技术摘要：
本发明公开了一种超快激光直写制备矩形结构光栅的装置及方法，包括依次设置的激光器、光闸、准直器、孔径光阑、π‑shaper整形器、格兰激光棱镜、反射镜、扩束系统、可调矩形光阑和聚焦系统；所述计算机控制激光器、关闸、π‑shaper整形器和可调矩形光阑；利用π‑sha  全部
背景技术：
衍射光栅作为一种重要的光学元件，具有色散、分束、偏振和相位匹配等性质，在 光学测量、集成光学、光信息处理、传感器、片上实验室，滤波器以及其他领域有极为重要和 广泛的应用。目前常见的光栅加工制作方法有LIGA技术、电子束曝光法、聚焦离子束刻蚀 法、光学刻蚀法等。 LIGA是一种三维微细加工技术，在非硅领域具有很大的应用潜力，结合了X射线光 刻、微电铸和微复制。由于LIGA需要同步辐射X射线源，因此较为昂贵，UV-LIGA、Laser-LIGA 等衍生的准LIGA技术就是为了弥补这一缺陷，但是深宽比和准直度却没有LIGA好。 电子束曝光技术是一种利用高能聚焦电子束流直接将设计的图形扫描到特定的 高分子聚合物材料上，形成精细掩膜图形的工艺技术。电子束曝光技术具有不需要昂贵的 光学系统和费时的掩膜制备过程的优点，然而，电子束光刻也存在较为明显的缺陷，比如效 率低、邻近效应等。此外电子束曝光技术所需要的设备价格昂贵，运行费用高，提高了成本， 所以不利于大规模生产。 离子束刻蚀法与电子束曝光技术相似，它是利用具有一定能量的离子束轰击带有 掩模图形的固体表面，将掩模图形转移到固体表面的一种微细加工技术。聚焦离子束刻蚀 是一个无掩膜工艺，不需要电镀金属模具，而且它可以直接在极其坚硬的材料上直接制备 纳米光栅。但是，离子束加工过程的损伤问题比较突出，加工要求高真空环境下进行，且成 本较高，加工速度较低，加工的结构面积也很小。 光刻技术是现在许多微纳结构加工的首选工艺，也是目前最成熟的微纳加工技 术。对光刻技术来说，其能达到的最小加工尺度，主要取决于光刻分辨率。但由于光学衍射 极限的限制，光刻的分辨率一般只能达到几百纳米。光刻技术可控性好，成品率较高，但光 刻工艺复杂(工序多达十几道)，而且在光刻过程中用到的光刻胶容易造成环境污染。 采用传统方法制备光栅结构工艺复杂、成本较高，对环境也容易造成污染。超快激 光直写技术具有更高的灵活性，而且不需要昂贵的掩膜版，降低了成本及损耗。激光直写装 置的进一步发展受到加工效率和精度的影响及约束，为了提高光栅加工效率和加工质量， 我们需要发展一种新的直写方法，可以加工出高质量的光栅形状。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种快速、可控、高质量制备矩形结构光栅的装置和方法， 该方法利用激光光束整形器和可调矩形光阑获得能量平行分布的矩形光斑，直写在材料表 面，形成光栅结构。 为实现上述目的，本发明采用的技术方案为： 3 CN 111580203 A 说　明　书 2/4 页 一种超快激光直写制备矩形结构光栅的装置，包括依次设置的激光器、光闸、准直 器、孔径光阑、π-shaper整形器、格兰激光棱镜、反射镜、扩束系统、可调矩形光阑和聚焦系 统；所述计算机控制激光器、关闸、π-shaper整形器和可调矩形光阑。 进一步的，所述激光器发出的激光光源为皮秒激光或者飞秒激光。 进一步的，所述π-shaper整形器，可将激光能量由高斯分布转为矩形分布。 进一步的，所述格兰激光棱镜，可对激光能量进行连续调节，得到任意能量的激 光。 进一步的，所述扩束系统包括两个聚焦透镜和一个小孔光阑，平行光束经过两个 共焦点的聚焦透镜进行扩束。 进一步的，使用可调矩形光阑将扩束后的圆形光束调整为矩形光束，并可调节光 束大小。 进一步的，聚焦系统采用透镜或者显微物镜聚焦，在加工微米量级结构时，选择透 镜聚焦；在加工精度要求足够高且加工能量较低时，选择显微物镜聚焦。 进一步的，计算机与精密工作台连接，控制精密工作台三维移动，通过调节X、Y轴 水平运动，加工工件；调节Z轴位置，控制离焦量。 激光直写制备矩形结构光栅的方法，包括以下步骤： 步骤一：根据目标光栅的尺寸大小，选择合适面积的材料； 步骤二：通过计算机控制精密移动平台的移动，使焦点聚焦在材料表面； 步骤三：在计算机上设置激光器参数，比如：脉宽、脉冲频率、激光能量、扫描速度、 离焦量等参数； 步骤四：调节可调矩形光阑尺寸大小，获得不同的光斑尺寸； 步骤五：使用CAD软件绘制光路移动轨迹，控制光栅尺寸大小以及线密度； 步骤六：让刻写光路保持畅通，点击出光，进行光栅结构的刻写； 步骤七：加工结束，关闭光闸，取出光栅成品。 本发明的技术效果是： 本发明利用π-shaper整形器和可调矩形光阑，得到尺寸可调并且能量均匀分布的 矩形光斑，通过激光直写的方式在材料表面上得到光栅形状。利用矩形光斑加工时的光斑 重叠率低且无需重复刻写，提高了刻写速度，实现高效率刻写光栅结构。利用能量均匀分布 的光斑刻蚀出的矩形槽边的垂直度很高，保证了光栅的光学性能。 附图说明 图1是超快激光直写制备矩形结构光栅的装置结构图； 图2是扩束系统结构原理图； 图3是圆形光斑和矩形光斑对比图； 图4是一般激光直写的U形槽与本发明加工出的矩形槽对比图； 附图标记如下： 1-超快激光光源；2-光闸；3-准直器；4-孔径光阑；5-π—shaper整形器；6-格兰激 光棱镜；7-反射镜；8-扩束系统；9-可调矩形光阑；10-聚焦系统；11-工件；12-精密移动平 台；13-计算机。 4 CN 111580203 A 说　明　书 3/4 页