CN101829847A - 一种准分子激光微加工系统的光路调节架 - Google Patents

Abstract

一种准分子激光微加工系统的光路调节架，用于MEMS加工，属于微纳米科学与技术领域。本发明由钢架、固定在钢架上的悬挂平台(11)、安装在悬挂平台(11)上的平移调整台(13)，安装在平移调整台(13)上的转动调整台(14)，安装在转动调整台(14)上的物镜(16)组成。通过调节钢架的高度来调节物镜(16)垂直方向的位置；通过调节平移调整台(13)来调节物镜(16)在水平方向的位置，通过调节转动调整台(14)来调节物镜(16)的转动角度，实现竖直方向准分子激光光路的调整。并且设有竖直方向胀紧器(15)对调整好位置的平移调整台(13)进行固定。本发明结构稳定，操作简便，易于实现工业级准分子激光微加工。

Description

一种准分子激光微加工系统的光路调节架

技术领域

一种准分子激光微加工系统的光路调节架主要用于准分子掩膜微加工系统的光路系统工作支撑和竖直光路调整，属于微纳米科学与技术领域。

背景技术

准分子是由化学活性最稳定的惰性元素Ar、Kr、Xe和化学性质最活泼的元素F、Cl、Br的两个同核或异核原子在激发态的复合物。与通常的分子不同，准分子是束缚在电子激发态下的分子，它没有稳定的基态，即准分子是一种只在激发态才能暂时存在的不稳定分子，在基态情况下它会迅速离解成其他分子团，因此准分子的寿命很短，它的上能级寿命只有10^-8s，而激光跃迁的下能级为弱束缚态，寿命也很短，一般在10^-13s量级，由于准分子在基态时，迅速离解成独立的原子，基态基本上是抽空的，因此只要有准分子存在，就会形成极高的粒子数翻转，所以准分子激光的增益很高。由于准分子激光放电泵浦方式极容易导致弧光放电，所以准分子激光工作方式主要为脉冲方式。

除了少数准分子激光器外，准分子激光都位于紫外波段。由于准分子激光光子能量较大，和许多材料尤其是有机物的化学键能相比，它的光子能量要大于材料之间的化学键能，所以在准分子激光和材料相互作用时，准分子激光有时甚至能够直接打断材料的部分化学键而实现冷加工，在微加工领域得到了广泛的应用。准分子激光脉宽窄(约几十纳米)，有极高的功率密度，且材料对紫外激光吸收率高，因此准分子激光微细加工可用于半导体、微电子等领域。激光加工可以高效率、高质量地完成微细小孔、划片微调、切割、焊接等加工。对于微小元件、印刷电路板、集成电路、微电子元件和微小生物传感器等的制作，准分子激光微细加工是不可替代的手段。

然而，在准分子激光微加工系统的光路系统中，由于准分子激光的光斑大(30mm×15mm左右)，光斑能量分布的均匀性不好，而且准分子激光加工需要采用竖直光路，因此，为了对准分子激光光斑进行整形，要用到较长的光路，一般在2米左右。同时，为了对准分子激光进行竖直光路调整，需要使用不同于水平光路调整的光路调整方法。准分子激光微加工系统的光路系统工作支撑结构，需要具有较长的光路距离。由于不同的准分子激光器出光口的位置不同，要求准分子激光微加工系统的光路系统工作支撑结构，具有可升降调整功能并在升降调整后紧固稳定的功能。由于准分子激光微加工系统的光路系统工作支撑结构一般是置于光学平台上工作的，因此，要求准分子激光微加工系统的光路系统工作支撑结构与光学平台有完善的连接和紧固方法。准分子激光微加工系统对光路调节精度要求非常高，如果光学调整器有1μm的偏差，则可造成聚焦光斑产生10～100μm的偏差。准分子激光微加工系统中，为了使非常轻而薄的被微加工件，在微加工时各方向上受力均匀和被微加工边缘平整，要求被加工物必须水平放置，准分子激光光束经过反光镜变为竖直方向，准分子激光微加工系统的光路系统工作支撑结构，能够为准分子激光提供垂直加工空间，使光斑聚焦在被加工物上。竖直方向的光束还需要通过水平放置的光学调整器进行光束调整。将通常用于竖直放置的光学调整器变为水平放置后，需要进行竖直方向的调整并加以紧固。

传统的光路系统工作支撑结构一般采用铸铁结构支撑，其重量非常大，不易搬运，并且铸铁结构无法进行高度调节，不能满足上述的准分子激光微加工系统光路系统工作支撑结构的要求。传统的光学调整器竖直方向的调整方法非常复杂，而且由于震动和光学调整器受热不均等因素，已调整好的光学调整器竖直方向的位置极容易发生变动，经常需要重新调节。并且传统的准分子激光微加工系统的光路系统工作支撑结构通常只适用于实验室环境，不适合工业级准分子微加工生产制造领域。

发明内容

为了很好的解决上述问题，本发明提供了一种多层框架结构的光路系统工作支撑构件，可提供向下的工作光线并对竖直方向的光线进行精确调整，能够显著增强准分子激光微加工系统光路的稳定性，实现光路在竖直方向上的调整，有效地帮助了准分子激光实现了微米级微加工。

为了实现上述目的，本发明采用了如下设计方案：设计一种准分子激光微加工系统的光路调节架，该调节架由可固定于光学平台上的钢架构成，该钢架至少有两层结构，高度80cm以上，顶层有向外凸出的悬台；底层设有螺丝孔，可使螺钉穿过螺丝孔后拧入光学平台螺纹孔中，顶层设有光具导轨至悬台。

在悬台处设有向下的通光孔，通光孔上设有将水平光线反射成垂直光线穿过通光孔的反射镜；通光孔下设置有悬挂平台，悬挂平台中心为方形口，其上安装物镜，且物镜通过竖直光路调整器安装在悬挂平台上；该竖直光路调整器包括平移调整台和旋转调整台。

所述平移调整台为中心设有透光孔的方形平台，平移调整台置于悬挂平台上面，悬挂平台四边的中部设有向上折起的边沿——耳，在各耳中垂直耳的方向通过螺孔设长细牙螺杆，四面的长细牙螺杆顶住平移调整台的四边侧面，长细牙螺杆通过旋转移动，来调节平移调整台的位置；平移调整台的四角处分别设有一个竖直方向胀紧器顶在平移调整台和钢架的顶层之间，来固定平移调整台的位置。

所述旋转调整台为中心设有透光孔的方形平台，安装在平移调整台下面，且位于悬挂平台的方形口中；旋转调整台用一对相邻的垫有碟片弹簧的连接螺栓与平移调整台连接，且连接处夹有一个钢球。

在旋转调整台上取两个相距较远的位置，且这两个位置距钢球也较远，在对应这两个位置的平移调整台上通过螺孔设两个短细牙螺杆，两个短细牙螺杆顶在旋转调整台上，通过旋转短细牙螺杆可调整平移调整台与旋转调整台在短细牙螺杆处的间距，来调整旋转调整台以钢球为轴点的转动。

物镜固定在旋转调整台的透光孔下面。

所述竖直方向胀紧器由螺套、螺栓、钢珠组成，螺栓上下两头各套有一个螺套，上下螺套顶端各有一个钢珠；螺栓和螺套上设有横向的通孔，将细棍插入通孔中拧动螺栓及螺套可以对螺栓和螺套进行伸缩调节。竖直方向胀紧器可在平移调整台的四个角上各设一个。其上端顶住上层槽钢的下底面，下端与平移调整台上表面接触。当对平移调整台进行水平位置调整时，将螺栓和螺套缩短，减小竖直方向胀紧器在平移调整台上的压紧力；当平移调整台位置调整好后，拧动螺栓和螺套，使竖直方向胀紧器压紧平移调整台，防止因震动等因素造成的平移调整台位置变化。

所述光具导轨采用大理石衬底的光具导轨。

所述钢架可以由上层槽钢，中层槽钢，底层槽钢及将三层槽钢连接在一起的长螺栓构成。三层槽钢平行间隔设置，其间隔通过长螺栓中的螺母的位置调节；其中，中层槽钢和底层槽钢长度相同，上层槽钢比中层槽钢和底层槽钢长，长出部分形成悬台，在悬台的中心位置有一个圆形通光孔，通光孔正上方架设反射镜；底层槽钢中轴线方向上设有一系列方形孔，方形孔的边长大于光学平台台面上相邻两个螺纹孔之间的距离，采用大于方形孔跨度的压铁和穿过压铁并固定在光学平台螺纹孔中的螺钉将底层槽钢紧压固定于光学平台上；所述悬挂平台为U形板，U形板两侧壁通过螺钉固定在形成悬台的上层槽钢两侧。

所述长螺栓采用方头长螺栓，螺栓头的一条边正好与槽钢的一个槽边紧密接触。

本发明有如下特点：1、本发明将水平光路变为垂直光路，并实现全维度精细调节，可以对不适宜夹持的轻而薄被加工物件实施水平加工。2、采用多层槽钢作为主体结构，与光学平台紧固在一起，其结构不易变形；并采用大理石轨道，提高了光路的稳定性。本发明可满足用于支撑较长光路的要求。

附图说明

图1本发明一个实施例中的钢架截面示意图

图2图1中钢架的左视图

图3图1中钢架的底层槽钢示意图

图4图1所示实施例中的竖直光路调整部分及物镜示意图

图5本发明实施例中的平移调整台、旋转调整台和物镜连接示意图

图6本发明实施例中的悬挂平台和平移调整台俯视图

图7本发明实施例中的旋转调整台和悬挂平台仰视图

图中，1、上层槽钢，2、中层槽钢，3、底层槽钢，4、长螺栓，5、螺母，6、通光孔，7、光具导轨，8、方形孔，9、压铁，10、螺钉，11、悬挂平台，12、方形口，13、平移调整台，14、旋转调整台，15、竖直方向胀紧器，16、物镜，17、长细牙螺杆，18、短细牙螺杆，19、碟片弹簧，20、钢球，21、安装长螺栓的螺孔，22、钢珠，23、通孔，24、钢珠槽，25、凹槽，26、耳

具体实施方式

下面结合图1至图7说明本发明的一优选实施例。

本实施例的钢架由三层槽钢构成，包括上层槽钢1、中层槽钢2、底层槽钢3，高度100cm，用长螺栓4和螺母5将三层槽钢连接固定在一起。上层槽钢1比中层槽钢2、底层槽钢3长处20厘米，形成悬台。将压铁9两端搭放在底层槽钢的方形孔8两边沿，将螺钉10穿过压铁9上的长条形口，拧入光学平台台面上的螺纹孔中，将底层槽钢3与光学平台固定连接在一起，保证光路支撑结构的稳定性。在上层槽钢1上铺设大理石光具导轨7，将光学元件固定在大理石导轨7上。

在通光孔6正上方架设反射镜，水平光路从钢架的上层槽钢1右方射向左方，经过反射镜的反射，光路发生偏转，通过通光孔6垂直向下射向位于通光孔6正下方的物镜16。

物镜16安装在悬挂平台11上的竖直光路调整器中。其中，所述悬挂平台11为U形板，U形板两侧壁通过螺钉固定在形成悬台的上层槽钢1两侧。所述竖直光路调整器包括平移调整台13和旋转调整台14。

平移调整台13为正方形，放置在悬挂平台11上面，其调节方式为：在悬挂平台11四个边沿上各通过垂直方向的耳26设置一个长细牙螺杆17(U形板的两侧壁作为两个耳)，长细牙螺杆17通过耳的螺纹孔设置在耳上，使长细牙螺杆17可以通过旋转移动，四个长细牙螺杆17分别顶在平移调整台13的四边侧面的凹槽25中，配合拧动长细牙螺杆17，可以使平移调整台13在悬挂平台11上进行水平方向的二维运动，进而带动物镜16进行水平方向调节。

平移调整台13调整好后，用竖直方向胀紧器15顶在平移调整台13和上层槽钢1间来固定平移调整台13的位置。竖直方向胀紧器15为在螺栓上下两头各旋接一个螺套，两个螺套的顶端各有一个钢珠22，螺栓和螺套上各设有通孔23(图4中只画出螺套上的通孔)，将细棍插入通孔23中拧动螺栓及螺套，对螺栓和螺套进行伸缩调节。在平移调整台13的四个角分别设一个竖直方向胀紧器15，通过调节螺栓和螺套的伸缩使各钢珠22分别顶在上层槽钢1下面和平移调整台13上，且在上层槽钢1下面和平移调整台13上的竖直方向胀紧器15接触点分别设钢珠槽24，防止钢珠22滑脱。由于受热不均匀等因素，平移调整台有可能不严格位于水平面上，这时竖直方向胀紧器的螺杆和螺套绕钢珠发生倾斜，通过钢珠仍然可以将压紧的力传递到平移调整台上将其压紧。从而实现平移调整台的非垂直固定。

旋转调整台14亦为正方形，安装在平移调整台13下面。悬挂平台11中间设方形口12，其口径大于旋转调整台14的尺寸，使旋转调整台14置于方形口12中。旋转调整台14的一角设有两个通孔，在平移调整台13相对应的位置也有两个通孔，两组通孔处有两个碟片弹簧19，用两支螺钉穿过这两组的通孔及碟片弹簧19，并拧上螺母，将平移调整台13和旋转调整台14连接在一起。平移调整台13和旋转调整台14在两组通孔所在的那一角上夹住一个钢球20。钢球20起到旋转调整台14俯仰调整的支撑点作用，两组碟片弹簧19起复位作用。钢球20所在的角的相邻两个角上有两根短细牙螺杆18。短细牙螺杆18通过螺孔安装在平移调整台13上，其端部顶在旋转调整台14上，拧动短细牙螺杆18，可以调节旋转调整台14的俯仰，进而带动物镜16进行俯仰调节。

调整垂直光路时，配合拧动四根长细牙螺杆17，调节平移调整台13在水平方向的位置，带动物镜16在水平方向运动，将通过物镜16出射的激光光斑投射在物镜16下方的被加工物件上。平移调整台13的位置调整好后，用细钢棍插入竖直方向胀紧器15的通孔中，拧动螺栓和螺套，将平移调整台13压紧。拧动短细牙螺杆18，调节旋转调整台14的俯仰，带动物镜16进行俯仰，进一步调整通过物镜16出射的激光光斑在被加工物件上的形状，获得用于加工的理想光斑形状。

调节螺母5在螺栓上的位置，可以改变上层槽钢1的高度，达到光路系统钢架升降调整功能。

Claims (5)

1.一种准分子激光微加工系统的光路调节架，该调节架由可固定于光学平台上的钢架构成，

其特征在于：该钢架至少有两层结构，高度80cm以上，顶层有向外凸出的悬台；底层设有螺丝孔，可使螺钉(10)穿过螺丝孔后拧入光学平台螺纹孔中，顶层设有光具导轨(7)至悬台；

在悬台处设有向下的通光孔(6)，通光孔(6)上设有将水平光线反射成垂直光线穿过通光孔(6)的反射镜；通光孔(6)下设置有悬挂平台(11)，悬挂平台(11)中心为方形口(12)，其上安装物镜(16)，且物镜(16)通过竖直光路调整器安装在悬挂平台(11)上；该竖直光路调整器包括平移调整台(13)和旋转调整台(14)；

所述平移调整台(13)为中心设有透光孔的方形平台，平移调整台(13)置于悬挂平台(11)上面，悬挂平台(11)四边的中部设有向上折起的边沿——耳，在各耳中垂直耳的方向通过螺孔设长细牙螺杆(17)，四面的长细牙螺杆(17)顶住平移调整台(13)的四边侧面，长细牙螺杆(17)通过旋转移动，来调节平移调整台(13)的位置；平移调整台(13)的四角处分别设有一个竖直方向胀紧器(15)顶在平移调整台(13)和钢架的顶层之间，来固定平移调整台(13)的位置；

所述旋转调整台(14)为中心设有透光孔的方形平台，安装在平移调整台(13)下面，且位于悬挂平台(11)的方形口(12)中；旋转调整台(14)用一对相邻的垫有碟片弹簧(19)的连接螺栓与平移调整台(13)连接，且连接处夹有一个钢球(20)；

在旋转调整台上取两个相距较远的位置，且这两个位置距钢球(20)也较远，在对应这两个位置的平移调整台(13)上通过螺孔设两个短细牙螺杆(18)，两个短细牙螺杆(18)顶在旋转调整台(14)上，通过旋转短细牙螺杆(18)可调整平移调整台(13)与旋转调整台(14)在短细牙螺杆(18)处的间距，来调整旋转调整台(14)以钢球(20)为轴点的转动；

物镜(16)固定在旋转调整台(14)的透光孔下面。

2.如权利要求1所述的一种准分子激光微加工系统的光路调节架，其特征在于：所述竖直方向胀紧器(15)由螺套、螺栓、钢珠(22)组成，螺栓上下两头各套有一个螺套，上下螺套顶端各有一个钢珠(22)；螺栓和螺套上设有横向的通孔(23)，将细棍插入通孔(23)中拧动螺栓及螺套可以对螺栓和螺套进行伸缩调节。

3.如权利要求1或2所述的一种准分子激光微加工系统的光路调节架，其特征在于：所述光具导轨(7)采用大理石衬底的光具导轨。

4.如权利要求1-3中任一项所述的一种准分子激光微加工系统的光路调节架，其特征在于：所述钢架由上层槽钢(1)，中层槽钢(2)，底层槽钢(3)及将三层槽钢连接在一起的长螺栓(4)构成，三层槽钢平行间隔设置，其间隔通过长螺栓(4)中的螺母(5)的位置调节；其中，中层槽钢(2)和底层槽钢(3)长度相同，上层槽钢(1)比中层槽钢(2)和底层槽钢(3)长，长出部分形成悬台，在悬台的中心位置有一个圆形通光孔(6)，通光孔(6)正上方架设反射镜；底层槽钢(3)中轴线方向上设有一系列方形孔(8)，方形孔(8)的边长大于光学平台台面上相邻两个螺纹孔之间的距离，采用大于方形孔(8)跨度的压铁(9)和穿过压铁(9)并固定在光学平台螺纹孔中的螺钉(10)将底层槽钢(3)紧压固定于光学平台上；所述悬挂平台(11)为U形板，U形板两侧壁通过螺钉固定在形成悬台的上层槽钢(1)两侧。

5.如权利要求4所述的一种准分子激光微加工系统的光路调节架，其特征在于：所述长螺栓(4)采用方头长螺栓，螺栓头的一条边正好与槽钢的一个槽边紧密接触。

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