jié)構(gòu)(關(guān)于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，一層圓柱結(jié)構(gòu)足以實(shí)現(xiàn)加工高度的測(cè)試工作，二層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的在于，如果出現(xiàn)下層結(jié)構(gòu)缺失的顯著調(diào)焦誤差時(shí)，便于對(duì)失誤操作進(jìn)行總結(jié)).實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要更換不同基片進(jìn)行多次加工，并記錄每次加工的結(jié)構(gòu)高度，對(duì)底層圓柱的高度誤差進(jìn)行分析.如果平均高度誤差小于1.95 μm(1/2成像鏡頭焦深)，說(shuō)明加工所用的圖像調(diào)焦方法完全滿足正常加工系統(tǒng)調(diào)焦要求，且能實(shí)現(xiàn)較高的加工精度.

圖6 二層圓柱測(cè)試結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Two-layer cylindrical test structure diagram

數(shù)次加工結(jié)果表明，上層圓柱高度h2與設(shè)計(jì)高度相同，因此只需分析下層高度即可.表1為多次加工記錄的下層圓柱高度數(shù)據(jù)h1，為了更直觀表示7次加工中h1實(shí)際高度與設(shè)計(jì)高度之間的偏差，根據(jù)表1繪制了圖7所示的加工精度曲線圖.測(cè)試結(jié)果中，在焦面以上的結(jié)構(gòu)之所以能夠留存下來(lái)并觀測(cè)到的原因是，加工所用能量較大且嚴(yán)格控制顯影時(shí)間，使得焦面以上結(jié)構(gòu)在一定誤差范圍內(nèi)仍可留存.由圖可見，應(yīng)用圖像調(diào)焦方法重復(fù)加工的圓柱結(jié)構(gòu)，加工誤差小于1.5 μm，對(duì)比之前計(jì)算的成像物鏡焦深值，加工精度在1/2焦深以內(nèi)，完全滿足飛秒激光系統(tǒng)調(diào)焦要求.

表1 加工高度數(shù)據(jù)分析Tab.1 Processing height data analysis

圖7 圓柱結(jié)構(gòu)表面圖與底層圓柱高度誤差分析圖Fig.7 The surface map of the cylindrical structure and the analysis of the height error of the bottom cylinder

3 結(jié) 論

本文基于傳統(tǒng)焦面調(diào)焦方式，設(shè)計(jì)了一種在光路中臨時(shí)置入調(diào)焦光源和物的圖像調(diào)焦技術(shù).借助激光劃過(guò)基片表面墨痕的方式找到激光光斑聚焦位置，再以此位置為準(zhǔn)，確定調(diào)焦光路中物的對(duì)應(yīng)位置并固定，以成像狀態(tài)清晰度間接反映激光聚焦?fàn)顟B(tài).若CCD在同一位置，既能觀測(cè)到清晰的基片表面，又能觀測(cè)到清晰條紋成像，說(shuō)明調(diào)焦準(zhǔn)確.后續(xù)加工中，為了彌補(bǔ)不同基片之間的高度差，只需要微調(diào)加工物鏡z向位置使條紋清晰即可.實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，應(yīng)用此調(diào)焦方法，可將加工誤差控制在1.5 μm范圍以內(nèi)，完全滿足正常調(diào)焦要求，可實(shí)現(xiàn)高精度加工.與傳統(tǒng)的調(diào)焦方法相比，基于飛秒激光直寫系統(tǒng)的圖像調(diào)焦方式具備以下優(yōu)點(diǎn)：在基片上方通過(guò)顯微物鏡與CCD連接構(gòu)成成像監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，避免在光路中加入分光元件對(duì)激光能量造成損失；高倍率加工物鏡與低倍率成像物鏡配合使用，滿足加工要求的基礎(chǔ)上擴(kuò)大成像視場(chǎng)；調(diào)焦用光源可更換，只需在定標(biāo)工作中重新確定物面位置即可，實(shí)驗(yàn)設(shè)備選擇靈活；相比于傳統(tǒng)調(diào)焦方式，操作步驟相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器及實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求不高，易于實(shí)現(xiàn).