CN102759856A - 激光辅助辊压印制造机床用反射型长光栅工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种激光辅助辊压印制造机床用反射型长光栅的工艺方法：将准分子激光的出射光束调制成光强均匀分布的线状光束；再将之始终定向照射于压印区域；使压印区域光栅尺胚上表面的金属材料在压印的瞬间被加热至其熔点附近的温度，从而使该区域的金属具备一定的流动性，能够在较小的压印力下，完成向石英辊压印模具上光栅微结构槽形凹腔中填充，被加热区域脱离激光辐照区域后金属材料瞬时冷却固化使光栅线纹微结构保型，完成光栅线纹从辊压印模具到光栅尺胚上的高精度复型。本发明方法适用于反射型长光栅(一米以上)，及至超长光栅(几米及至几十、上百米的柔性金属带材)的高精度、低成本的批量制造，极具推广价值与应用前景。
Description
技术领域
本发明属于机床用长光栅的制造技术领域，特别涉及一种机床用反射型长光栅的激光辅助辊压印制造工艺方法。
技术背景
光栅尺有着安装简便，精度高的技术优点，适用于机械加工过程中刀具和工件直线位置的实时检测，因此光栅尺作为进给系统反馈元件在数控机床上得到了广泛应用。
目前主流的光栅尺制造方法是通过光刻制造高精度的母光栅，再以其为母版进行光刻或翻模复制，工艺步骤繁复，精度损失大，而且受制于光刻技术限制，难于实现大尺度超长的母光栅制造，在超大行程的位置检测中只能够采用多栅尺拼接的方式，增加了的安装与调试难度。辊压印工艺是纳米压印光刻技术的一种，利用辊压印模具上连续无接缝的光栅线纹图形，可连续辊压复制光栅，能够实现超长光栅的制备，具备连续生产，高产能，低成本的技术优势。
限于纳米压印工艺依靠机械力实现微结构复型的技术原理，传统的辊压印技术是以极大的压印力来实现压印材料向模具上微结构凹腔中的填充，从而完成微结构图形的复型，尤其对于反射型光栅尺的制造，压印材料为金属，致使其发生塑性变形向模具上微结构凹腔中填充，所需要的压印力极其巨大，会导致压印机构的极大的变形，影响压印设备的运行精度；同时固体金属材料的流动性极其有限，在发明者的前期工艺实验中发现，即便极大的压印力也无法完成金属材料在模具微结构凹腔中超过80%的填充率，这种不完整的填充，造成光栅尺线纹槽形的不可控，从而导致后续的反射式光栅尺读数系统中，光路信号的不稳定。因此，这种传统的辊压印方式在面对高精度等级(优于±1μm)的光栅尺辊压印制造，存在较大的技术障碍。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光辅助辊压印制造机床用反射型长光栅的工艺方法，以解决上述技术问题。
本发明方法利用光束整形和聚焦光学系统，将脉冲激光的出射光束调制成光强均匀分布的线光束(宽度方向几十微米，长度方向十几毫米)；再将之引入表面具有光栅线纹特征的圆柱型石英辊压印模具的空心型腔中，在辊压印模具绕其轴心旋转的辊压印制备机床用反射型长光栅过程中，使光束始终定向照射于辊压印模具与光栅尺胚接触的压印区域，其辐照宽度为压印区域中的几个栅距(几十至100μm)；利用脉冲激光的极高的瞬时功率，使压印区域光栅尺胚上表面的金属材料在压印的瞬间被加热至其熔点附近的温度，从而使该区域的金属具备一定的流动性，能够在较小的压印力下，完成向石英辊压印模具上光栅微结构槽形凹腔中填充，随着辊压印模具的转动及光栅尺胚的水平前行，被加热区域脱离激光辐照区域，上一压印区域的金属材料瞬时冷却固化使光栅线纹微结构保型，完成光栅线纹从辊压印模具到光栅尺胚上的高精度复型。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
激光辅助辊压印制造机床用反射型长光栅工艺方法，包括以下步骤：
(1)石英辊压印模具加工：使用金刚石刀具车削加工中空的石英模具胚材，形成辊压印模具基体，基体包括凸出的中间部分和位于中间部分两侧的轴肩；
(2)石英辊压印模具光栅线纹图形制造：使用旋转曝光方法结合湿法腐蚀工艺，在基体的中间部分制造光栅线纹图形；
(3)光栅尺胚制造：所述光栅尺胚为表面设有金属膜层的硬质玻璃或柔性金属带材；
(4)准分子激光光束整形：采用光束整形光学系统对准分子激光器的输出光束进行整形；
(5)准分子激光光束聚焦：经整形后的准分子激光束在短轴方向使用一石英材质的柱面聚焦透镜进行进一步的聚焦，使其成为宽度限定在100μm以内量级的线状光束；
(6)准分子激光光束引入：经过整形与聚焦的准分子激光束通过若干组反射镜进行变向，引入石英辊压印模具的中心空腔，使其定向辐照于压印区域，其中，反射出辐照于压印区域的激光束的反射镜安装于石英辊压印模具的中心空腔内，在石英辊压印模具绕其轴心线旋转时，此反射镜随机架固定；
(7)连续辊压印制造反射型长光栅：将光栅尺胚放置于石英辊压印模具与支承辊之间，当石英辊压印模具接触光栅尺胚后，石英辊压印模具绕轴心旋转，同时作为主动辊驱动光栅尺胚向前平动；在压印过程中，激光光束始终定向照射于石英辊压印模具与光栅尺胚接触的压印区域。
本发明进一步的改进在于：步骤(1)中石英辊压印模具的材料为UV级熔融石英；石英辊压印模具的中间部分外径为100-300mm，中心空腔直径80-140mm，加工后，表面粗糙度<50nm，圆柱度及同心度<1μm。
本发明进一步的改进在于：步骤(2)中旋转曝光工艺中光刻胶的涂铺方法为提拉法，提拉速度为1-10mm/s，胶层厚度为5-10μm；步骤(2)中旋转曝光工艺中光刻胶为瑞虹系列光刻胶或永光系列光刻胶；步骤(2)中旋转曝光工艺中石英辊压印模具湿法刻蚀工艺所使用的腐蚀液为氢氟酸基的腐蚀液，使用氟化铵、氟化钾作为缓冲剂，工艺温度为40-70℃。
本发明进一步的改进在于：步骤(3)中，所述金属膜层的厚度为5-20μm的Al、Cu、Cr或者不锈钢膜层，其通过蒸镀或溅射的方法设置于硬质玻璃上；所述柔性金属带材为表面抛光成镜面的Al、Cu或不锈钢带。
本发明进一步的改进在于：步骤(4)中所使用的准分子激光器为波长193nm的ArF、波长222nm的KrCI、波长248nm的KrF、波长253nm的XeI、波长308nm的XeCI或者波长351nm的XeF准分子光源，单脉冲能量处于500mJ~1.5J，脉宽几十纳秒量级，重复频率10~1000Hz。
本发明进一步的改进在于：步骤(4)中所使用的光束整形光学系统由光束扩展器、均化器组成，经整形的光束长轴方向为10-15mm，短轴方向为5-8mm。
本发明进一步的改进在于：步骤(5)中聚焦透镜为UV级熔融石英材质，经过聚焦后，使其光束的长轴方向尺寸不变，将短轴方向宽度尺寸限定在10至100μm量级的线状光束，长度为整个线纹带的宽度。
本发明进一步的改进在于：步骤(6)中，经过整形与聚焦的准分子激光束通过两组反射镜进行变向，其中第一个反射镜将激光束引入石英辊压印模具的中心空腔，第二个反射镜使其定向辐照于压印区域，第二个反射镜通过支架安装于石英辊压印模具的中心空腔内，在石英辊压印模具绕其轴心线旋转时，此反射镜固定。
本发明进一步的改进在于：1步骤(6)中的反射镜为UV级熔融石英材质，表面为低损耗介电镀膜，损伤阈值大于5J/cm2，设计入射角为45°、适用于波长为193nm、222nm、248nm、253nm、308nm和351nm的激光器。
本发明进一步的改进在于：步骤(6)中的压印过程，激光光束始终定向照射于辊压印模具与光栅尺胚接触的压印区域，其辐照宽度为10至100μm；利用脉冲激光的极高的瞬时功率，使压印区域光栅尺胚上表面的金属材料在压印的瞬间被加热至具备流动性，在压印力下，完成向石英辊压印模具上光栅微结构槽形凹腔中填充，随着辊压印模具的转动及光栅尺胚的水平前行，被加热区域脱离激光辐照区域，上一压印区域的金属材料瞬时冷却固化使光栅线纹微结构保型，完成光栅线纹从辊压印模具到光栅尺胚上的高精度复型。
压印模具为空心的石英材质圆柱，其柱状表面存在着经过圆柱旋转曝光和湿法刻蚀成型的无接缝光栅线纹图形；所使用的脉冲激光为短波长，高能量的准分子激光，经过光束整形，将之调制成线状光束，引入到透明石英辊压印模具的中心空腔中，使其定向辐照于压印区域(模具与光栅尺胚表面压印印的接触区域，其宽度为几个光栅栅距)；利用准分子激光的高能量脉冲，将压印区域的金属材料瞬间被加热至接近于金属材料的熔点温度，使其具有一定的流动性，能够在极小的压印力下完成向辊压印石英模具光栅线纹。
相对于现有技术，本发明具有以下优点：本发明方法通过将脉冲激光，引入到透明石英辊压印模具的中心空腔中，使其定向辐照于压印区域(模具与光栅尺胚表面压印印的接触区域，其宽度为几个光栅栅距)；利用准分子激光的高能量脉冲，将压印区域的金属材料瞬间被加热至接近于金属材料的熔点温度，使其具有一定的流动性，能够在极小的压印力下完成向辊压印石英模具光栅线纹；减小了压印力，金属材料在模具微结构凹腔中填充率高，光栅尺线纹槽形的可控；本发明所公开的脉冲激光辅助辊压印制造反射型长光栅的工艺方法适用于反射型长光栅(一米以上)，及至超长光栅(几米及至几十、上百米的柔性金属带材)的高精度、低成本的批量制造，极具推广价值与应用前景。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。
图1A是石英辊压印模具三维结构示意图。
图1B是石英辊压印模具光栅栅线图形带剖面示意图。
图2是激光辅助辊压印机构示意图。
图3A是准分子激光激光器的输出光束短轴光强分布示意图。
图3B是准分子激光激光器的输出光束长轴光强分布示意图。
图4是激光辅助辊压印原理示意图。
图中：1为准分子激光器；2为出射光束；3为光束整形光学系统；4为整形后的激光束；5为聚焦透镜；6为聚焦光束；7为反射镜1；8为反射光束1；9为反射镜2；10为反射光束2；11为Al层；12为光栅尺胚支撑辊；13为基体；14为金属熔化区；15为光栅栅线图形区域；16为玻璃基底。
具体实施方式
下面通过附图及具体实施实例详细介绍本发明。但以下实施实例仅限于解释本发明，本发明的保护范围就包括权利要求的全部内容。
本发明的激光辅助辊压印制造机床用反射型长光栅工艺方法的一种具体实施方式是通过下述步骤实现的。该方法包括以下步骤：
(1)石英辊压印模具加工：使用单点金刚石刀具超精密车削工艺，加工中空的石英模具胚材，形成辊压印模具基体13，基体13的外形如图1A所示，其包括凸出的中间部分130和位于中间部分两侧的轴肩131。
本实施例所用的辊压印模具材料UV级熔融石英，石英辊压印模具基体13的外径D=200mm，中心空腔直径d=140mm，中间部分130的宽度=40mm，两侧轴肩131宽度为20mm，加工方式为金刚石刀具超精密车削，加工完成后，外圆面表面粗糙度<50nm，圆柱度及同心度<1μm。
(2)石英辊压印模具光栅线纹图形制造：使用旋转曝光方法结合湿法腐蚀工艺，在基体的中间部分制造光栅线纹图形，光栅线纹如图1B所示。
本实施实例光刻操作中所用的光刻胶为永光正性光刻胶，粘度为30cp，光刻胶涂布方式为提拉法，提拉速度为5mm/s，胶层厚度为6μm。
本实施实例光刻操作中所要制作的光栅尺栅距为20μm，线纹长度即光栅栅线图形区域15的宽度为10mm，曝光采用柱面旋转曝光方式，显影后使用湿法刻蚀工艺对石英材料进行光栅线纹图形的制造。
本实施实例操作中石英辊压印模具湿法刻蚀工艺所使用的腐蚀液为氢氟酸(HF)基的化学液体，使用氟化铵(NH4F)、氟化钾(KF)作为缓冲剂，工艺温度为50℃。
(3)光栅尺胚加工：光栅尺胚基底加工及其表面金属层的沉积。
本发明专利中所涉及的光栅尺胚的基底材料可以是硬质玻璃，也可以是能够盘绕成卷的柔性金属带材，对于硬质玻璃，需要对玻璃表面通过蒸镀或溅射上一层金属材料，如Al、Cu或者Cr，厚度为5-20μm，对于柔性金属带材，可以经过表面镜面抛光的Al、Cu或不锈钢带；
本实施实例所用的光栅尺胚为玻璃基底16表面蒸镀Al层11，玻璃基底16经过剪切，抛光，加工尺寸为：宽度20mm，厚度4mm，长度1-3.3m。加工完成，经清洗、烘干后在玻璃表面蒸镀一层15μm厚Al层11。
(4)准分子激光光束整形：如附图2光路图所示，准分子激光器1的出射光束2是准矩形光束，在短轴方向，呈近高斯分布，在长轴方向，呈超级高斯分布(截面的光束强度在当中有一个较大的平台，近边缘处，开始下降)，如图3A及3B所示。为将这种非均匀光强分布的光束转换成均匀分布，需要进行光束整形处理。针对准分子激光的光束整形光学系统已经相当成熟，一般由光束扩展器、均化器组成，经整形的光束尺寸由光束整形光学系统出口的几何尺寸决定，根据光栅尺上线纹区域的宽度要求，长轴方向一般为10-15mm，短轴方向根据下一处理单元－聚焦透镜的参数进行决定，一般为5-8mm；
本实施实例所用准分子激光器1参数为波长为308nm，脉宽为30ns，最大重复频率为10Hz，最大脉冲能量为500mJ/pulse。输出光束大小为8×24mm2。本实施实例所用光束整形光学系统3由扩束器、均化器组成，整形后的激光束4尺寸在长轴方向为10mm，短轴方向5mm。
(5)准分子激光光束聚焦：经整形后的准分子激光束4需要在短轴方向使用一石英材质的柱面聚焦透镜5进行进一步的聚焦，以保证在引入石英辊压印模具的空腔进行定向辐照时，瞬间熔化金属的宽度仅为光栅尺的几个栅距。
在本实施实例中，需要将光束在短轴方向上聚焦为100μm，以保证仅在压印区域的金属得到瞬间熔化。
(6)准分子激光光束引入：经过聚焦透镜5聚焦的聚焦光束6经过两组反射镜(7及9)进行传输方向的改变，引入石英辊压印模具基体13的中心空腔，使其定向辐照于压印区域。其中，反射镜9通过一固定安装座固定于中心空腔中，在石英辊压印模具绕其轴心线旋转时，反射镜9随机架固定，保证激光束10的定向辐照。
在激光束10的作用下，光栅尺胚16上表面的Al层11被瞬间加热600℃(Al熔点附近)熔化。
(7)连续辊压印制造反射型长光栅：如图4所示，在辊压印工艺过程中，压印力依靠基体13下压进行施加，光栅尺胚放置于支撑辊12之上，当石英辊压印模具接触光栅尺胚表面Al层11后，石英辊压印模具绕轴心旋转，同时作为主动辊驱动光栅尺胚向前平动。在压印过程中，使激光光束10始终定向照射于石英辊压印模具与光栅尺胚接触的压印区域，其辐照宽度为压印区域中的100μm；利用脉冲激光10极高的瞬时功率，使压印区域光栅尺胚上表面的Al层11在压印的瞬间被加热至其熔点附近(600)的温度，从而使该区域的金属具备一定的流动性，形成金属熔化区14。能够在较小的压印力下，完成向石英辊压印模具上的光栅微结构槽形凹腔中填充，随着石英辊压印模具的转动及光栅尺胚的水平前行，金属熔化区14脱离激光辐照区域，此区域的金属材料瞬时冷却固化使光栅线纹微结构保型，完成光栅线纹从辊压印模具到光栅尺胚上的高精度复型。
本发明所公开的脉冲激光辅助辊压印制造反射型长光栅的工艺方法适用于反射型长光栅(一米以上)，及至超长光栅(几米及至几十、上百米的柔性金属带栅)的高精度、低成本的批量制造，极具推广价值与应用前景。
Claims (10)
1.激光辅助辊压印制造机床用反射型长光栅工艺方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)石英辊压印模具加工：使用金刚石刀具车削加工中空的石英模具胚材，形成辊压印模具基体，基体包括凸出的中间部分和位于中间部分两侧的轴肩；
(2)石英辊压印模具光栅线纹图形制造：使用旋转曝光方法结合湿法腐蚀工艺，在基体的中间部分制造光栅线纹图形；
(3)光栅尺胚制造：所述光栅尺胚为表面设有金属膜层的硬质玻璃或柔性金属带材；
(4)准分子激光光束整形：采用光束整形光学系统对准分子激光器的输出光束进行整形；
(5)准分子激光光束聚焦：经整形后的准分子激光束在短轴方向使用一石英材质的柱面聚焦透镜进行进一步的聚焦，使其成为宽度限定在100μm以内量级的线状光束；
(6)准分子激光光束引入：经过整形与聚焦的准分子激光束通过若干组反射镜进行变向，引入石英辊压印模具的中心空腔，使其定向辐照于压印区域，其中，反射出辐照于压印区域的激光束的反射镜安装于石英辊压印模具的中心空腔内，在石英辊压印模具绕其轴心线旋转时，此反射镜随机架固定；
(7)连续辊压印制造反射型长光栅：将光栅尺胚放置于石英辊压印模具与支承辊之间，当石英辊压印模具接触光栅尺胚后，石英辊压印模具绕轴心旋转，同时作为主动辊驱动光栅尺胚向前平动；在压印过程中，激光光束始终定向照射于石英辊压印模具与光栅尺胚接触的压印区域。
2.按照权利要求1所述的激光辅助辊压印制造机床用反射型长光栅工艺方法，其特征在于：步骤(1)中石英辊压印模具的材料为UV级熔融石英；石英辊压印模具的中间部分外径为100-300mm，中心空腔直径80-140mm，加工后，表面粗糙度<50nm，圆柱度及同心度<1μm。
3.按照权利要求1所述的激光辅助辊压印制造机床用反射型长光栅工艺方法，其特征在于：步骤(2)中旋转曝光工艺中光刻胶的涂铺方法为提拉法，提拉速度为1-10mm/s，胶层厚度为5-10μm；步骤(2)中旋转曝光工艺中光刻胶为瑞虹系列光刻胶或永光系列光刻胶；步骤(2)中旋转曝光工艺中石英辊压印模具湿法刻蚀工艺所使用的腐蚀液为氢氟酸基的腐蚀液，使用氟化铵、氟化钾作为缓冲剂，工艺温度为40-70℃。
4.按照权利要求1所述的激光辅助辊压印制造机床用反射型长光栅工艺方法，其特征在于：步骤(3)中，所述金属膜层的厚度为5-20μm的Al、Cu、Cr或者不锈钢膜层，其通过蒸镀或溅射的方法设置于硬质玻璃上；所述柔性金属带材为表面抛光成镜面的Al、Cu或不锈钢带。
5.按照权利要求1所述的激光辅助辊压印制造机床用反射型长光栅工艺方法，其特征在于：步骤(4)中所使用的准分子激光器为波长193nm的ArF、波长222nm的KrCI、波长248nm的KrF、波长253nm的XeI、波长308nm的XeCI或者波长351nm的XeF准分子光源，单脉冲能量处于500mJ~1.5J，脉宽几十纳秒量级，重复频率10~1000Hz。
6.按照权利要求1所述的激光辅助辊压印制造机床用反射型长光栅工艺方法，其特征在于：步骤(4)中所使用的光束整形光学系统由光束扩展器、均化器组成，经整形的光束长轴方向为10-15mm，短轴方向为5-8mm。
7.按照权利要求1所述的激光辅助辊压印制造机床用反射型长光栅工艺方法，其特征在于：步骤(5)中聚焦透镜为UV级熔融石英材质，经过聚焦后，使其光束的长轴方向尺寸不变，将短轴方向宽度尺寸限定在10至100μm量级的线状光束，长度为整个线纹带的宽度。
8.按照权利要求1所述的单激光辅助辊压印制造机床用反射型长光栅工艺方法，其特征在于：步骤(6)中，经过整形与聚焦的准分子激光束通过两组反射镜进行变向，其中第一个反射镜将激光束引入石英辊压印模具的中心空腔，第二个反射镜使其定向辐照于压印区域，第二个反射镜通过支架安装于石英辊压印模具的中心空腔内，在石英辊压印模具绕其轴心线旋转时，此反射镜固定。
9.按照权利要求1所述的激光辅助辊压印制造机床用反射型长光栅工艺方法，其特征在于：1步骤(6)中的反射镜为UV级熔融石英材质，表面为低损耗介电镀膜，损伤阈值大于5J/cm2，设计入射角为45°、适用于波长为193nm、222nm、248nm、253nm、308nm和351nm的激光器。
10.按照权利要求1所述的激光辅助辊压印制造机床用反射型长光栅工艺方法，其特征在于：步骤(6)中的压印过程，激光光束始终定向照射于辊压印模具与光栅尺胚接触的压印区域，其辐照宽度为10至100μm；利用脉冲激光的极高的瞬时功率，使压印区域光栅尺胚上表面的金属材料在压印的瞬间被加热至具备流动性，在压印力下，完成向石英辊压印模具上光栅微结构槽形凹腔中填充，随着辊压印模具的转动及光栅尺胚的水平前行，被加热区域脱离激光辐照区域，上一压印区域的金属材料瞬时冷却固化使光栅线纹微结构保型，完成光栅线纹从辊压印模具到光栅尺胚上的高精度复型。
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