摘要
微偏振片阵列是偏振探测系统中的重要微纳光学元件，广泛应用于军事、医学、生物等领域。运用飞秒激光直写技术来加工微偏振片阵列，无需提前制作掩膜版，具备工艺流程简单、通用性好的优势。然而，受到光机电系统的系统误差和基底制造误差的影响，在飞秒激光大幅面直写过程中难以精确地控制正焦位置，会使得光束偏离其理想路径，无法保证大幅面微单元尺寸的一致性。此外，传统激光直写工艺在加工离散化图案时，需频繁启停和换向从而导致加工效率低。为此，本论文面向编码型微偏振片阵列的飞秒激光直写制造工艺，开展正焦位置在线测量、离焦距离补偿以及离散图案加工轨迹连续化的研究，旨在实现高精度和高效率的微偏振片阵列微纳制造，主要研究内容如下： 针对正焦位置的确定，研究了基于聚焦深度法的自动对焦技术，比较不同类型调焦评价函数的优缺点，提出了图像清晰度评价性能较好的Laplace-DWT调焦评价函数；针对飞秒激光直写实验平台的监测系统，提出了自适应调焦窗口位置和大小的调焦窗口选择方法；比较了不同调焦搜索算法的优缺点，提出了适用于飞秒激光直写实验平台的自适应步长的改进式爬山搜索法，可快速确定单点正焦位置，为高效率、高精度调焦奠定基础。 针对大幅面加工过程中离焦问题，提出了基于双线性插值方法的离焦补偿方案，总体上分为两步，一是将加工区域网格化，使用基于聚焦深度法的自动对焦技术获取加工区域的离焦信息，二是利用双线性插值方法对加工轨迹进行分段式离焦补偿。在此基础上，通过实验确定了不同倍镜所使用的网格化间距以及分段补偿间距，实现加工区域内任意位置的焦点补偿。 针对飞秒激光直写离散图案加工效率低的问题，将MPA阵列不同方向离散图案进行连续化，结合位置同步曝光，解决频繁换向问题。然后，通过实验计算出快门开关响应延迟时间，解决加工轨迹偏移的问题。最后设置加工速度前瞻模式使加工速度连续化，避免频繁启停，实现高精度、高效率微纳制造。 最后，设计DXF转码程序，通过读取加工轨迹DXF文件生成G代码加工文件，以此开发出MPA器件编程软件，实现了焦点搜索、加工轨迹分段式离焦补偿、加工轨迹和加工速度的连续化等功能。在此基础上，初步制备出周期为3μm、占空比为0.5的MPA阵列，验证了本论文所提出方法的正确性和有效性。
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