專利名稱：激光燒蝕的制作方法
技術領域：
本發明涉及利用超短激光脈沖的激光燒蝕。它可應用于金屬，絕緣體和半導體中(顯微機械加工)和生物組織中(激光治療)微小結構的激光燒蝕。
背景技術：
利用激光的材料去除在機械加工和醫療的各種應用中已變得非常重要。如在國際專利申請WO99/67048中所討論的，聚焦到表面上的超短激光脈沖能夠以非常低的能量去除材料，并對燒蝕區的周圍區域產生非常小的熱效應。這對于燒蝕的應用有重要的啟示。例如，可以允許燒蝕非常小的結構，進行顯微機械加工，和加工非常細微的物體。
激光燒蝕對于使用的激光強度有很強的非線性關系。在US專利號5656186中，這種特征已用于設計這樣一種方法，用于產生小于激光光斑尺寸的結構。根據這個專利，可以知道從等離子體靶收集輻射，并把這個輻射強度與燒蝕材料總量相關連。然而，利用這種方法沒有得到關于燒蝕區深度的信息。
在德國專利公報DE19736110中強調指出，利用成像到樣本上的衍射光路，可以消除激光聚焦到樣本前方的多余效應。
在國際專利申請W09955487中，指出激光偏振方向相對于切割方向的重要性。類似地，在德國專利公報DE19744368中所討論的，旋轉激光偏振方向或應用圓偏振光可以消除利用線偏振光場進行激光燒蝕所引起的多余幾何效應。
超短脈沖激光燒蝕應用的另一個潛在重要應用領域是激光治療，其中降低的熱沉積使多余的生物效應減至最小，這在US專利號5720894中有詳細的描述。
在利用超短激光脈沖的機械加工中，高的橫向分辨率是降低熱沉積的結果，它使周圍區域的熔融減至最小。此外，縱向(深度)分辨率也可以很高，因為在激光脈沖期間實際上沒有熱擴散，全部光在薄表面層(皮膚深度)中被吸收。在各種科學出版物中已展示這種高準確度，因此，制造三維結構是切實可行的。
激光機械加工結構的上述研究已經從掃描電子顯微鏡的高分辨率顯微術應用到成像產生的結構。雖然這對于描述結構特征是極其有價值的判斷，但它不是一種適用于飛擊式(即，機械加工期間)特征的方法。然而，能夠在燒蝕過程中檢索幾何信息是非常需要的，因為這可以使各種非常精細的控制步驟是基于反饋回路。
在US專利申請號5744780中，從激光機械加工樣本上反射的長激光脈沖用于檢查工件上材料去除的進展。
利用超短激光脈沖的激光測距是一種成熟的技術，在有關超短激光脈沖的教科書中有詳細的描述，例如，見Diels and RudolphUltrashort laser pulse phenomena(Academic Press 1996)。利用各種光閘技術可以得到所需的時間分辨率。光學Kerr效應可用于選取特定的飛行時間和給定的距離。在US專利號5585913和5489984中描述基于二次諧波發生的距離測定。利用合適的光學裝置，可以在特定距離處得到二維圖像，例如，見Yan et al.，Applied Optics 31，6869(1992)。在US專利號5710429和此處引用的參考文件中，研究這種技術是作為通過高散射媒體完成成像的手段。
上述的成像技術可以分成兩大類。或者，距離被抽樣成單個光斑，然后在一些應用中可以在樣本上可以進行掃描。或者，在單次拍攝中獲得給定距離處的全二維圖像。在這兩種情況下，必須掃描距離與坐標(深度)之間關系以得到三維信息。
按照以上現有技術的描述，我們知道可以在各種環境下利用激光燒蝕，還知道利用激光輻射測量樣本上的深度分布。然而，激光燒蝕與深度分布測量的結合是不知道的。
所以，我們希望知道一種在激光燒蝕期間可以獲得深度信息的方法。此外，我們還希望利用激光燒蝕期間的相同光脈沖可以獲得結構深度和空間信息，特別是，這種信息是由引起燒蝕的相同激光脈沖提供的，因為得到深度和/或空間信息并不耗費時間，因此也不影響燒蝕速率。本發明的目的是提供這樣一種方法和系統。
發明內容
利用按照權利要求1的方法實現本發明的目的。
本發明利用激光燒蝕過程中反向散射光的時間和空間性質提供關于形成幾何結構的信息。
通過高分辨率測定超短激光脈沖入射到樣本上的飛行時間以得到深度信息。反向散射光的持續時間可以遠遠大于入射激光脈沖的持續時間，但其中一部分光采取到達樣本和返回的最短可能軌跡。利用與脈沖持續時間相當的時間分辨率的選通檢測，可以選取這個(沖擊)部分的光，從而在目前的幾何結構中提取與樣本的準確距離。距離測量中的分辨率是由激光脈沖的持續時間所確定，對于超快速激光脈沖，可以得到幾微米的深度分辨率。
利用激光脈沖燒蝕表面上的材料，與此同時，利用相同脈沖得到幾何信息具有很大的優點，因為只需要利用一個激光器和相同的光學裝置。此外，得到所需的幾何信息不耗費附加的時間。
金屬樣本有高的反射率，而半導體在強激光脈沖照射下也展示非常高的瞬時反射率。對于其他的媒體(絕緣體或生物組織)，只有在樣本表面上產生等離子體的情況下，從樣本的散射或反射才是可能的。特別是對于這些媒體，在燒蝕期間得到幾何信息具有很大的優點。可以得到具有高準確度的原始表面幾何結構，因為反射等離子體的輻射在激光脈沖期間不發生顯著地擴展。
在本發明的實際裝置中，激光被分割成兩個部分，其中一個部分光指向樣本以完成燒蝕，而另一部分光發射通過所謂的可變距離延遲線，并用于所謂光閘的定時作用。光閘是一種與機械快門工作類似的器件，但它具有超短的斷開時間，可以與定時脈沖的持續時間一樣短暫。
最好是，利用與聚焦或成像激光到樣本上的相同光學裝置收集反向散射光。這就可以允許大數值孔徑的光學裝置用于收集光的一種簡單設計。后者有兩個優點第一，它保證高的收集效率，因此在距離測量中有最大的靈敏度；第二，需要有大的數值孔徑以提供成像幾何光路中高的橫向分辨率，以下要作進一步的解釋。
光閘可以基于非線性混頻。時間相關的激光脈沖，定時脈沖和反向散射光入射到非線性媒體上(例如，非線性晶體)，調整延遲使激光脈沖與反向散射輻射中最快(沖擊)部分一起入射到媒體上。當出現兩個光場時，非線性混頻效應產生新的光場，例如，二倍頻光場。由于需要出現兩個入射光場可以產生新的光場，而定時脈沖是非常短的，產生的光場在非常確定的飛行時間內反映反向散射光的強度。這與準確的深度直接相關，從而保證了高分辨率。
在本發明的具體實施例中，利用基于非線性混頻的光閘，在非共線幾何條件下完成混頻。這就減少了本底光，從而提高了靈敏度。此外，通過選取合適的幾何結構，產生的光場空間分布反映反向散射光的時間分布。這種技術類似于單沖自相關器中使用的技術。
在本發明的另一個實施例中，反向散射光發射通過光傳輸線，它成像(最好是放大)樣本上的相互作用區到光閘上或通過光閘。若發射通過光閘的光(例如，具體實施例中的二倍頻光場)還成像到檢測器上，則除了得到的深度信息以外，該光還攜帶燒蝕區上二維橫截面的幾何結構信息。因此，通過掃描光閘的選通時間，可以得到燒蝕區的三維圖像。
在本發明的另一個實施例中，非共線幾何結構下的非線性混頻與成像燒蝕區到非線性晶體上相結合。因此，在該晶體中產生一個圖形，這個圖形在一個方向上的圖像提供反向散射光的時間信息，它與樣本的表面高度相關，而垂直方向提供沿樣本上特定軸的橫截面幾何信息。根據詳細描述中所列出各個例子的利用，可以清楚地看出，這種幾何信息量在大多數情況下正是控制燒蝕過程所需的信息。
圖1表示激光從樣本上的反向散射；圖2表示按照本發明的光學裝置示意圖；圖3表示具體實施例中光閘和成像系統的詳細視圖，其中利用非線性混頻效應；圖4表示光發射通過圖3中光閘的圖像和相關的橫截面分布；圖5表示燒蝕深度與燒蝕時間的關系以及測量結果的散布；圖6表示在機械加工期間(激光銑削)樣本平移的條件下得到的兩個圖像和相關的橫截面分布。
具體實施例方式
本發明利用來自激光燒蝕的反向散射光時閘測量以產生接受燒蝕物體的飛擊式(on-the-fly)成像。
圖1表示本發明的基本原理。第一箭頭1所示的超短光脈沖，被第二箭頭2所示的透鏡5聚焦到樣本7表面6上，為的是引起燒蝕。一部分入射光被散射返回，如第三箭頭3所示，并傳播通過第四箭頭4所示的透鏡5。
利用高分辨率測定超短激光脈沖入射到樣本7上的飛行時間以得到深度信息。由于本發明用于燒蝕領域，激光在樣本7的表面6上產生等離子體，因此，反向散射光的持續時間一般遠遠大于入射激光脈沖的持續時間，因為光的衰減是由等離子體演變所確定。然而，在本發明中，只要注意某一部分光在到達樣本7和返回時采取最短可能的軌跡就足夠了。利用相當于脈沖持續時間的時間分辨率的選通檢測，可以選取這個(沖擊)部分的光，從而在目前的幾何結構中提取與樣本7的準確距離。距離測量中的分辨率是由激光脈沖持續時間T所確定若x表示與樣本的距離和c是光速，則到達樣本并返回的飛行時間是2x/c。因此，時間分辨率T給出的空間分辨率為cT/2。對于超高速激光脈沖，T～10-14s，得到的深度分辨率為幾個微米。其原理類似于利用無線電波運行和使用很長脈沖的雷達原理。
最初，雖然表面是十是分平坦的，如圖1a所示，所有反向散射光傳播相同的距離，因此，在相同時間到達透鏡5之后的任何平面(箭頭4是對齊的)。在圖1b中，光已燒蝕表面上的材料。因為傳播到燒蝕形成結構底部的輻射經歷較長的距離，現在，這部分的反向散射光相對于圖1a的情況產生延遲，如箭頭3′所示。
事實上，準確測量反向散射光在燒蝕期間增加的飛行時間可以提供燒蝕深度的絕對測定。在圖1所示的情況下，激光束外側部分的強度顯然不足以引起燒蝕。因此，從圖1b所示邊緣部分的反向散射光仍然經歷與圖1a相同的距離，如箭頭4′所示。準確測量光束的中央部分與外側部分之間的相對延遲給出相對于表面的空洞深度。
圖2表示本發明的實際實施。來自超短脈沖激光器10的輸出光束12被部分反射鏡或分束器18分割成兩個部分14和16。一個部分14，燒蝕光束，傳播到進行激光燒蝕的樣本上，而另一個部分16，定時光束，傳送通過可變距離延遲線20，用于給光閘提供光。光學裝置必須這樣安排，使定時脈沖在反向散射光24中沖擊部分到達的準確時間打開光閘22。若光閘22的響應時間可以忽略不計，則這意味著燒蝕光束14和定時光束16的光程長度準確地相等。詳細地說，從分束器18出發通過聚焦透鏡5到達樣本7的表面6，再返回通過透鏡5，從分束器18反射，傳播通過成像透鏡系統26并進入光閘22的光程長度與從分束器18出發通過延遲線20并進入光閘22的光程長度準確地相等。利用檢測器28監測傳播通過光閘22的光。
在與以上略微不同的實施例中，分束器18是用所謂的偏振光分束器代替，偏振光分束器的工作原理是，對于一個偏振方向的光，它是高反射率反射鏡，而同時傳送垂直方向的偏振光。在到樣本的光程上(例如，偏振光分束器18與透鏡5之間)采用四分之一波片，反向散射光在偏振光分束器18中是線偏振的，全部的光被引向光閘22。這可以提高該方法的靈敏度。此外，在這種幾何光路中，通過旋轉入射激光束12的偏振方向，例如，利用半波片，可以連續地調整燒蝕光束14與定時光束16之間的相對強度。
在一個具體的實施例中，光閘22是由非線性混頻模式構成反向光脈沖24和定時光脈沖16在非線性媒體中組合，例如，非線性流體或晶體，BBO硼酸鋇晶體。當兩個脈沖出現在該媒體中時(即，定時脈沖有適當的延遲)，這兩個光場進行混合以產生不同頻率的新光場，例如，對應于二次諧波光場的二倍頻光場。這種光閘22有可忽略的響應時間，因此僅在相當于定時光脈沖的持續時間內打開。如上所述，這個持續時間正是確定深度分辨率的持續時間。
在這個優選實施例中，兩個光束非共線地聚焦到非線性晶體上的相同光斑，一種在所謂無本底自相關中熟知的技術。這在二次諧波光束中獨立地分開本底光，二次諧波光束源自兩個光束中的每個光束，從而極大地提高了靈敏度。
與光閘22的具體實施例有關，可以對激光燒蝕區進行時間分辨成像。這包括在反向散射輻射24的路程上插入一個合適的成像透鏡系統26，使交互作用區成像到光閘上或通過光閘。若傳播通過光閘22的光(例如，具體實施例中的二倍頻光場)再成像到檢測器28上，除了得到深度信息以外，該光還攜帶燒蝕區二維橫截面的幾何結構信息。
由于光傳播通過光閘22的固定光閘延遲對應于特定的飛行時間，它提供與表面高度或表面深度相關的圖像。為了得到真正的三維圖像，需要抽樣不同的時間延遲，這可以通過改變定時光束16或燒蝕光束14的光程長實現，例如，通過掃描延遲線20的光延遲。
然而，這在某些情況下可能是不方便的，因為反饋系統所需的幾何信息要求有幾個激光脈沖的掃描，而在這些脈沖期間，幾何結構不可避免地發生變化，它給深度測量帶來了不確定性，并使燒蝕過程的控制復雜化。由于利用超短激光脈沖的激光機械加工要求放大的激光，現有激光系統的脈沖能量通常是如此的高，典型的是，每個脈沖的能量在1微焦耳與1毫焦耳之間，工作頻率在1Hz與幾10kHz之間，因此，本發明中需要另一種方法，以下給予解釋。
反向散射光束24和定時光束16組合成準直光束，它在非線性晶體上的光斑尺寸為幾個mm。二次諧波信號僅在定時脈沖的(短)脈沖持續時間內晶體中兩個光束相交的那些部分出現。按照這種方式，時間信息轉換成空間圖形，該系統可以提供單次測量中時間延遲范圍內的信號信息。這種技術是根據單沖自相關方法獲悉的，它可應用于單次拍攝測量超短激光脈沖的脈沖持續時間，原先是由Jansky et al.在Optics Communications 23，293(1977)中建議的，例如，請參閱Diels and Rudolph“Ultrashort laser pulse phenomena”(AcademicPress 1996)中的描述。
由于一個空間坐標反映時間信息，這個實施例中的成像僅限于一個橫斷方向。圖3詳細地展示這個實施例。圖3a表示成像透鏡系統26，它投射反向散射光束24而在非線性晶體30上形成相互作用區的二維圖像，圖3b中也展示這個圖像。這個圖像與非線性晶體30內部的定時光束16相交。二次諧波信號是由于晶體30中兩個光束16和24在區域34的組合效應產生的，其中光束16和24互相重疊。攝像機33，例如，電荷耦合器件(CCD)攝像機，收集這個光圖形36。攝像機33之前的光闌31用于阻擋兩個單獨光束26，24的二次諧波光(事實上，主要是強的定時光束16)。
此外，由于以下的原因可能需要濾波器的組合(32)。第一，為了消除來自相對強的入射定時光束16的散射光，通常利用一個阻擋激光中基頻的濾波器。第二，與被燒蝕的樣本7有關，可能需要衰減二次諧波光圖形36以避免攝像機33的飽和。
如上所述，圖3b中所示系統產生的二次諧波光產生圖形36是由晶體30內兩個光束16和24的空間/時間重疊形成的。事實上，對于兩個光束16和24之間的典型夾角(即，幾度)，定時光束16僅選取由反向散射光24形成的對應于重疊區域34的窄片圖像。這個窄片(或虛狹縫)的寬度是由兩項貢獻確定的。第一項貢獻是來自重疊區域34在傳播通過晶體期間移動跨越圖像的橫向距離。若兩個光束16和24以θ角相交(在晶體內部測得的夾角)和晶體的厚度為d，則這個橫向距離為d·sin(θ/2)。第二項貢獻是來自有限的激光脈沖持續時間T，它造成的有效橫向狹縫寬度為cT/sin(θ)。對于典型的幾何結構和時間長度為100飛秒的脈沖，這最后一項貢獻是主要的，并導致有效的窄片(狹縫)寬度為幾百微米左右。由于成像系統26通常是這樣安排的，非線性晶體30上形成的圖像是毫米大小，該方法可以提供有效的燒蝕結構一維橫斷面。
通過移動延遲線一個已知量并觀察CCD攝像機上對應的變化，利用深度信息可以容易地定標攝像機記錄的圖形36。
根據圖3b可以推論，探測光束16的延遲變化導致重疊區域34在反向散射光24形成圖像上的位移。這相當于在燒蝕區6圖像上移動虛狹縫，因此可用于映射各個位置處的橫截面。
在上述技術的具體實施例中，采用非線性晶體BBO。兩個光束的偏振方向互相平行，并垂直于晶體上入射面(s偏振方向)。對于以某個夾角相交的兩個光束16和24，該晶體的取向是便于所謂和熟知的相位匹配型I的二次諧波發生。利用這種特定的相位匹配選擇，上述技術在垂直于兩個光束16和24延伸平面的方向上提供燒蝕區6上橫截面分布。在光學裝置中沒有波片的情況下，這個方向平行于入射到樣本7表面6上光束14的偏振方向。
圖4的左半部分表示在不銹鋼板機械加工期間得到的一系列圖像。上述技術提供這樣一種圖像，其中水平方向是與時間(或深度)坐標相關，而垂直方向是沿偏振方向的空間坐標，其位置是利用定時脈沖的特定延遲選取的。在圖4的一系列圖像中，延遲是這樣選取的，以便得到通過燒蝕區中間部分的橫截面。水平軸表示對應于深度的飛行時間，在當前選取的幾何結構中，較短的飛行時間是在圖像的左側。垂直方向是與橫跨燒蝕空洞中心的空間坐標相關。
在啟動燒蝕之后即刻拍攝的圖像上，如圖4a所示，樣本是平整的。因此，所有反向散射輻射傳播相同的距離，導致圖像上單個垂直條紋41。在隨后的圖像上，如圖4b和4c所示，激光束的中央部分已燒蝕鋼板上的材料。
這就在樣本中形成一個空洞，從這部分樣本散射的光有到達光閘的較長飛行時間，并在原有條紋41的右側給出信號42，43。在這些圖像中，細的垂直線40表示未受擾動表面的位置，由此可以看出，位移條紋42所示的反向散射光現在相對于這個位置發生延遲，這是由于到達空洞底部經過較長的距離。在顯示板c上，條紋43相對于非位移條紋41的位移變得更加顯著。
圖4右半部分所示的橫截面曲線45，46，47是從左側圖像中提取的。根據直接定標得到曲線45，46，47的比例。通過移動延遲線20一定的量并觀察條紋41，42，43的水平位移，可以得到深度定標。類似地，沿偏振方向平移已形成空洞一個特定的量(約為空洞直徑的一半)并觀察垂直位移，可以獲得空間定標(即，成像系統26的放大倍數)。
分成兩個步驟可以簡化本發明優選實施例中使用的光學系統的初步調整。第一，調整激光束14，16兩個部分在裝置中的兩個光程為相同的光程長。這可以利用高反射鏡代替透鏡5和樣本7來完成。利用這種裝置，調整該裝置使兩個光束組合效應產生的二次諧波光為最大，對于本領域專業人員是不復雜的。現在，這兩個光程有相同的長度。第二，重新插入透鏡5和測試樣本7，如果需要，再插入成像透鏡系統26。如果合適，調整成像透鏡系統26，以便在所需的圖像平面上產生樣本表面的圖像，例如，在非線性光學晶體30上。這可以在低的光平下完成，本領域專業人員清楚地知道，在可見光波長的條件下完成初步調整是最容易的，在此之后，改變成激光波長時只需要作微小的修正。
在成像系統的調整和設計時，必須非常小心以避免熟知的經典成像誤差，也稱之為像差。在本實施例的情況下，利用光闌使像差減至最小，此處利用直徑為8mm的光闌放置在聚焦透鏡5的前方，用于限制反向散射光傳輸到透鏡5的中央部分。圖4d展示球面像差和彗形像差的影響，其中信號44的記錄類似于圖4c，但在透鏡5的前方沒有光闌，而透鏡5僅僅是一個簡單的平凸透鏡。引起的像差導致反向散射光24形成圖像上的虛假雜散光49，特別是來自空洞邊緣的反向散射光，造成信號49在燒蝕整個階段期間仍保持零深度的假象。
另一種避免像差的解決方法是，按照標準光學顯微鏡中所采用的方法，透鏡5采用非球面光路。這就可以保持大的數值孔徑，因此在成像燒蝕區6時保持高的橫向分辨率。
如上所述，深度分辨率是與激光脈沖持續時間相關。在此語境下，注意到這樣的情況是重要的，其中利用聚焦透鏡5使光闌成像到樣本上，這種情況往往用于在樣本上得到大致均勻的強度分布，激光焦點是在樣本之前幾個豪米。若這個焦點是在大氣中，則由于非線性過程，特別是所謂的自相位調制，通常可以觀察到很大的脈沖擴展。這種情況一般對激光燒蝕產生負面影響，但結合此處描述的本發明，它還有使深度分辨率下降的結果。為了避免這種效應，可以采用具有低的非線性折射率的惰性氣體(所謂的n2)。例如，在得到圖4的圖像時，在透鏡的焦區附近采用氦氣。
為了使每個脈沖跟隨激光燒蝕，需要對每個激光脈沖拍攝圖像。這意味著激光重復頻率和視頻速率必須相等。用于激光機械加工的超短脈沖激光的重復頻率通常在千赫芝的范圍內，而視頻速率通常是在幾十赫芝的區域。換句話說，為了使每個脈沖跟隨機械加工，我們必須降低激光重復頻率和/或利用高速攝像機。另一種可能性是接受圖像采集速率，它低于激光重復頻率，但仍然有足夠高的頻率，可以分辨材料的去除。事實上，顯微機械加工領域中的典型材料去除率是每個激光脈沖0.1微米量級。因此，利用本發明幾微米的深度分辨率，不可能觀察到少于幾十個脈沖的效應。這意味著，往往可以使用工作在100Hz以下的視頻攝像機而沒有信息的丟失。附圖中所示的圖像是利用標準視頻攝像機拍攝的，它是現有商品化的幀接收器。
雖然平均深度對于千赫芝激光重復頻率下的激光脈沖數目和標準視頻速率下不發生大的變化，作為幾十個激光脈沖下的平均值得到的圖像有另一種結果在降低激光重復頻率下的研究表明，單個脈沖顯示的幾何信息是受先前激光脈沖在表面6上留下具體細節的影響。具體地說，可以看出，留在表面上的微小顆粒(碎片)改變每個激光脈沖的圖像。在對幾十個激光脈沖求平均時(即，在標準千赫芝重復頻率范圍內運行激光時)，這些各個脈沖起伏的影響是附加的深度分布模糊。圖4所示圖像上深度坐標中約20μm的模糊(半寬度)大致是由兩個相等貢獻部分構成對應于cT/2＝15μm的激光脈沖的100fs脈沖持續時間，此外，各個脈沖的起伏貢獻相同的量。
重要的是注意到上述深度模糊是半寬度值。深度分辨率是由確定這個分布位置的準確度所確定。這個準確度取決于測量結果的統計顯著性，但它通常是半寬度的一小部分。圖5a表示不銹鋼板的測量深度與燒蝕時間之間的關系，它是根據圖4所示的一系列圖像確定的。可以看出，燒蝕速率在很好的近似下是個常數，其深度與時間之間是直線的關系。在圖5b中，可以從測得的深度中刪除這個線性項，便于研究測量的準確度。點散布的標準偏差為1μm，它僅僅占上述半寬度的5％。
因此，本發明中描述的系統能夠產生激光燒蝕區形狀的聯機信息。很清楚，這個信息可用于控制機械加工過程。本發明的最明顯用途是在給出的預定深度下停止樣本的機械加工。顯然，這對于高準確度的三維顯微機械加工和激光外科手術中的某些應用是有用的。
第二個應用是利用深度分布作為調整聚焦裝置(例如，透鏡)位置的反饋系統，該裝置用于聚焦或成像掩模到樣本上。在要求機械加工很大的深度時，為了保持橫向尺寸，可能需要調整透鏡與樣本之間距離，使接受機械加工的部件(例如，孔的底部)總是保持準確的距離。利用本發明可以實現這個目的。
在激光機械加工的一些應用中，采用樣本相對于激光的平移。按照這種方式，可以從延伸的區域去除材料。這種方法有時稱之為激光銑削。本發明使激光銑削到精確控制的深度變得很容易。深度分布信息反饋到掃描系統以調整樣本(或激光器)的速度，因此得到具體的最后深度。由于這種方法主要依靠沿平移軸的幾何結構，光閘只需要作一維成像。
圖6表示在激光銑削期間得到的兩個圖像。在圖6的兩個圖像中，樣本相對于圖像作向上運動。深度分布中的坡度表示從某些區域去除材料的不同數量，這些區域離開激光焦點61并正好進入激光焦點62。圖6a表示樣本快速平移期間(銑削到淺的深度61)得到的圖像，而圖6b對應于較慢的樣本平移(銑削到較大的深度61′)。反饋系統是基于與這類似的圖像/形狀測量結果。在圖6的圖像中，脈沖能量保持恒定，僅僅改變樣本的平移速度。基于從圖像上的反饋，也可以逐漸減小脈沖能量以降低燒蝕速率。這對于精細部分的準確加工可能是有用的。
以上的描述設計一種用于沿激光燒蝕區上特定軸產生橫截面信息的設備。由于這個方向是受垂直于進入非線性晶體的兩個光束相交平面的軸控制，這個軸是不容易旋轉的。然而，我們只需要復制該系統，就容易地添加另一個軸，因此增加另一個光閘。光學裝置是這樣安排的，使這個光閘的信號光束和定時光束相交于一個不同的平面，因此在激光燒蝕區上選取一個不同的方向。
本發明的一種特殊應用是不平整樣本的激光機械加工。如上所述，產生的結構質量主要取決于透鏡與樣本之間距離的準確控制。若不平整樣本在機械加工期間發生平移，則必須控制這個距離。若應用深度仿形切削方法，則可以確定機械加工期間的變化距離，這些信號足以用于調整掃描速度(從燒蝕表面坡度的反饋)和聚焦幾何結構(從入射邊緣處表面高度的反饋)。這種應用對于激光燒蝕的醫療工作是非常有用的，其中接受激光照射的樣本一般有很復雜的幾何形狀。
在以上的描述中，重點放在提取橫截面的形狀。對于通孔的鉆削，這種信息仍然是有價值的，因為它可用于保證樣本穿透之前孔洞底部的所需形狀。這對于得到通孔的所需幾何形狀可能是重要的。
還應當注意，在鉆削通孔時橫截面信息的記錄事實上包含形成通孔的幾何結構。具體地說，條紋寬度與深度之間的關系給出通孔寬度與深度之間的關系，即，所謂的通孔錐面。這個性質對于通孔特征是非常重要的，例如，在它們用作噴嘴的各種應用中。
注意與利用飛擊式得到的橫截面信息相反，只有通過收集整個系列圖像才得到上述關于通孔錐面的信息。更精確地說，下至某個深度的全部圖像記錄提供下至該深度的通孔錐面。換句話說，在形成通孔之后才顯示整個錐面。然而，鉆孔時得到的信息可用于調整機械加工參數以優化所需的錐面。事實上，根據整個系列圖像，不僅可以提取通孔的錐面，而且還可以重建通孔的側壁形狀。
在設計優化通孔鉆屑的一些方法中，應用小于所需通孔直徑的激光光斑；然后，在樣本周圍移動激光光斑以得到最佳的幾何形狀。與方法的選取無關(所謂的套孔鉆屑或螺旋鉆屑技術)，仍然可以利用得到幾何信息的方法。當然，在機械加工期間移動激光光斑意味著，飛擊式檢索的幾何信息是與表面上的不同點有關，但幾何信息和燒蝕區已知坐標的記錄仍可以提供激光燒蝕區的整個輪廓。具體地說，在激光光斑尺寸小于成形結構尺寸的限制下，可能不需要本發明的成像系統實施例記錄激光撞擊點的深度，且隨著激光光斑在樣本周圍的移動，利用掃描探測技術獲得逐點的深度分布。
令人感興趣的是，這個具體的應用，即，測量通孔的錐面或側壁形狀，與激光脈沖的持續時間沒有密切的關系。即使利用飛秒脈沖持續時間的激光，錐形信息仍是有價值的它可以提供約100微米深度分辨率的通孔寬度，且因為錐面通常是根據這些深度比例發展的，沒有丟失太多信息。
只要樣本的反射率是充分地低于損傷閾值，顯而易見，本發明中描述的距離測量可以用作任何機械加工之前的表面仿形系統。例如，我們可以考察一種能夠應用選擇性機械加工的情況需要獲得一種形狀，在得到所需形狀之前，利用激光機械加工某個區域，例如，凸出物。這種預先機械加工仿形的另一個應用是能夠在后續操作中瞄準激光燒蝕區。我們常常發現，通過反復的機械加工可以得到最佳的機械加工結果，其中每次操作僅去除很薄的一層。利用本發明，我們能夠把用于機械加工激光鎖定到表面上已有的結構，例如，先前激光銑削的狹縫。
本發明的特殊應用是在激光測距有非常低反射率的物體。利用常規的測距方法很難觀察到這種物體。利用本發明，如上所述，我們能夠應用等離子體形成閾值以上的少量脈沖，可以高準確度測定距離。在許多應用中，少量激光脈沖引起的結構變化(即，1微米數量級的材料去除)是不重要的。
本發明另一個特殊應用是透明材料的機械加工。如在幾個實驗研究中所展示的，可以利用有超短激光脈沖的裝置，導致僅在透明媒體內部進行機械加工(或更普遍的是，材料性質的變化)。在這種裝置中，能夠非常準確地控制與媒體表面之間的距離是很有用的。這可以通過從表面收集反射光并完成高分辨率測量它的時間結構來完成。利用上述方法把這個信息轉換成距離，因此可用于控制機械加工的深度。在一個實施例中，檢測來自表面的光和來自媒體內部機械加工區的反向散射光，從而直接測量機械加工區表面之下的深度。除了改變光學材料性質的應用之外(例如，寫入波導)，這個方法可應用于眼外科手術。
雖然上述的展示是在基于鈦藍寶石技術的飛秒激光特定實施例中完成的，注意到這個專利中描述的方法與實施方案的選擇完全無關是重要的。同樣的論述也適用于光學選通方法的具體選擇。為了說明這個論述，以下總結所需的激光源和光閘特征。在未來，光學和電子工程中快速的技術發展將產生滿足這些要求的新激光器系統和超高速閘門是非常可能的。
以上利用超短脈沖的激光燒蝕研究已覆蓋各種波長，脈沖持續時間和脈沖能量的很大范圍。此處描述的方法一般可適用于所有這些條件。激光源的兩個約束條件是(i)如以上詳細描述的，這種技術的深度分辨率取決于光的脈沖持續時間，和(ii)激光傳遞足夠的能量，其中一部分的光可用于光學選通。實際上，這意味著該方法對于具有100飛秒或更短持續時間和10微焦耳以上脈沖能量的激光脈沖是特別有興趣的。這對于未來的激光源不是一個非常嚴格的要求。在這方面的一個非常感興趣的發展領域是光纖基放大的超短脈沖激光系統。如在US專利號6014249中所描述的，這種技術可能導致非常穩定和高效率的激光器。
圖4和圖6中包含的圖像是利用基于二次諧波發生的光閘拍攝的。這僅僅是便于說明。本領域專業人員清楚地知道，可以利用其他的混頻技術。一般地說，唯一的限制是存在所需過程的合適材料(非線性媒體)，這是一個正在研究的領域。此外，可以利用其他的光學選通機構(例如，Kerr光閘)，技術的發展可能導致這些其他光閘的性能提高。最后，超高速電子學的技術進展(例如，條紋攝像機)可能在某個方面導致足夠快的非光閘開發，它可以利用電子閘代替光閘實現這種技術。
基于光纖技術的快速進展，值得注意的還有，本方法所需的所有基本元件原則上可以是現有的光纖元件(分束器，偏振器，波片，延遲線，和非線性媒體)。所以，在全光纖裝置中實現這種技術是非常可能的(至少在非成像配置中)。這種裝置在光纖基激光源方面是特別感興趣的。
權利要求
1.一種用于測量激光輻照期間材料去除的方法，其中超短激光脈沖聚焦到樣本區域，用于從所述區域去除材料，且輻射是從所述區域收集的，其特征是，-所述收集的輻射是來自所述超短激光脈沖的散射輻射，和-該方法還包括根據所述散射輻射，確定所述樣本區域的幾何信息。
2.按照權利要求1的方法，其特征是，得到所述激光脈沖的飛行時間信息，且這個飛行時間信息被轉換成距離以得到所述區域的深度信息。
3.按照以上權利要求中任何一個的方法，其特征是，所述激光輻射至少分割成第一部分和第二部分，其中第一部分構成承擔所述材料去除的所述超短激光脈沖，而第二部分提供確定飛行時間的定時信號。
4.按照權利要求3的方法，其特征是，所述定時信號控制光閘，用于選取有特定飛行時間的反向散射光。
5.按照權利要求4的方法，其特征是，所述光閘是基于非線性混頻。
6.按照權利要求5的方法，其特征是，所述非線性混頻是在非共線幾何下完成的。
7.按照以上權利要求中任何一個的方法，其特征是，記錄所述散射輻射以得到所述區域的橫截面信息。
8.按照權利要求7的方法，其特征是，利用所述反向散射輻射的時間分辨成像到檢測器上得到所述橫截面信息，其中橫截面是在垂直于所述超短激光脈沖傳播方向的平面上。
9.按照權利要求6的方法，其特征是，所述得到橫截面信息包括在所述第二部分的空間和時間重疊條件下，所述反向散射光成像到非線性媒體上，從而利用非線性混頻在所述媒體中產生圖形，其中該圖形顯示所述橫截面信息，且其中橫截面是在平行于所述超短激光脈沖傳播方向的平面上。
10.按照以上權利要求中任何一個的方法，其特征是，在所述激光脈沖焦點周圍采用具有低非線性折射率的惰性氣體，為的是優化所述幾何信息的分辨率，最好是深度分辨率。
11.按照以上權利要求中任何一個的方法，其特征是，所述散射輻射至少來源于下列中的一個，-反射表面，-主要吸收表面，其中利用激光誘發的瞬時高反射率增強散射，-樣本表面上的漫散射，-形成期間或之后等離子體上的散射，其中等離子體源自表面，-形成期間或之后等離子體上的散射，其中等離子體源自透明樣本內部。
12.按照權利要求1-11的方法，其特征是，所述橫截面信息至少用于下列中的一種，-調整激光機械加工期間的掃描速率，-調整輻照樣本的位置，從而保持樣本區域上的最佳聚焦條件，該樣本區域在平移期間接受機械加工。
13.按照權利要求1-10的方法，其特征是，所述散射輻射來源于透明樣本內等離子體上的散射，并且還收集從透明樣本外表面反射的輻射，用于確定到透明樣本外表面的距離，為的是測量樣本內等離子體的準確位置。
14.利用按照權利要求1-11的方法，用于調整輻照樣本的位置，從而保持區域上的最佳聚焦條件，該區域在材料去除期間接受機械加工。
15.利用按照權利要求12的方法，用于激光外科手術或眼外科手術。
16.利用按照權利要求13的方法，用于眼外科手術。
17.利用按照權利要求1-11中任何一個的方法，在重復激光輻照之后，用于重建激光機械加工空洞的側壁外形。
全文摘要
本發明提供一種利用超短激光脈沖現場測量激光燒蝕去除材料總量的方法。該方法依靠來自燒蝕激光的反向散射光提供的幾何信息。反向散射激光的時間結構用于準確測量燒蝕區的深度，因為短激光脈沖的往返時間唯一地確定到被照射物體的距離。對于飛秒激光脈沖，可以獲得幾微米的深度分辨率。按照本發明，來自單個燒蝕脈沖的反向散射光成像提供導出燒蝕區上橫截面形狀所需的全部信息。
文檔編號A61B18/20GK1478007SQ01819591
公開日2004年2月25日 申請日期2001年11月6日 優先權日2000年11月13日
發明者彼得·巴林, 彼得 巴林 申請人:米克麥克莫公司