CN1478007A - 激光烧蚀 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用超短激光脉冲现场测量激光烧蚀去除材料总量的方法。该方法依靠来自烧蚀激光的反向散射光提供的几何信息。反向散射激光的时间结构用于准确测量烧蚀区的深度，因为短激光脉冲的往返时间唯一地确定到被照射物体的距离。对于飞秒激光脉冲，可以获得几微米的深度分辨率。按照本发明，来自单个烧蚀脉冲的反向散射光成像提供导出烧蚀区上横截面形状所需的全部信息。

Description

激光烧蚀

技术领域

本发明涉及利用超短激光脉冲的激光烧蚀。它可应用于金属，绝缘体和半导体中(显微机械加工)和生物组织中(激光治疗)微小结构的激光烧蚀。

背景技术

利用激光的材料去除在机械加工和医疗的各种应用中已变得非常重要。如在国际专利申请WO99/67048中所讨论的，聚焦到表面上的超短激光脉冲能够以非常低的能量去除材料，并对烧蚀区的周围区域产生非常小的热效应。这对于烧蚀的应用有重要的启示。例如，可以允许烧蚀非常小的结构，进行显微机械加工，和加工非常细微的物体。

激光烧蚀对于使用的激光强度有很强的非线性关系。在US专利号5656186中，这种特征已用于设计这样一种方法，用于产生小于激光光斑尺寸的结构。根据这个专利，可以知道从等离子体靶收集辐射，并把这个辐射强度与烧蚀材料总量相关连。然而，利用这种方法没有得到关于烧蚀区深度的信息。

在德国专利公报DE19736110中强调指出，利用成像到样本上的衍射光路，可以消除激光聚焦到样本前方的多余效应。

在国际专利申请W09955487中，指出激光偏振方向相对于切割方向的重要性。类似地，在德国专利公报DE19744368中所讨论的，旋转激光偏振方向或应用圆偏振光可以消除利用线偏振光场进行激光烧蚀所引起的多余几何效应。

超短脉冲激光烧蚀应用的另一个潜在重要应用领域是激光治疗，其中降低的热沉积使多余的生物效应减至最小，这在US专利号5720894中有详细的描述。

在利用超短激光脉冲的机械加工中，高的横向分辨率是降低热沉积的结果，它使周围区域的熔融减至最小。此外，纵向(深度)分辨率也可以很高，因为在激光脉冲期间实际上没有热扩散，全部光在薄表面层(皮肤深度)中被吸收。在各种科学出版物中已展示这种高准确度，因此，制造三维结构是切实可行的。

激光机械加工结构的上述研究已经从扫描电子显微镜的高分辨率显微术应用到成像产生的结构。虽然这对于描述结构特征是极其有价值的判断，但它不是一种适用于飞击式(即，机械加工期间)特征的方法。然而，能够在烧蚀过程中检索几何信息是非常需要的，因为这可以使各种非常精细的控制步骤是基于反馈回路。

在US专利申请号5744780中，从激光机械加工样本上反射的长激光脉冲用于检查工件上材料去除的进展。

利用超短激光脉冲的激光测距是一种成熟的技术，在有关超短激光脉冲的教科书中有详细的描述，例如，见Diels and Rudolph：Ultrashort laser pulse phenomena(Academic Press 1996)。利用各种光闸技术可以得到所需的时间分辨率。光学Kerr效应可用于选取特定的飞行时间和给定的距离。在US专利号5585913和5489984中描述基于二次谐波发生的距离测定。利用合适的光学装置，可以在特定距离处得到二维图像，例如，见Yan et al.，Applied Optics 31，6869(1992)。在US专利号5710429和此处引用的参考文件中，研究这种技术是作为通过高散射媒体完成成像的手段。

上述的成像技术可以分成两大类。或者，距离被抽样成单个光斑，然后在一些应用中可以在样本上可以进行扫描。或者，在单次拍摄中获得给定距离处的全二维图像。在这两种情况下，必须扫描距离与坐标(深度)之间关系以得到三维信息。

按照以上现有技术的描述，我们知道可以在各种环境下利用激光烧蚀，还知道利用激光辐射测量样本上的深度分布。然而，激光烧蚀与深度分布测量的结合是不知道的。

所以，我们希望知道一种在激光烧蚀期间可以获得深度信息的方法。此外，我们还希望利用激光烧蚀期间的相同光脉冲可以获得结构深度和空间信息，特别是，这种信息是由引起烧蚀的相同激光脉冲提供的，因为得到深度和/或空间信息并不耗费时间，因此也不影响烧蚀速率。本发明的目的是提供这样一种方法和系统。

发明内容

利用按照权利要求1的方法实现本发明的目的。

本发明利用激光烧蚀过程中反向散射光的时间和空间性质提供关于形成几何结构的信息。

通过高分辨率测定超短激光脉冲入射到样本上的飞行时间以得到深度信息。反向散射光的持续时间可以远远大于入射激光脉冲的持续时间，但其中一部分光采取到达样本和返回的最短可能轨迹。利用与脉冲持续时间相当的时间分辨率的选通检测，可以选取这个(冲击)部分的光，从而在目前的几何结构中提取与样本的准确距离。距离测量中的分辨率是由激光脉冲的持续时间所确定，对于超快速激光脉冲，可以得到几微米的深度分辨率。

利用激光脉冲烧蚀表面上的材料，与此同时，利用相同脉冲得到几何信息具有很大的优点，因为只需要利用一个激光器和相同的光学装置。此外，得到所需的几何信息不耗费附加的时间。

金属样本有高的反射率，而半导体在强激光脉冲照射下也展示非常高的瞬时反射率。对于其他的媒体(绝缘体或生物组织)，只有在样本表面上产生等离子体的情况下，从样本的散射或反射才是可能的。特别是对于这些媒体，在烧蚀期间得到几何信息具有很大的优点。可以得到具有高准确度的原始表面几何结构，因为反射等离子体的辐射在激光脉冲期间不发生显著地扩展。

在本发明的实际装置中，激光被分割成两个部分，其中一个部分光指向样本以完成烧蚀，而另一部分光发射通过所谓的可变距离延迟线，并用于所谓光闸的定时作用。光闸是一种与机械快门工作类似的器件，但它具有超短的断开时间，可以与定时脉冲的持续时间一样短暂。

最好是，利用与聚焦或成像激光到样本上的相同光学装置收集反向散射光。这就可以允许大数值孔径的光学装置用于收集光的一种简单设计。后者有两个优点：第一，它保证高的收集效率，因此在距离测量中有最大的灵敏度；第二，需要有大的数值孔径以提供成像几何光路中高的横向分辨率，以下要作进一步的解释。

光闸可以基于非线性混频。时间相关的激光脉冲，定时脉冲和反向散射光入射到非线性媒体上(例如，非线性晶体)，调整延迟使激光脉冲与反向散射辐射中最快(冲击)部分一起入射到媒体上。当出现两个光场时，非线性混频效应产生新的光场，例如，二倍频光场。由于需要出现两个入射光场可以产生新的光场，而定时脉冲是非常短的，产生的光场在非常确定的飞行时间内反映反向散射光的强度。这与准确的深度直接相关，从而保证了高分辨率。

在本发明的具体实施例中，利用基于非线性混频的光闸，在非共线几何条件下完成混频。这就减少了本底光，从而提高了灵敏度。此外，通过选取合适的几何结构，产生的光场空间分布反映反向散射光的时间分布。这种技术类似于单冲自相关器中使用的技术。

在本发明的另一个实施例中，反向散射光发射通过光传输线，它成像(最好是放大)样本上的相互作用区到光闸上或通过光闸。若发射通过光闸的光(例如，具体实施例中的二倍频光场)还成像到检测器上，则除了得到的深度信息以外，该光还携带烧蚀区上二维横截面的几何结构信息。因此，通过扫描光闸的选通时间，可以得到烧蚀区的三维图像。

在本发明的另一个实施例中，非共线几何结构下的非线性混频与成像烧蚀区到非线性晶体上相结合。因此，在该晶体中产生一个图形，这个图形在一个方向上的图像提供反向散射光的时间信息，它与样本的表面高度相关，而垂直方向提供沿样本上特定轴的横截面几何信息。根据详细描述中所列出各个例子的利用，可以清楚地看出，这种几何信息量在大多数情况下正是控制烧蚀过程所需的信息。

附图说明

图1表示激光从样本上的反向散射；

图2表示按照本发明的光学装置示意图；

图3表示具体实施例中光闸和成像系统的详细视图，其中利用非线性混频效应；

图4表示光发射通过图3中光闸的图像和相关的横截面分布；

图5表示烧蚀深度与烧蚀时间的关系以及测量结果的散布；

图6表示在机械加工期间(激光铣削)样本平移的条件下得到的两个图像和相关的横截面分布。

具体实施方式

本发明利用来自激光烧蚀的反向散射光时闸测量以产生接受烧蚀物体的飞击式(on-the-fly)成像。

图1表示本发明的基本原理。第一箭头1所示的超短光脉冲，被第二箭头2所示的透镜5聚焦到样本7表面6上，为的是引起烧蚀。一部分入射光被散射返回，如第三箭头3所示，并传播通过第四箭头4所示的透镜5。

利用高分辨率测定超短激光脉冲入射到样本7上的飞行时间以得到深度信息。由于本发明用于烧蚀领域，激光在样本7的表面6上产生等离子体，因此，反向散射光的持续时间一般远远大于入射激光脉冲的持续时间，因为光的衰减是由等离子体演变所确定。然而，在本发明中，只要注意某一部分光在到达样本7和返回时采取最短可能的轨迹就足够了。利用相当于脉冲持续时间的时间分辨率的选通检测，可以选取这个(冲击)部分的光，从而在目前的几何结构中提取与样本7的准确距离。距离测量中的分辨率是由激光脉冲持续时间T所确定：若x表示与样本的距离和c是光速，则到达样本并返回的飞行时间是2x/c。因此，时间分辨率T给出的空间分辨率为cT/2。对于超高速激光脉冲，T～10^-14s，得到的深度分辨率为几个微米。其原理类似于利用无线电波运行和使用很长脉冲的雷达原理。

最初，虽然表面是十是分平坦的，如图1a所示，所有反向散射光传播相同的距离，因此，在相同时间到达透镜5之后的任何平面(箭头4是对齐的)。在图1b中，光已烧蚀表面上的材料。因为传播到烧蚀形成结构底部的辐射经历较长的距离，现在，这部分的反向散射光相对于图1a的情况产生延迟，如箭头3′所示。

事实上，准确测量反向散射光在烧蚀期间增加的飞行时间可以提供烧蚀深度的绝对测定。在图1所示的情况下，激光束外侧部分的强度显然不足以引起烧蚀。因此，从图1b所示边缘部分的反向散射光仍然经历与图1a相同的距离，如箭头4′所示。准确测量光束的中央部分与外侧部分之间的相对延迟给出相对于表面的空洞深度。

图2表示本发明的实际实施。来自超短脉冲激光器10的输出光束12被部分反射镜或分束器18分割成两个部分14和16。一个部分14，烧蚀光束，传播到进行激光烧蚀的样本上，而另一个部分16，定时光束，传送通过可变距离延迟线20，用于给光闸提供光。光学装置必须这样安排，使定时脉冲在反向散射光24中冲击部分到达的准确时间打开光闸22。若光闸22的响应时间可以忽略不计，则这意味着烧蚀光束14和定时光束16的光程长度准确地相等。详细地说，从分束器18出发通过聚焦透镜5到达样本7的表面6，再返回通过透镜5，从分束器18反射，传播通过成像透镜系统26并进入光闸22的光程长度与从分束器18出发通过延迟线20并进入光闸22的光程长度准确地相等。利用检测器28监测传播通过光闸22的光。

在与以上略微不同的实施例中，分束器18是用所谓的偏振光分束器代替，偏振光分束器的工作原理是，对于一个偏振方向的光，它是高反射率反射镜，而同时传送垂直方向的偏振光。在到样本的光程上(例如，偏振光分束器18与透镜5之间)采用四分之一波片，反向散射光在偏振光分束器18中是线偏振的，全部的光被引向光闸22。这可以提高该方法的灵敏度。此外，在这种几何光路中，通过旋转入射激光束12的偏振方向，例如，利用半波片，可以连续地调整烧蚀光束14与定时光束16之间的相对强度。

在一个具体的实施例中，光闸22是由非线性混频模式构成：反向光脉冲24和定时光脉冲16在非线性媒体中组合，例如，非线性流体或晶体，BBO硼酸钡晶体。当两个脉冲出现在该媒体中时(即，定时脉冲有适当的延迟)，这两个光场进行混合以产生不同频率的新光场，例如，对应于二次谐波光场的二倍频光场。这种光闸22有可忽略的响应时间，因此仅在相当于定时光脉冲的持续时间内打开。如上所述，这个持续时间正是确定深度分辨率的持续时间。

在这个优选实施例中，两个光束非共线地聚焦到非线性晶体上的相同光斑，一种在所谓无本底自相关中熟知的技术。这在二次谐波光束中独立地分开本底光，二次谐波光束源自两个光束中的每个光束，从而极大地提高了灵敏度。

与光闸22的具体实施例有关，可以对激光烧蚀区进行时间分辨成像。这包括：在反向散射辐射24的路程上插入一个合适的成像透镜系统26，使交互作用区成像到光闸上或通过光闸。若传播通过光闸22的光(例如，具体实施例中的二倍频光场)再成像到检测器28上，除了得到深度信息以外，该光还携带烧蚀区二维横截面的几何结构信息。

由于光传播通过光闸22的固定光闸延迟对应于特定的飞行时间，它提供与表面高度或表面深度相关的图像。为了得到真正的三维图像，需要抽样不同的时间延迟，这可以通过改变定时光束16或烧蚀光束14的光程长实现，例如，通过扫描延迟线20的光延迟。

然而，这在某些情况下可能是不方便的，因为反馈系统所需的几何信息要求有几个激光脉冲的扫描，而在这些脉冲期间，几何结构不可避免地发生变化，它给深度测量带来了不确定性，并使烧蚀过程的控制复杂化。由于利用超短激光脉冲的激光机械加工要求放大的激光，现有激光系统的脉冲能量通常是如此的高，典型的是，每个脉冲的能量在1微焦耳与1毫焦耳之间，工作频率在1Hz与几10kHz之间，因此，本发明中需要另一种方法，以下给予解释。

反向散射光束24和定时光束16组合成准直光束，它在非线性晶体上的光斑尺寸为几个mm。二次谐波信号仅在定时脉冲的(短)脉冲持续时间内晶体中两个光束相交的那些部分出现。按照这种方式，时间信息转换成空间图形，该系统可以提供单次测量中时间延迟范围内的信号信息。这种技术是根据单冲自相关方法获悉的，它可应用于单次拍摄测量超短激光脉冲的脉冲持续时间，原先是由Jansky et al.在Optics Communications 23，293(1977)中建议的，例如，请参阅Diels and Rudolph“Ultrashort laser pulse phenomena”(AcademicPress 1996)中的描述。

由于一个空间坐标反映时间信息，这个实施例中的成像仅限于一个横断方向。图3详细地展示这个实施例。图3a表示成像透镜系统26，它投射反向散射光束24而在非线性晶体30上形成相互作用区的二维图像，图3b中也展示这个图像。这个图像与非线性晶体30内部的定时光束16相交。二次谐波信号是由于晶体30中两个光束16和24在区域34的组合效应产生的，其中光束16和24互相重叠。摄像机33，例如，电荷耦合器件(CCD)摄像机，收集这个光图形36。摄像机33之前的光阑31用于阻挡两个单独光束26，24的二次谐波光(事实上，主要是强的定时光束16)。

此外，由于以下的原因可能需要滤波器的组合(32)。第一，为了消除来自相对强的入射定时光束16的散射光，通常利用一个阻挡激光中基频的滤波器。第二，与被烧蚀的样本7有关，可能需要衰减二次谐波光图形36以避免摄像机33的饱和。

如上所述，图3b中所示系统产生的二次谐波光产生图形36是由晶体30内两个光束16和24的空间/时间重叠形成的。事实上，对于两个光束16和24之间的典型夹角(即，几度)，定时光束16仅选取由反向散射光24形成的对应于重叠区域34的窄片图像。这个窄片(或虚狭缝)的宽度是由两项贡献确定的。第一项贡献是来自重叠区域34在传播通过晶体期间移动跨越图像的横向距离。若两个光束16和24以θ角相交(在晶体内部测得的夹角)和晶体的厚度为d，则这个横向距离为d·sin(θ/2)。第二项贡献是来自有限的激光脉冲持续时间T，它造成的有效横向狭缝宽度为cT/sin(θ)。对于典型的几何结构和时间长度为100飞秒的脉冲，这最后一项贡献是主要的，并导致有效的窄片(狭缝)宽度为几百微米左右。由于成像系统26通常是这样安排的，非线性晶体30上形成的图像是毫米大小，该方法可以提供有效的烧蚀结构一维横断面。

通过移动延迟线一个已知量并观察CCD摄像机上对应的变化，利用深度信息可以容易地定标摄像机记录的图形36。

根据图3b可以推论，探测光束16的延迟变化导致重叠区域34在反向散射光24形成图像上的位移。这相当于在烧蚀区6图像上移动虚狭缝，因此可用于映射各个位置处的横截面。

在上述技术的具体实施例中，采用非线性晶体BBO。两个光束的偏振方向互相平行，并垂直于晶体上入射面(s偏振方向)。对于以某个夹角相交的两个光束16和24，该晶体的取向是便于所谓和熟知的相位匹配型I的二次谐波发生。利用这种特定的相位匹配选择，上述技术在垂直于两个光束16和24延伸平面的方向上提供烧蚀区6上横截面分布。在光学装置中没有波片的情况下，这个方向平行于入射到样本7表面6上光束14的偏振方向。

图4的左半部分表示在不锈钢板机械加工期间得到的一系列图像。上述技术提供这样一种图像，其中水平方向是与时间(或深度)坐标相关，而垂直方向是沿偏振方向的空间坐标，其位置是利用定时脉冲的特定延迟选取的。在图4的一系列图像中，延迟是这样选取的，以便得到通过烧蚀区中间部分的横截面。水平轴表示对应于深度的飞行时间，在当前选取的几何结构中，较短的飞行时间是在图像的左侧。垂直方向是与横跨烧蚀空洞中心的空间坐标相关。

在启动烧蚀之后即刻拍摄的图像上，如图4a所示，样本是平整的。因此，所有反向散射辐射传播相同的距离，导致图像上单个垂直条纹41。在随后的图像上，如图4b和4c所示，激光束的中央部分已烧蚀钢板上的材料。

这就在样本中形成一个空洞，从这部分样本散射的光有到达光闸的较长飞行时间，并在原有条纹41的右侧给出信号42，43。在这些图像中，细的垂直线40表示未受扰动表面的位置，由此可以看出，位移条纹42所示的反向散射光现在相对于这个位置发生延迟，这是由于到达空洞底部经过较长的距离。在显示板c上，条纹43相对于非位移条纹41的位移变得更加显著。

图4右半部分所示的横截面曲线45，46，47是从左侧图像中提取的。根据直接定标得到曲线45，46，47的比例。通过移动延迟线20一定的量并观察条纹41，42，43的水平位移，可以得到深度定标。类似地，沿偏振方向平移已形成空洞一个特定的量(约为空洞直径的一半)并观察垂直位移，可以获得空间定标(即，成像系统26的放大倍数)。

分成两个步骤可以简化本发明优选实施例中使用的光学系统的初步调整。第一，调整激光束14，16两个部分在装置中的两个光程为相同的光程长。这可以利用高反射镜代替透镜5和样本7来完成。利用这种装置，调整该装置使两个光束组合效应产生的二次谐波光为最大，对于本领域专业人员是不复杂的。现在，这两个光程有相同的长度。第二，重新插入透镜5和测试样本7，如果需要，再插入成像透镜系统26。如果合适，调整成像透镜系统26，以便在所需的图像平面上产生样本表面的图像，例如，在非线性光学晶体30上。这可以在低的光平下完成，本领域专业人员清楚地知道，在可见光波长的条件下完成初步调整是最容易的，在此之后，改变成激光波长时只需要作微小的修正。

在成像系统的调整和设计时，必须非常小心以避免熟知的经典成像误差，也称之为像差。在本实施例的情况下，利用光阑使像差减至最小，此处利用直径为8mm的光阑放置在聚焦透镜5的前方，用于限制反向散射光传输到透镜5的中央部分。图4d展示球面像差和彗形像差的影响，其中信号44的记录类似于图4c，但在透镜5的前方没有光阑，而透镜5仅仅是一个简单的平凸透镜。引起的像差导致反向散射光24形成图像上的虚假杂散光49，特别是来自空洞边缘的反向散射光，造成信号49在烧蚀整个阶段期间仍保持零深度的假象。

另一种避免像差的解决方法是，按照标准光学显微镜中所采用的方法，透镜5采用非球面光路。这就可以保持大的数值孔径，因此在成像烧蚀区6时保持高的横向分辨率。

如上所述，深度分辨率是与激光脉冲持续时间相关。在此语境下，注意到这样的情况是重要的，其中利用聚焦透镜5使光阑成像到样本上，这种情况往往用于在样本上得到大致均匀的强度分布，激光焦点是在样本之前几个豪米。若这个焦点是在大气中，则由于非线性过程，特别是所谓的自相位调制，通常可以观察到很大的脉冲扩展。这种情况一般对激光烧蚀产生负面影响，但结合此处描述的本发明，它还有使深度分辨率下降的结果。为了避免这种效应，可以采用具有低的非线性折射率的惰性气体(所谓的n₂)。例如，在得到图4的图像时，在透镜的焦区附近采用氦气。

为了使每个脉冲跟随激光烧蚀，需要对每个激光脉冲拍摄图像。这意味着激光重复频率和视频速率必须相等。用于激光机械加工的超短脉冲激光的重复频率通常在千赫芝的范围内，而视频速率通常是在几十赫芝的区域。换句话说，为了使每个脉冲跟随机械加工，我们必须降低激光重复频率和/或利用高速摄像机。另一种可能性是接受图像采集速率，它低于激光重复频率，但仍然有足够高的频率，可以分辨材料的去除。事实上，显微机械加工领域中的典型材料去除率是每个激光脉冲0.1微米量级。因此，利用本发明几微米的深度分辨率，不可能观察到少于几十个脉冲的效应。这意味着，往往可以使用工作在100Hz以下的视频摄像机而没有信息的丢失。附图中所示的图像是利用标准视频摄像机拍摄的，它是现有商品化的帧接收器。

虽然平均深度对于千赫芝激光重复频率下的激光脉冲数目和标准视频速率下不发生大的变化，作为几十个激光脉冲下的平均值得到的图像有另一种结果：在降低激光重复频率下的研究表明，单个脉冲显示的几何信息是受先前激光脉冲在表面6上留下具体细节的影响。具体地说，可以看出，留在表面上的微小颗粒(碎片)改变每个激光脉冲的图像。在对几十个激光脉冲求平均时(即，在标准千赫芝重复频率范围内运行激光时)，这些各个脉冲起伏的影响是附加的深度分布模糊。图4所示图像上深度坐标中约20μm的模糊(半宽度)大致是由两个相等贡献部分构成：对应于cT/2＝15μm的激光脉冲的100fs脉冲持续时间，此外，各个脉冲的起伏贡献相同的量。

重要的是注意到上述深度模糊是半宽度值。深度分辨率是由确定这个分布位置的准确度所确定。这个准确度取决于测量结果的统计显著性，但它通常是半宽度的一小部分。图5a表示不锈钢板的测量深度与烧蚀时间之间的关系，它是根据图4所示的一系列图像确定的。可以看出，烧蚀速率在很好的近似下是个常数，其深度与时间之间是直线的关系。在图5b中，可以从测得的深度中删除这个线性项，便于研究测量的准确度。点散布的标准偏差为1μm，它仅仅占上述半宽度的5％。

因此，本发明中描述的系统能够产生激光烧蚀区形状的联机信息。很清楚，这个信息可用于控制机械加工过程。本发明的最明显用途是在给出的预定深度下停止样本的机械加工。显然，这对于高准确度的三维显微机械加工和激光外科手术中的某些应用是有用的。

第二个应用是利用深度分布作为调整聚焦装置(例如，透镜)位置的反馈系统，该装置用于聚焦或成像掩模到样本上。在要求机械加工很大的深度时，为了保持横向尺寸，可能需要调整透镜与样本之间距离，使接受机械加工的部件(例如，孔的底部)总是保持准确的距离。利用本发明可以实现这个目的。

在激光机械加工的一些应用中，采用样本相对于激光的平移。按照这种方式，可以从延伸的区域去除材料。这种方法有时称之为激光铣削。本发明使激光铣削到精确控制的深度变得很容易。深度分布信息反馈到扫描系统以调整样本(或激光器)的速度，因此得到具体的最后深度。由于这种方法主要依靠沿平移轴的几何结构，光闸只需要作一维成像。

图6表示在激光铣削期间得到的两个图像。在图6的两个图像中，样本相对于图像作向上运动。深度分布中的坡度表示从某些区域去除材料的不同数量，这些区域离开激光焦点61并正好进入激光焦点62。图6a表示样本快速平移期间(铣削到浅的深度61)得到的图像，而图6b对应于较慢的样本平移(铣削到较大的深度61′)。反馈系统是基于与这类似的图像/形状测量结果。在图6的图像中，脉冲能量保持恒定，仅仅改变样本的平移速度。基于从图像上的反馈，也可以逐渐减小脉冲能量以降低烧蚀速率。这对于精细部分的准确加工可能是有用的。

以上的描述设计一种用于沿激光烧蚀区上特定轴产生横截面信息的设备。由于这个方向是受垂直于进入非线性晶体的两个光束相交平面的轴控制，这个轴是不容易旋转的。然而，我们只需要复制该系统，就容易地添加另一个轴，因此增加另一个光闸。光学装置是这样安排的，使这个光闸的信号光束和定时光束相交于一个不同的平面，因此在激光烧蚀区上选取一个不同的方向。

本发明的一种特殊应用是不平整样本的激光机械加工。如上所述，产生的结构质量主要取决于透镜与样本之间距离的准确控制。若不平整样本在机械加工期间发生平移，则必须控制这个距离。若应用深度仿形切削方法，则可以确定机械加工期间的变化距离，这些信号足以用于调整扫描速度(从烧蚀表面坡度的反馈)和聚焦几何结构(从入射边缘处表面高度的反馈)。这种应用对于激光烧蚀的医疗工作是非常有用的，其中接受激光照射的样本一般有很复杂的几何形状。

在以上的描述中，重点放在提取横截面的形状。对于通孔的钻削，这种信息仍然是有价值的，因为它可用于保证样本穿透之前孔洞底部的所需形状。这对于得到通孔的所需几何形状可能是重要的。

还应当注意，在钻削通孔时横截面信息的记录事实上包含形成通孔的几何结构。具体地说，条纹宽度与深度之间的关系给出通孔宽度与深度之间的关系，即，所谓的通孔锥面。这个性质对于通孔特征是非常重要的，例如，在它们用作喷嘴的各种应用中。

注意与利用飞击式得到的横截面信息相反，只有通过收集整个系列图像才得到上述关于通孔锥面的信息。更精确地说，下至某个深度的全部图像记录提供下至该深度的通孔锥面。换句话说，在形成通孔之后才显示整个锥面。然而，钻孔时得到的信息可用于调整机械加工参数以优化所需的锥面。事实上，根据整个系列图像，不仅可以提取通孔的锥面，而且还可以重建通孔的侧壁形状。

在设计优化通孔钻屑的一些方法中，应用小于所需通孔直径的激光光斑；然后，在样本周围移动激光光斑以得到最佳的几何形状。与方法的选取无关(所谓的套孔钻屑或螺旋钻屑技术)，仍然可以利用得到几何信息的方法。当然，在机械加工期间移动激光光斑意味着，飞击式检索的几何信息是与表面上的不同点有关，但几何信息和烧蚀区已知坐标的记录仍可以提供激光烧蚀区的整个轮廓。具体地说，在激光光斑尺寸小于成形结构尺寸的限制下，可能不需要本发明的成像系统实施例：记录激光撞击点的深度，且随着激光光斑在样本周围的移动，利用扫描探测技术获得逐点的深度分布。

令人感兴趣的是，这个具体的应用，即，测量通孔的锥面或侧壁形状，与激光脉冲的持续时间没有密切的关系。即使利用飞秒脉冲持续时间的激光，锥形信息仍是有价值的：它可以提供约100微米深度分辨率的通孔宽度，且因为锥面通常是根据这些深度比例发展的，没有丢失太多信息。

只要样本的反射率是充分地低于损伤阈值，显而易见，本发明中描述的距离测量可以用作任何机械加工之前的表面仿形系统。例如，我们可以考察一种能够应用选择性机械加工的情况：需要获得一种形状，在得到所需形状之前，利用激光机械加工某个区域，例如，凸出物。这种预先机械加工仿形的另一个应用是能够在后续操作中瞄准激光烧蚀区。我们常常发现，通过反复的机械加工可以得到最佳的机械加工结果，其中每次操作仅去除很薄的一层。利用本发明，我们能够把用于机械加工激光锁定到表面上已有的结构，例如，先前激光铣削的狭缝。

本发明的特殊应用是在激光测距有非常低反射率的物体。利用常规的测距方法很难观察到这种物体。利用本发明，如上所述，我们能够应用等离子体形成阈值以上的少量脉冲，可以高准确度测定距离。在许多应用中，少量激光脉冲引起的结构变化(即，1微米数量级的材料去除)是不重要的。

本发明另一个特殊应用是透明材料的机械加工。如在几个实验研究中所展示的，可以利用有超短激光脉冲的装置，导致仅在透明媒体内部进行机械加工(或更普遍的是，材料性质的变化)。在这种装置中，能够非常准确地控制与媒体表面之间的距离是很有用的。这可以通过从表面收集反射光并完成高分辨率测量它的时间结构来完成。利用上述方法把这个信息转换成距离，因此可用于控制机械加工的深度。在一个实施例中，检测来自表面的光和来自媒体内部机械加工区的反向散射光，从而直接测量机械加工区表面之下的深度。除了改变光学材料性质的应用之外(例如，写入波导)，这个方法可应用于眼外科手术。

虽然上述的展示是在基于钛蓝宝石技术的飞秒激光特定实施例中完成的，注意到这个专利中描述的方法与实施方案的选择完全无关是重要的。同样的论述也适用于光学选通方法的具体选择。为了说明这个论述，以下总结所需的激光源和光闸特征。在未来，光学和电子工程中快速的技术发展将产生满足这些要求的新激光器系统和超高速闸门是非常可能的。

以上利用超短脉冲的激光烧蚀研究已覆盖各种波长，脉冲持续时间和脉冲能量的很大范围。此处描述的方法一般可适用于所有这些条件。激光源的两个约束条件是(i)如以上详细描述的，这种技术的深度分辨率取决于光的脉冲持续时间，和(ii)激光传递足够的能量，其中一部分的光可用于光学选通。实际上，这意味着该方法对于具有100飞秒或更短持续时间和10微焦耳以上脉冲能量的激光脉冲是特别有兴趣的。这对于未来的激光源不是一个非常严格的要求。在这方面的一个非常感兴趣的发展领域是光纤基放大的超短脉冲激光系统。如在US专利号6014249中所描述的，这种技术可能导致非常稳定和高效率的激光器。

图4和图6中包含的图像是利用基于二次谐波发生的光闸拍摄的。这仅仅是便于说明。本领域专业人员清楚地知道，可以利用其他的混频技术。一般地说，唯一的限制是存在所需过程的合适材料(非线性媒体)，这是一个正在研究的领域。此外，可以利用其他的光学选通机构(例如，Kerr光闸)，技术的发展可能导致这些其他光闸的性能提高。最后，超高速电子学的技术进展(例如，条纹摄像机)可能在某个方面导致足够快的非光闸开发，它可以利用电子闸代替光闸实现这种技术。

基于光纤技术的快速进展，值得注意的还有，本方法所需的所有基本元件原则上可以是现有的光纤元件(分束器，偏振器，波片，延迟线，和非线性媒体)。所以，在全光纤装置中实现这种技术是非常可能的(至少在非成像配置中)。这种装置在光纤基激光源方面是特别感兴趣的。

Claims (17)

1.一种用于测量激光辐照期间材料去除的方法，其中超短激光脉冲聚焦到样本区域，用于从所述区域去除材料，且辐射是从所述区域收集的，

其特征是，

-所述收集的辐射是来自所述超短激光脉冲的散射辐射，和

-该方法还包括：根据所述散射辐射，确定所述样本区域的几何信息。

2.按照权利要求1的方法，其特征是，得到所述激光脉冲的飞行时间信息，且这个飞行时间信息被转换成距离以得到所述区域的深度信息。

3.按照以上权利要求中任何一个的方法，其特征是，所述激光辐射至少分割成第一部分和第二部分，其中第一部分构成承担所述材料去除的所述超短激光脉冲，而第二部分提供确定飞行时间的定时信号。

4.按照权利要求3的方法，其特征是，所述定时信号控制光闸，用于选取有特定飞行时间的反向散射光。

5.按照权利要求4的方法，其特征是，所述光闸是基于非线性混频。

6.按照权利要求5的方法，其特征是，所述非线性混频是在非共线几何下完成的。

7.按照以上权利要求中任何一个的方法，其特征是，记录所述散射辐射以得到所述区域的横截面信息。

8.按照权利要求7的方法，其特征是，利用所述反向散射辐射的时间分辨成像到检测器上得到所述横截面信息，其中横截面是在垂直于所述超短激光脉冲传播方向的平面上。

9.按照权利要求6的方法，其特征是，所述得到横截面信息包括：在所述第二部分的空间和时间重叠条件下，所述反向散射光成像到非线性媒体上，从而利用非线性混频在所述媒体中产生图形，其中该图形显示所述横截面信息，且其中横截面是在平行于所述超短激光脉冲传播方向的平面上。

10.按照以上权利要求中任何一个的方法，其特征是，在所述激光脉冲焦点周围采用具有低非线性折射率的惰性气体，为的是优化所述几何信息的分辨率，最好是深度分辨率。

11.按照以上权利要求中任何一个的方法，其特征是，所述散射辐射至少来源于下列中的一个，

-反射表面，

-主要吸收表面，其中利用激光诱发的瞬时高反射率增强散射，

-样本表面上的漫散射，

-形成期间或之后等离子体上的散射，其中等离子体源自表面，

-形成期间或之后等离子体上的散射，其中等离子体源自透明样本内部。

12.按照权利要求1-11的方法，其特征是，所述横截面信息至少用于下列中的一种，

-调整激光机械加工期间的扫描速率，

-调整辐照样本的位置，从而保持样本区域上的最佳聚焦条件，该样本区域在平移期间接受机械加工。

13.按照权利要求1-10的方法，其特征是，所述散射辐射来源于透明样本内等离子体上的散射，并且还收集从透明样本外表面反射的辐射，用于确定到透明样本外表面的距离，为的是测量样本内等离子体的准确位置。

14.利用按照权利要求1-11的方法，用于调整辐照样本的位置，从而保持区域上的最佳聚焦条件，该区域在材料去除期间接受机械加工。

15.利用按照权利要求12的方法，用于激光外科手术或眼外科手术。

16.利用按照权利要求13的方法，用于眼外科手术。

17.利用按照权利要求1-11中任何一个的方法，在重复激光辐照之后，用于重建激光机械加工空洞的侧壁外形。

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