CN103180083B - 形成光学器件的方法 - Google Patents

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Abstract

一种形成光学器件的方法，该方法包括：向表面的目标区域施加激光束，从而选择性地加热所述表面的材料，以由此由于表面张力梯度而提供材料转移，其中所述表面是这样的，即在液态时，所述表面的较高温度的部分具有比相邻的所述表面的较低温度的部分高的表面张力。

Description

形成光学器件的方法
技术领域
本发明涉及光学器件的形成，例如通过向表面施加激光束来该改变该表面的光学特性而形成光学器件。
背景技术
已知有许多不同的在表面上制作光学器件的技术。例如，有各种公知的制作计量标尺(例如相位标尺或幅度标尺)的技术。
幅度标尺通常包括一表面，该表面包括一些特征，这些特征确定在操作中由读取头从标尺接收的光的幅度。例如，反射式幅度标尺可以包括在表面上的精确确定的位置处形成的一系列反射式和非反射式线条。当读取头在该表面之上移动时，该读取头能够基于反射式线条和非反射式线条的位置和数量来精确地确定其位置。一般来说，虽然反射式线条和非反射式线条在表面上的横向位置必须被精确地确定，但是反射式线条和非反射式线条在该表面上面的竖直轮廓对于幅度标尺器件来说是第二重要的。可以使用各种技术来制作幅度标尺器件。
相位标尺具有分布在表面之上的一系列标记，各标记都具有精确确定的高度，并且被形成为在各标记之间具有精确确定深度的井(well)。在操作时，由读取头施加的光既从各标记的顶部反射又从标记之间的井反射，并且该读取头能够利用已知技术检测到所反射的光的建设性干涉或破坏性干涉。典型地，形成标记是为了在表面上提供矩形波状结构，并且标记之间的井的深度通常等于由读取头施加的光的波长的一半。标记的高度的变化、或井的深度的变化、或表面上存在显著粗糙度都会导致可通过相位标尺上的读取头测量获得的信噪比显著恶化。因此，相位标尺通常利用光刻技术形成，光刻技术尽管耗时但是能够提供具有足够分辨率的表面特征。
已经建议使用激光烧蚀技术从表面去除相当的材料量来形成相位标尺特征。然而，这种激光烧蚀技术会导致井具有粗糙表面，从而影响它们的反射性并增加信噪比。而且，如果将相当的材料量从表面烧蚀掉，已经发现一些材料会沉积在表面上的其他地方，因而干涉相位标尺的操作。
在以本申请人的名义的WO2006/120440中已经描述了一种形成相位标尺器件的另选方法。根据该方法，向标尺基板施加适当强度的激光束，导致基板材料软化并从激光束的焦点移开，而不大量去除材料。激光束的作用不会使反射性下降，且标尺上的每个点都保持反射性而不会显著粗糙化。在整个基板上将光束反复施加不同位置以构造具有期望轮廓的相位标尺器件。所得到的轮廓具有标记和带有圆化边缘的井，但是发现虽然具有这种圆化而不是方波形的轮廓，所得到的器件仍然可以令人满意地作为相位标尺器件发挥作用。在WO 2006/120440中描述的工艺可能比光刻技术更快速高效，并且实现起来更便宜。
在S F Rastopov和A T Sukhodol’skii(1987Sov.J.量子电子，第17卷1091页)中描述了向表面施加激光束移除材料以形成具有期望轮廓的光学器件。该文献中描述的方法用来形成衍射光栅。在表面上提供二元液体溶液的薄液体层，并且施加激光辐射，激光辐射致使挥发物从被局部加热驱动的溶液局部汽化，这又导致质量转移，而质量转移导致形成材料的表面轮廓。激光辐射被反复施加以构造形成衍射光栅结构的期望轮廓。质量转移归因于马兰哥尼效应(Marangoni effect，还被不同地称为吉布斯-马兰哥尼效应、马兰哥尼对流和热毛细管对流)，马兰哥尼效应是一种物理现象，其中两种流体之间的界面处的表面张力梯度导致质量转移。
US 5,907,144描述了利用通过向磁盘的边缘上的金属表面施加脉冲激光束导致的热毛细管或表面张力来致使金属从被辐射区域流走。激光束被施加至不同位置以形成包括条形码结构的弯曲反射器。
焊接文献描述了用于操纵工件轮廓的方法，包括通过在受控条件下适当施加激光辐射而致使对材料进行雕刻。从焊接文献可知，通过改变金属的氧含量或硫含量可以改变或逆转液体金属的表面张力梯度。还已知在激光处理过程中使用CO2辅助气体，这能够改变金属的氧含量。然而，焊接文献通常涉及的是形成大尺度机械结合或结构而不是形成光学器件。在许多情况下，在焊接情况下表面张力作用都是不期望的。
发明内容
在本发明的第一独立方面中，提供了一种形成光学器件的方法，该方法包括：向表面的目标区域施加激光束，从而选择性地加热所述表面的材料，以由此由于表面张力梯度而提供材料转移，其中所述表面是这样的，即在液态时，所述表面的较低温度的部分具有比相邻的所述表面的较高温度的部分低的表面张力。因而，由于表面张力梯度引起的材料转移可以包括材料转移至所述目标区域，例如从所述目标区域的较低温度部分转移至所述目标区域的较高温度部分。
通过提供通常表面张力梯度的这种逆转，利用激光辐射引起的表面张力驱动的材料转移可获得更多种表面特征。
当激光束具有基本不会导致任何材料移除的强度时利用表面张力驱动的材料转移获得更多种表面特征可能是特别有用的。使用这种强度的激光束能够有助于提供具有期望光学特性的表面，例如维持或提高表面的反射性和避免表面的显著粗糙化，当形成光学器件时这是比较重要的。
所述激光束可以使得表面材料熔化。该方法可以包括使用所述激光束在所述目标区域处或附近熔化表面材料，获得材料转移以形成期望表面轮廓，并且允许所述目标区域处或附近的表面材料再次固化。
所述激光束可以包括脉冲或一系列脉冲。
当在所述表面中基本不去除材料地形成亚光学波长标尺特征时所述方法可能是特别有用的。
所述方法可以包括控制所述表面处的气氛，从而使得所述表面是这样的，即在液态时，所述表面的较低温度的部分具有比相邻的所述表面的较高温度的部分低的表面张力。
在本发明的另一个独立方面中，提供了一种形成光学器件的方法，该方法包括：控制所述表面处的气氛，并向该表面的目标区域施加激光束，从而选择性地加热该表面的材料，以由于表面张力梯度提供材料转移。
已经发现，控制所述表面处的气氛能够提供使表面张力梯度逆转的特别有用方式。控制所述表面处的气氛可以包括控制所述气氛的组成，例如控制所述气氛中的一种或更多种组分气体的量。另选地或附加地，该方法可以包括控制所述表面处的气氛压力和/或控制所述一种或更多种组成气体的相对压力。
已经发现，化学反应、化学迁移、扩散和汽化可以在表面张力和温度之间的关系中起到显著作用。因而，在所述表面处提供适当气体用来与所述材料的被加热区域发生反应可以得到与不存在这种气体时所述材料被选择性地加热时形成的表面张力梯度不同的表面张力梯度。在一种布置中，控制所述气氛可以包括在所述表面处提供富含引起氧化、磷汽化、碳化物形成和/或铬迁移的气体的气氛。控制所述气氛可以包括在所述表面处提供富含非惰性气体(诸如包括氧和/或碳的气体)的气氛。例如，控制所述气氛可以包括提供富含二氧化碳和/或一氧化碳的气氛。另选地，控制所述气氛可以包括在所述表面处提供还原气氛，例如富含氮或氢的气氛。
所述气氛的控制可以包括在向所述表面施加所述激光束的过程中在所述表面处提供富含CO2或CO的气氛。富含CO2的气氛可以是这样的气氛，其中CO2的量大于空气中天然存在的量，优选比标准大气温度和压力下(或者对于另一种气体(例如氩气)中的该气体量来说类似的局部压力下或真空)的气氛中的浓度大5％，最优选大于10％。在所述表面处提供富含CO2气氛能够提供一种提供期望表面张力梯度的特别方便方式。另选地或附加地，所述方法可以包括在所述表面处提供富含氧的气氛或富含硫的气氛，例如富含H2S或富含SO2的气氛，富含氮的气氛或/和富含氢的气氛。
所述方法可以包括提供包含材料的表面，该材料具有这样的组成，该组成使得：在液态时所述表面的较高温度的部分具有比相邻的所述表面的较低温度的部分高的表面张力。该组成可以通过利用表面活性剂处理材料的表面来获得，所述表面活性剂与所述材料发生反应而产生一表面，该表面在液态时具有较高温度的部分，该较高温度的部分具有比相邻的所述表面的较低温度的部分高的表面张力。所述表面活性剂可以引起氧化、磷汽化、碳化物形成和/或铬迁移。
所述方法可以包括提供富含氧或硫的表面材料，该表面材料不必需要控制所述气氛就可以提供期望的表面张力梯度。
所述方法可以提供包括具有选定的氧或硫含量的材料的表面。
来自周期表的第14、15和16族以及第2、3周期的元素被期望对表面张力和温度之间的关系具有显著作用，不过同一周期中的第13族元素也被期望是有效的。对于高周期金属，诸如银、钨、铂和金，可以使用高阶非金属。一些过度金属和碱性稀土金属也影响表面张力。在一个布置中，所述表面材料和/或表面活性剂包括选自钙、硫、锰、硅、钛、锌、铝、镁、氮、氧和磷构成的组的一种或更多种元素。
所述方法可以包括控制所述激光束的至少一个参数以获得所述或每个目标区域的期望轮廓，以由此提供具有期望光学特征的光学器件。
所述至少一个参数可以包括强度、波长、脉冲长度和脉冲重复时间中的至少一个。
所述激光束可以在所述目标区域的第一部分处比所述目标区域的第二部分处具有更大的强度。
所述激光束可以具有例如高斯强度轮廓。通过提供具有更大和更小强度的区域，可以获得这些区域之间的表面张力驱动的材料转移。
所述激光束可以具有高于阈值强度的强度，以由此与向所述目标区域的所述第二部分的材料转移相比减少向所述目标区域的所述第一部分的材料转移。通过提供这种高于阈值强度的强度，可以通过光束的作用抵抗表面张力驱动的向较高温度区域的材料转移。这可以提供控制表面轮廓形状的特别有用方式。
所述激光束可以在所述目标区域的所述第一部分处具有高于所述阈值强度的强度，而在所述目标区域的所述第二部分处具有低于所述阈值强度的强度。可以获得向所述目标区域的不同部分的优选材料转移。通过所述光束的施加可以获得双峰部轮廓，这在形成复合结构时可以是有用的分量。所述阈值强度可以是这样的强度，在该强度时，激光辐射提供显著的烧蚀压力和/或从表面的材料汽化获得显著蒸气压力。
所述阈值强度可以是最小强度，对于该最小强度来说，激光辐射用以抵抗由于表面张力梯度引起的材料转移。
该方法可以包括向所述目标区域既施加所述激光束又施加另一个激光束，其中所述激光束具有高于所述阈值强度的强度，并且所述另一个激光束具有低于所述阈值强度的最大强度。
该方法可以包括：向所述目标区域施加所述激光束和所述另一个激光束中的一个；使得所述目标区域处的所述表面至少局部固化；以及向所述目标区域施加所述激光束和所述另一个激光束中的另一个。
向所述目标区域施加所述另一个激光束可以利用材料填充通过施加所述激光束形成的表面材料的轮廓的至少一部分，或反之亦然。
所述激光束的施加可以形成双峰部的表面材料轮廓，并且所述另一个激光束的施加可以随后至少部分地填充所述双峰部之间的井，或者所述另一个激光束的施加可以形成单个峰部的表面材料轮廓，并且所述激光束的施加可以随后至少部分加宽该单个峰部。
所述激光束和/或所述另一个激光束可以具有被控制成使得在所述目标区域处产生具有基本平坦顶部的材料轮廓的参数。
平坦顶部结构对于形成相位标尺或衍射光栅来说可能是特别有用的。可以对所述参数进行控制以形成基本正方形或矩形的结构。
所述方法可以包括向多个目标区域施加所述激光束和/或所述另一个激光束，每个目标区域都位于所述表面上的各自不同的位置，以由此横跨所述表面构建期望的材料轮廓。
所述方法可以包括向所述多个目标区域顺序地施加所述激光束和/或所述另一个激光束，其中所述目标区域的在所述表面上彼此空间相邻的至少一些目标区域在该顺序中在时间上不相邻。
所述方法可以包括多次向所述目标区域施加所述激光束和/或所述另一个激光束，以由此在该目标区域处构建期望的材料轮廓。
所述方法可以包括改变所述金属表面上方的气体的组成，使得所述气体的组成在向所述目标区域施加所述激光束和/或所述另一个激光束的时间中的至少一些时间中与向所述目标区域施加所述激光束和/或所述另一个激光束的时间中的至少一些其他时间中不同。
所述方法可以包括阻挡所述激光束和/或另一个激光束的外部部分到达所述表面。
所述方法可以包括在向所述表面施加所述光束之前使所述光束经过光束整形器。
所述光束整形器可以被构造成将功率从所述光束的较高强度部分重新分布到所述光束的较低强度部分。
所述激光束和所述另一个激光束中的至少一个可以具有这样的强度，该强度使得由于表面张力梯度而提供材料转移，而基本上不会移除材料，例如基本上不会烧蚀材料。
所述光学器件可以包括计量器件、相位标尺、幅度标尺和衍射光栅中的至少一个。
在本发明的另一个独立方面中，提供了一种用于形成光学器件的设备，该设备包括：用于向表面的目标区域施加激光束的激光器；控制器，该控制器将所述激光束的至少一个参数的值控制成使得对所述表面的材料进行选择性加热，以由此由于表面张力梯度而提供材料转移，以便获得所述目标区域的具有期望光学特征的轮廓；以及用于控制所述表面处的气氛使得所述表面在液态时所述表面的较高温度的部分具有比相邻的所述表面的较低温度的部分高的表面张力的装置。
还可以提供一种基本如这里参照附图描述的设备或方法。
本发明的一个方面中的任一特征都可以以任何适当组合的方式应用于本发明的另一方面。例如，设备特征可以应用于方法特征，反之亦然。
附图说明
现在通过非限制性实施例描述本发明的实施方式，这些实施方式在如下附图中示出，其中：
图1是用于形成根据一个实施方式的光学器件的设备的图示；
图2和图3是样品表面的示意性图示，示出了在向目标区域施加激光束之后的表面轮廓；
图4是样品表面的示意性图示，示出了在向多个目标区域施加激光束而形成期望器件轮廓之后的表面轮廓；
图5是样品表面的示意性图示，示出了在施加激光束之后的表面轮廓，该激光束的中央部分中的强度大于阈值，在该阈值以下形成中央峰部；
图6是另一个实施方式中的样品表面的示意性图示，示出了在向多个目标区域施加激光束而形成期望器件轮廓之后的表面轮廓；
图7是样品表面的示意性图示，示出了在向目标区域施加激光束之后的样品表面；以及
图8是样品表面的示意性图示，示出了在向多个目标区域施加激光束而形成具有平坦顶部区域的期望器件轮廓之后的表面轮廓。
具体实施方式
在图1中示意性地示出了一个实施方式中的用于在表面上形成光学器件的设备。该设备包括控制单元2，例如适当编程的PC或专用控制器，该控制单元2连接至激光器4并被构造成控制激光器4的操作。图1中所示的控制单元是包括瑞尼斯豪UUC和SPA2+定制界面卡的DQB-PS控制单元。图1的设备的激光器4是355nm波长的三倍频Nd:YAG激光器，特别是JDSU调Q光波Q301-HD激光器，该激光器被控制成利用大约100μJ至1mJ的脉冲能量操作，脉冲持续时间在微秒范围内。
激光器4与包括柱面透镜6的聚焦光学系统对准，在操作中，该聚焦光学系统将激光器4产生的激光束聚焦在安装在平台10上的样品8上。根据已知技术，可以在激光器4和样品8之间包括其他光学部件以按照期望地对激光束进行控制和聚焦。
根据图1的实施方式的一个操作模式，激光器4可以被控制成在样品8的表面上产生呈现显著细长的高斯光斑形式的激光图案，该高斯光斑是通过使来自激光器4的高质量圆形高斯光束通过柱面透镜6而在焦点处形成宽度大约为1.5mm长为4μm的光斑。该光束可以包括脉冲或一系列脉冲。在该实施方式中设置阻挡件(未示出)以阻挡光束的外部部分。
用于在其上安装样品的平台10是连接至控制单元2的机动化平台。在这种情况下，该机动化平台是具有Elmo控制器的Danaher Dover光纤束精密运动线性马达平台。控制单元2可操作成使机动化平台10相对于激光器4的任何期望位置移动。通过控制平台10的运动和通过控制激光器4的操作，控制单元2能够在样品8的表面上的一系列选定位置(也称为目标区域)施加具有选定特征的激光束，从而形成具有期望特性的光学器件。
控制单元2还连接至可控气体源12，该气体源12能够输出气体以横跨样品8的表面流动。在图1的实施方式中，该气体源12包括具有可控流量阀的CO2罐，在操作中该可控流量阀由控制单元2控制以横跨样品8的表面提供期望流量的CO2气体。该CO2可以在预定区域施加或横跨样品总体施加。在另选的实施方式中，样品被设置在封闭壳体内，并设置传感器来监测样品8上方的气体的组成，控制单元2根据来自传感器的输出控制气体源12的操作以精确控制样品上方的气氛中的CO2的水平。
图1的实施方式的特征在于，通过提供邻近样品表面的富含CO2的气氛，能够改变由于施加激光束引起的材料从样品8表面的运动。例如，已经发现，当在CO2辅助气体下利用低于特定阈值的激光能量脉冲处理金属表面时，可以使表面材料集中在激光光斑的中央处。这在图2中示意性地示出，该图示出了在施加由激光器4产生的激光束之后样品8的一部分。样品8包括金属层20，在该示例中是不锈钢，例如马氏体弹簧钢(诸如Sandvik Chromflex7C27Mo2马氏体不锈钢(C：0.38％，Si：0.40％，Mn：0.55％，Cr：13.5％，Mo：1.00％))或冷轧铁素奥氏体精密型316不锈钢带。在施加激光束之后，在激光束的附近的金属层熔化，并且被拉向被激光束照射的目标区域的中央。当激光束切断或移开时，金属固化并形成具有如图2中所示的峰部的轮廓。
金属基本上没有被去除，并且峰部的材料从激光光斑中央两侧的低温熔池吸取。注意到，该标记的纵横比出于清楚起见而被夸大。制造一个8μm间距标尺可能需要近似4μm长度的中央峰部，并且适合于使用800nm照射波长的相位标尺的特征的高度将为200nm左右。图2的轮廓在图3中以更真实的纵横比示出。应该注意，图3也是示意性的，并不是按照比例绘制的，但是对于所描述的实施方式来说比图2更真实地示出了间距与深度的比。
邻近金属层20存在富含CO2的气氛使得在激光光斑的中央处形成峰部而不是井。在存在正常气氛组成而没有富含CO2时，图2和图3的样品的金属从激光光斑的中央流走，并且施加功率低于烧蚀阈值的激光束导致形成井而不是峰部，基本上仍然没有去除材料。
对样品层邻近的气体组成进行控制提供另外的控制参数，所述另外的控制参数能够在所施加的激光辐射的作用下显著地改变样品层材料的流动行为，并且能够如以下将更详细地描述那样提供改进的光学器件形成控制。
在一个实施方式中，图2和图3中所示的一系列轮廓(还被称为标记)通过在不同的选定目标区域处反复施加激光束而彼此邻近地形成。不必顺次地制作相邻的标记，制作一标记之后制作非相邻标记并且稍后返回来制作相邻标记在热量方面可能是有利的。例如，可以制作标记，然后稍后对标记之间的间隙进行填充。该方法防止局部热积累使标记的形式或标尺的精度扭曲。例如，能够确保原始制作的标记的材料在制作相邻标记之前完全固化，因而能够避免原始标记的不需要的附加流动。
通过适当地控制激光束和选择目标区域，能够制作正确尺寸和产生期望重叠程度的间隔的标记，以便提供具有期望轮廓的光学器件，这又提供了期望的光学特征。例如，可以针对光束的最佳聚焦，与正被标记的表面位置一起控制脉冲能量和持续时间，制作在高度、宽度和长度方面具有正确尺寸的图案。
在一些实施方式中，使用多个低能量脉冲来产生材料轮廓的小变化，这些小变化共同制作所需要的标记。这具有的优点是，能够对表面形式进行更精细程度的控制，使用统计平均化减轻激光脉冲之间的变化的作用，并且对正被标记的表面具有抛光作用，从而进一步提高反射性，并因而提高标尺性能或其他光学性能。在一些实施方式中，使用高达60个脉冲来构建单个标记。
图4示出了已经在暴露于激光束能量脉冲的材料表面中形成的器件，该器件具有与正弦波紧密近似的表面层24。而且，该标记的纵横比为了清楚起见被夸大。
图2至图4的标记以侧视图示出，应认识到它们还具有宽度(在这些图的情况下，该尺寸延伸到页面内)。图4所示的标记的组合具有1至5mm左后的宽度，并且在相位标尺的情况下通常可以在长度(该尺寸横跨页面宽度)上从10mm一直延伸到许多米。
高斯激光束光斑的长轴可能具有在其端部产生较浅标记的有害副作用。然而，如果使用具有长轴上的高斯轮廓的光束执行多次经过，则使用相邻步骤之间的重叠来增加远离光束中央的标记的深度。
在一些实施方式中，包括图1的实施方式，由光束的末端部分产生的较浅标记的作用通过使用阻挡件阻挡光束的末端部分到达正被标记的表面而得以避免或减轻，这具有的优点是，可制作在它们的整个宽度上都可以使用用的标记。然而，阻挡件的使用减小了每次激光束经过时产生的标记的宽度，而且在一些实施方式中，通过使激光光斑相对于表面的位置沿着宽度尺寸在每次经过之间步进来使用在正被标记的表上的多次经过。这能够制作更容易安装和对齐的更宽的标尺或其他光学器件。
如果有足够功率可用，则可以进一步延伸横截面光束轮廓的细长轴线，然后在每个端部使用阻挡件来阻挡光束的末端部分到达正被标记的表面。可选阻挡件和沿着标尺宽度的重叠经过的组合可以用来制作实际上没有限制宽度的图案，并且到其边缘都是可用的。
在一个另选实施方式中，使激光束经过光束整形器，该光束整形器将光束在细长轴线上的高斯形式转变成平坦顶部轮廓。该光束整形器可采取折射光束整形器(例如由Molecular Technology GmbH供应的π整形器)的形式。该装置将来自光束中央的功率重新分布到其边缘，但是仅仅沿着光斑的延伸轴线。这具有如下优点：即沿着标记的整个宽度制作期望的标记形式，而不需要在使用阻挡件阻挡光束的长轴的两端时需要的相当附加激光功率。将理解的是，在另外的另选实施方式中还可以使用沿着标记宽度产生更均应分布的光束的其他已知装置。
图4中所示的标记图案是在富含CO2的气氛下制作的，这导致在激光束的中央处形成材料的峰部而不是井。发明人将这种流动行为变化归因于由于富含CO2气氛的存在而引起的表面张力梯度与温度的逆转，这种逆转致使材料从较低温区域流动到较高温区域(与在正常CO2水平下施加激光束时发生的从较高温度区域流动到较低温度区域相反)。
通过在正常CO2水平下施加激光束也可以制作与图4所示的标记类似的标记图案，其中通过在激光束光斑的中央处形成一系列井而不是通过形成一系列峰部来构建图案。然而，已经发现，在逆转的表面张力条件下(例如在富含CO2的气氛下)可以形成在其他情况下无法获得或在其他情况下只有更加难或更多时间才能获得的标记或标记图案。
例如，已经发现，当在富含CO2气氛下超过一定激光束强度时，通过该激光束制作的标记可以采取图5示意性所示的形式。发明人认为，该标记是通过利用温度的表面张力梯度(与富含CO2的气氛相关联)形成的，这些表面张力梯度导致材料从较低温度区域流向较高温度区域，并且可能导致朝向融溶物末端遇到的流动逆转。在图5的情况下，强度仍然足够低，使得发生少许材料烧蚀(如果有的话)，并且该表面没有被显著粗糙化。阈值强度可以是阈值平行功率，例如维持阈值时间段的阈值平均功率。在图5的情况下，对于一系列10个脉冲，获得了每个脉冲500μJ的阈值强度。实际上，可以使用强度高于该阈值的激光束来形成标记，例如，在图5的情况下，使用一系列10脉冲，每个脉冲600μJ。将理解的是，可以针对不同材料和条件通过实验来确定阈值强度。
在铬柔性钢(Chromeflex)的另一个样品的情况下，发现对于在4mm×4μm的面积上聚焦的大约400μJ的能量脉冲来说，发生了从单独表面张力作用到压力和表面张力作用的组合的转变。
已经发现，通过单一施加必要阈值以上的激光束来制作形状类似于图5中所示的标记而形成的标记(沿着纸面方向)的长度比在相同条件下通过单一施加强度低于该阈值(例如如图2中所示)的激光束制作的对应标记大20％到50％之间。然而，通过强度高于阈值的激光束制作的标记具有两个峰部而不是单个峰部，因而，在富含CO2的气氛中使用强度高于阈值的激光束能够制作具有更紧密地间隔开的图案，尽管通过单一施加激光束制作的单独标记的尺寸更大。通常将强度维持在低于另一个阈值强度，例如超过该另一个阈值强度时，烧蚀作用将超过表面张力作用。
在一些实施方式中，将激光束的强度控制成接近下阈值，使得两个峰值之间的井的深度可忽略不计，因而实际上形成单个的更宽峰部。
在另一个实施方式中，通过在富含CO2的气氛中施加强度高于阈值的激光束制作位于表面上的不同目标区域处的一系列标记，所得到的图案在图6中示意性地示出。每个标记都与相邻的标记融合，以形成类似正弦曲线的连续图案。在这种情况下，通过施加激光束制作的每个标记都形成两个峰部。由于每个标记仅长出20％至50％，但是包括两个峰部而不是单个峰部，因此与使用低于该阈值的激光束制作的标尺的间距相比这种标尺的间距明显更短(在60％和75％之间)。因而，在图6中，与相同长度中的24个峰部(如图4所示，图4使用强度低于阈值的激光束制作，其中形成了双峰部)相比，这里是42个峰部。
在图6的实施方式中，当标记的间隔被设定成使得获得更均匀的间距并且材料量基本恒定(也就是说，在激光处理过程中基本没有材料被烧蚀)时，可能会导致不均匀的特征深度。在其中使用该图案作为相位标尺的情况下，由相位标尺产生的条纹之间的对比可能由于不均匀特征深度而减小，这可能是在读取该相位标尺时由读头输出的电信号中的噪声源。尽管如此，使用该方法可以迅速地制作更小间距的标尺。如果期望的话，还可以使用进一步的处理，以使特征深度平坦，例如使用附加的烧蚀或填充步骤。
在施加强度高于阈值的激光束的实施方式中，使用阻挡件或光束整形器来确保光束的中央部分在光束的整个宽度上都具有高于阈值的强度可能是特别有用的。否则，光束的边缘可能形成单个峰值的轮廓，而不是期望的双峰值轮廓。
在另一个实施方式中，在逆转表面张力条件下(例如在富含CO2气氛的条件下)由激光器4向同一样品区域连续地施加强度高于阈值的激光束和强度低于阈值的激光束。已经发现，通过施加这种高于和低于阈值的连续激光束，由激光束形成的不同形状的标记组合而形成特别有用的光学特征。将理解的是，在选定条件下用于具体表面材料的阈值强度可以由本领域技术人员来容易地确定。
例如，通过强度高于阈值的激光束制作的双峰部标记可以有效地与通过强度低于该阈值的激光束制作的单个峰部的正弦曲线式的标记结合，以便通过将正弦曲线的峰部和谷部平化对纯正弦状轮廓进行改进。这使得标记的形式更接近地类似方波，方波对于高对比条纹来说在理论上是理想的，如图7中示意性地所示，深度为200nm深，长度为4μm。纵横比(高度与宽度比)为了清楚起见再次被夸大。
图7中所示的组合标记类似于通过制作双峰部的功率低于阈值的单一激光束制作的标记，但是对峰部来说具有更平坦顶部。可以预料到，通过第一激光束形成的表面轮廓将扭曲通过第二激光束形成的轮廓，从而所示的附加标记组合将出现扭曲。然而，任何这种扭曲即使存在的话看来也不会导致任何明显困难。
在另一个操作模式中，操作图1的设备以通过使激光束在待标记的表面上经过至少两次而在多个目标区域中的每个目标区域处形成标记，并在该表面向每个目标区域引导制作双峰部的低于阈值的脉冲和高于该阈值的脉冲，从而形成具有平坦峰部和谷部的标尺。在图8中示出了所产生的结果材料图案的示意性表示。为了清楚起见纵横比被再一次夸大。
针对图8描述的组合的多次经过方法提供了附加的处理参数，可以将这些附加的处理参数优化以实现光学特征的期望深度和宽度，并且实现峰部和谷部的平坦化。例如，脉冲功率和聚焦程度可以调节特征深度和宽度；脉冲高出形成双峰部的阈值的程度可以用来控制该特征中的中央谷部的深度，这控制峰部的平坦化程度；可以对标记的宽度和它们的间隔进行调节以控制谷部的平坦化。标记的总体深度可以通过使用多个脉冲而增加。而且，通过利用或不利用CO2保护气体进行标记可以将熔融材料的流动方向逆转。利用这些参数，可以精确地控制标记的形式。
将理解的是，制作具体作用或结构所需的激光束参数对于不同材料和条件来说可能不同，并且可以通过实验来确定合适的激光束参数。
例如，在另外的实施方式中，已经发现，为了在冷轧铁素奥氏体精密型316不锈钢的金属柱上形成单峰部标记，可以使用均为30μs长每个脉冲功率在300μJ和400μJ之间的一系列10个脉冲，其中柱面透镜焦距等于40mm，名义高斯输入光束直径大约为3.6mm。对于600μJ，60μs长的脉冲来说，中央被烧蚀压力压下，从而形成双峰部结构。对于具有10个脉冲每个脉冲500μJ的极限来说，获得了混合结果，例如，在同一样品上发现与凹陷邻接的突起，或者可以产生不稳定(wobbly)表面。对于每个脉冲能量≥600μJ来说，获得了凹陷/凹槽而没有可见的突起。
使用来自之前段落的激光参数在各种实验中产生的线条的尺寸包括：
在空气中，在不锈钢金属柱上：宽度在2μm和8μm之间，长度为1mm至2mm。深度：在高能区间(表面张力和反冲压力作用)中高达1.5μm深，更通常为200nm至300nm深，但是在低能量区域(仅表面张力作用)高达500nm。
在CO2中，在不锈钢金属柱上：线宽：大约4μm宽，长度：大约1至2mm长，峰部到谷部深度：高达120nm。
在空气中并且在镍上：突起具有近似4μm的线宽，长度2mm，峰部到谷部深度：高达350nm。
将理解的是，能够制作的线条或其他图案的特性和尺寸并限于在以上四段中提到的那些。通过适当地选择激光参数能够获得各种期望的图案和尺寸。
在另外的实施方式中，针对不同的激光束脉冲向样品表面提供富含CO2的气氛，并且针对不同的脉冲不同地控制表面邻近的附加CO2的水平，因而提供用于控制表面材料成形的附加控制参数。
在其他实施方式中，与表面邻近的气氛的组成通过控制其他气体以及CO2(或不是CO2)的量来控制，以便改变表面张力作用，例如用以提供表面温度梯度与温度的逆转。在一些这样的实施方式中，在表面处提供H2S气体。在一些实施方式中还控制表面处的气氛的压力以及气氛的成分的相对压力。
还已经发现，通常表面温度梯度与温度的逆转还可以通过提供适当的表面材料(例如具有足够高含氧量的不锈钢)来提供。在一些实施方式中使用的这种材料的另一个示例是在更厚的铜层上沉积为层的镍。在使用这种材料的实施方式中，即使对于一般的气氛组成来说，例如在材料表面邻近提供空气而不是富含CO2的气氛，也可以获得表面张力梯度引起的从较低温度区域向较高温区域的流动。可以提供这种实施方式以用来使用强度高于和低于特定阈值的激光脉冲的组合形成光学器件，这类似于图7和8中所示的那些。
对于不锈钢来说，已经表明表面张力与温度的相关程度至少部分地依赖于元素(诸如硫)的存在(参见：估计不锈钢的表面张力的等式，Y.Su，Z.Li，K.C.Mills.s.l.：材料科学期刊，卷40(2005)2201-2205；和液态不锈钢表面张力的确定，Z.Li，K.Mukai，M.Zeze，.C.Mills，s.l.：材料科学期刊，2005，卷40(2005)2191-2195))。液体钢膜中的材料流动似乎受到氧污染的影响(参见：在受污染的薄钢膜中通过聚焦的飞秒激光脉冲激发的热毛细流动，V.Yu.Balandin，D.Otte，O.Bostanjoglo.3，2037-2044页，s.l.：应用物理学期刊，2005，Vol.78)。镍磷表面表明了与磷浓度相当的行为(参见：Ni-P盘的脉冲激光表面微修改中的熔化和表面变形，S.C.Chen，D.G.Cahill，C.P.Grigoropoulous.s.l.：传热期刊，2000，卷122，107-112页)，一种可能由于磷汽化引起的作用(参见：磁盘基板的脉冲激光织构化的马兰哥尼机理，T.D.Bennett，D.J.Krajnovich，C.P.Grigoropoulos，P.Baumgart，A.C.Tam.s.l.：Journal of Heat Transfer，1997，卷199，589-596页)。来自焊接工业的观察增强了在以硫、氧和氮作为表面活性元素的熔融池(参见：焊接具有可变穿透特征的304L不锈钢管，I.Grant，M.J.Tinkler，G.Mizuno，C.Gluck；和焊接中的马兰哥尼效应，K.C.Mills，B.J.Keene，R.F.Brooks，A.Shirali.1739pp.911-925，s.l.：哲学学报：数学、物理学和工程科学，1998，卷356)中表面元素对于表面张力和大量流体运动的重要性。与10ppm一样少的活性元素将能够具有大效应。对于不锈钢来说，钙、硫、锰、硅、钛、锌、铝、镁和氧似乎都影响表面张力。对于镍来说，磷似乎具有显著作用，不过氧也能够起作用。
在另选实施方式中，可以使用任何合适材料与钢一起或代替钢来用于样品。对于相位标尺应用来说，通常期望样品的表面层尽可能是反射性的，并且不容易失去光泽。样品的表面层可以是金属的，或是纯金属或是合金。样品可以包括在例如玻璃或聚合物的第二不同材料制成的基本上形成的第一材料的表面层，或者可以由单一材料形成。用于样品的合适材料可以包括钢、铬、镍、金、银或铟。在一些实施方式中，标记被形成为以非反射性材料(例如诸如合适的聚合物之类的热塑形材料)提供具有期望轮廓的图案，该图案随后在随后处理中涂覆反射涂层，例如铬涂层。
该方法可以用来形成任何合适的光学器件，包括衍射光栅、反射全息或计量器件，诸如幅度或相位标尺。
在附录1和2中描述其他特征。
应理解的是，以上纯粹通过实施例的方式描述了本发明，在本发明的范围内可以进行细节修改。
在说明书中以及(合适的情况下)在权利要求书和附图中公开的每个特征都可以独立地或以任何适当组合的方式提供。
附录1
大家好，
今天我要向大家介绍YAGboss。这项工作是和我们的HPLA组共同开发完成的。整个合作项目是由TSB资助的。YAGboss是一种用来在金属表面产生细微特征的激光加工技术。
这张幻灯片展示了我演讲的提纲。我将要介绍这个项目的背景以及光学位置编码器。然后，我要介绍YAGboss工艺和我们如何计划使用它以制造将要集成到光学位置编码器中的衍射标尺。
在越来越多的例如制造或生命科学的应用中，过程控制同质量产出有着密切联系。过程控制提高了过程可靠性、公司可信度，并且提供了直接的竞争优势。自动化系统中的这种过程控制的一部分是由高性能、高精度运动系统和部件提供的。
高精度光学位置编码器(OPE)是这样一些设备：可以在机床、装配系统、机器人技术以及医学应用中找到它们。
它们提供可靠的高精度位置反馈并有助于自动精确定位系统的准确性[1]。
·可靠的高精度位置反馈
·测量并记录运动部件的位移
·机床中的自动定位
·机床部件相对运动中的错误校正
读取头包括：(1)光源，用于产生入射到标尺上的光线，(2)分度光栅，用于将可读光线衍射成至少一个衍射级中的条纹中，(3)分析器光栅，用于以一定的速率将条纹转换为光调制，该速率是标尺与读取头之间相对运动的函数，以及(4)光敏元件阵列，用于将光调制转换为有代表性的电信号。
以反射的方式工作
这些设备正面临着要求越来越高的应用的挑战，这些应用例如是用于医疗支架切割的激光系统、基于真空的空间设备装配或者电子设备制造。这些应用通常要求纳米级分辨率定位。目前的OPE标尺制造方案不再符合这些要求。基于昂贵的光刻技术以及不精确的压印方法，这些制造方案分别缺乏灵活性和分辨率。出于这个原因，我们提出了一种概念，其使用基于激光的工艺进行金属表面的亚微米织构化。
在这个项目中，通过与瑞尼斯豪合作，我们的工作是在大学或制造衍射标尺。
我们的要求是一个具有8μm周期的光栅，其可与发射830nm红外线的读取头光源一起使用。凹槽需要具有200±20nm的深度以在第一阶展现最大衍射效应。这是通过使用激光线聚焦加工并置线实现的。
精度？
速度？
传统上，最高分辨率的标尺一直是在玻璃基板上光刻形成的。这样的标尺长度有限、易碎，并且价格昂贵。结实的标尺一般被机械压印到柔性带中，且分辨率有限。于是，需要改变高分辨率标尺制造的方法以发展适于高度动态或严峻环境的技术。在上述环境中，例如在医学或卫星应用中，严格的可靠性是必不可少的。这包括减小柔性带标尺的特征的几何形状和尺寸。在本次的学术-产业合作中，我们正在研究用于以商业上可行的速率制造具有所需精度(200±10nm)的特征的光学编码器标尺的新工艺。
目前使用的两种主要的标尺制造方法是：(1)在玻璃基板上的昂贵的、缺乏灵活性的光刻技术；以及(2)机械压印方法，其中均匀压力被施加到反射基板上。但是，该机械方法缺乏生产这里所需的4mm宽的凹槽的分辨率，而该光刻技术对于大多数应用来说过于昂贵，并且生产的标尺缺乏灵活性。
要求：具有8μm周期的光栅，其可与发射830nm红外线的读取头光源一起使用。凹槽需要具有200±20nm的深度以在第一阶展现最大衍射效应。凹槽需要具有200±20nm的深度以在第一阶展现最大衍射效应。
·这些光栅被设计为具有平滑的正弦曲线轮廓。
·要求：具有8μm周期的光栅，200±20nm深的凹槽以在第一阶830nm处展现最大衍射效应。
在产生单个线条过程中涉及的连续物理现象
1.位于金属表面的局部的激光束吸收；
2.局部加热以及热传播；
3.位于入射点的金属表面达到其熔化温度；
4.熔融前传播；
5.由于温度变化，产生了横跨熔池的表面张力变化，从而引起局部熔体流动；
6.金属表面在入射点达到汽化温度；
7.反冲压力的形成加强了表面张力效应，并且将边沿推到一边；
8.依赖于强度，现象1至5一定能够发生，而现象6和7不能发生。在本文中，我们将探究现象5和7在产生所需结构中的相对重要性。
使用一个355nm JDSU Nd:YAG调Q激光器进行实验。脉冲宽度为35ns。使用望远镜将从该激光器输出的直径1.6mm的光束转变为直径3mm的准直光束。然后使用焦距40mm的柱面透镜在样品表面产生所需的4μm×3mm焦线。利用XYZ平移台定位样品，并且使样品以8μm步长沿纵向轴线跨越聚焦束。该平移台的精度为～100nm。
这个加工过程是自动的，触发和运动系统是中央计算机控制的。最大标记速度目前受到接口通信时间的限制。
在这个部分中，我们记录了8mm宽，0.20mm厚的半刚性弹簧钢件在其原始接受的状态下测试所得到的结果。其表面是高质量的辊轧表面，不规则纵向特征沿着其牵引和滚动轴。该表面在制造出来之后刷有薄油以避免腐蚀。
图3示出了利用YAGboss工艺得到的典型的正弦曲线轮廓，每个凹槽是使用18个能量为750±20μJ的脉冲以5kHz的标记重复率加工的。
为了制造具有正确调制深度的光栅，理解调制深度，脉冲能量以及脉冲数量之间的关系是很重要的。因此进行了多次测量并绘制在图29中。
图3中的曲线图示出了对于不同的脉冲能量EP，凹槽深度d作为每条线总能量的函数ET＝EPN，其中N是所使用脉冲的数量。深度d在不同情况下具有大致的线性相关，尽管存在稍微不同的梯度。这与得到的相当小的深度一起表明这一过程主要包括熔化，几乎没有汽化。换句话说，凹槽的成形和形成主要依赖于局部对流通量和表面张力变化：一旦材料被局部加热并且形成熔池，液态物质就被拉向激光照明区域的边缘。
图4中绘制的曲线图示出了对于不同的重复率，在恒定的600μJ脉冲能量处的凹槽深度的变化。脉冲间隔从300kHz时的3.3ms变化到10kHz时的0.1ms。很明显，重复率对于深度几乎没有影响，深度与用于加工一条线的脉冲数量成比例。建议在脉冲数量增加的同时扩展热影响区(HAZ)和熔池[8]。
使用一刚性不锈钢金属柱来进行类似的实验。图5，6和7示出了以5kHz的重复率用208±20μJ的脉冲能量和一簇20个脉冲得到的光栅。该光栅表现出了良好、均匀的正弦曲线轮廓，除了两条故意省略的线之外(产生的目的是为了生成‘参考标记’)。图8中呈现的深度相对于每条线的能量的曲线清楚地图示出了两种情况。在使用低能量脉冲的情况下，深度仅仅较弱地(线性地)依赖于每条线的能量。我们认为这是熔化效应和表面张力效应组合导致的。
在使用高能量脉冲的情况下，深度要大得多，并且深度相对于每条线的能量的梯度要陡峭得多。我们假定深度增加是由于汽化开始并因此产生显著的蒸汽反冲压力，而在使用低能量脉冲的情况下，只有变化的表面张力效应是显著的。
为了进一步探究表面张力效应和反冲压力的相对重要性，将样品置于15摄氏度的二氧化碳气流中进行实验。文献[7，9]显示二氧化碳对熔化的金属材料的对流通量有显著影响；我们的确会期望材料流向中央而不是流向聚焦束的边缘。相比之下，我们会期望反冲压力总是具有反向效应。
图9示出了在二氧化碳气体覆盖情况下用线聚焦标记的机械抛光的不锈钢金属柱样品的表面。一组10个脉冲被用于每一条线，其中每个脉冲能量为400μJ。与在空气中加工的情况相反，强度峰值生成了一个突起(而不是凹陷)，这证实了在使用上述脉冲能量的情况下，表面张力(而不是反冲压力)效应起主导作用。此外，在二氧化碳中加工的线条比在空气中产生的线条更窄。与在空气中加工熔料向标记的边缘溢出不同，在二氧化碳气氛中的熔料仍然局限于光学辐射之下。
在第二组在空气中随后又在二氧化碳中进行的实验里，用于标记单个线的脉冲(其固定脉冲能量EP＝300mJ)的数量连续增加。实验结果显示在图10中。
在二氧化碳中加工的材料的调制深度(峰部至谷部)，相对于大量脉冲(大于10个脉冲)，即大的总线能量ET≥3mJ，达到～100nm的稳定水平，同时在空气中标记的线的调制深度继续增加。一个可能的解释就是发生在一系列脉冲间的热量积聚导致10个脉冲之后开始汽化；在在空气中加工的情况下，这强化了高强度区域生成的凹陷，而在二氧化碳中加工的情况下，这反而消减了凹陷。
在使用二氧化碳加工的情况下，如果脉冲能量进一步增大，由一系列脉冲生成的单个线的轮廓从突起变成凹陷(见图11)，即更类似于在空气中加工的情况；于是，在这种状况下，汽化起到了主导作用。
在第二组在空气中随后又在二氧化碳中进行的实验里，用于标记单个线的脉冲(其固定脉冲能量EP＝300mJ)的数量连续增加。实验结果显示在图10中。
在二氧化碳中加工的材料的调制深度(峰部至谷部)，相对于大量脉冲(大于10个脉冲)，即大的总线能量ET≥3mJ，达到～100nm的稳定水平，同时在空气中标记的线的调制深度继续增加。一个可能的解释就是发生在一系列脉冲间的热量积聚导致10个脉冲之后开始汽化；在空气中加工的情况下，这强化了高强度区域生成的凹陷，而在二氧化碳中加工的情况下，这反而消减了凹陷。
在使用二氧化碳加工的情况下，如果脉冲能量进一步增大，由一系列脉冲生成的单个线的轮廓从突起变成凹陷(见图11)，即更类似于在空气中加工的情况；于是，在这种状况下，汽化起到了主导作用。
附录2：
YAGboss——用于制造高精度光学编码器标尺的金属表面的激光微型雕刻
论文M202
S.Giet1，F.Albn1，M.D.Kidd2，J.D.Shephard1，N.J.Weston2，D.P.Hand1
赫瑞瓦特大学物理系，英国苏格兰爱丁堡
瑞尼斯豪公司，英国苏格兰爱丁堡
摘要
高精度定位是过程控制的一个重要方面。在这一背景下，由高精度光学位置编码器(OPE)提供的高分辨率定位反馈是实现在各种自动化系统上的非常重要的工具。在这些自动化系统中，精确定位是成功应用或技术发展的关键。光学位置编码器包括两个主要元件：标尺和读取头。尽管光学位置编码器在过去的三十多年中已成为工业景观的一部分，但是其目前的制造方案不再符合越来越苛刻的应用的要求，这些应用例如是要求纳米级分辨率的电子装配或半导体制造。的确，传统上用于制造光学位置编码器中的衍射标尺的机械压印技术在分辨率上受到限制，同时可替代它的光刻技术不适合于大规模生产和较长的标尺长度。
本文介绍了一种新的用于开发衍射标尺的基于激光的高精度微型雕刻技术。该技术把重点放在提高标尺的分辨率上，同时保持商业上可行的加工速率以实现数百米正弦表面特征(200±10nm深，4μm±0.1μm宽)的生产。在本文中，我们研究了所产生的表面特征(形状、宽度、深度)的特性是如何依赖于激光参数和加工气氛的组合的。在不锈钢上标记的8μm间距的标尺的样品通过计量学进行评估，并且与一个读取头一起来评价它们的效率。
引言
在越来越多的例如制造或者生命科学的应用中，过程控制同质量产出有着密切联系。过程控制提高了过程可靠性、公司可信度，并且提供了直接的竞争优势。自动化系统中的这种过程控制的一部分是由高性能、高精度运动系统和部件提供的。
高精度光学位置编码器(OPE)是这样一些器件。它们提供可靠的高精度位置反馈并有助于自动精确定位系统的准确性[1]。如图1所示，光学位置编码器包括两个主要部件：以反射的方式工作的衍射标尺以及读取头。该读取头包括[2]：
·光源，产生入射到标尺上的光线；
·一组两个光栅，其中分度光栅将可读光线衍射成条纹，分析器光栅将条纹转换为光调制；
·光敏元件阵列，用于将光调制转换为有代表性的电信号。
图1：光学位置编码器(OPE)示意图
这些器件正面临着要求越来越高的应用的挑战，这些应用例如是用于医疗支架切割的激光系统、基于真空的空间设备装配或者电子设备制造。这些应用通常要求纳米级分辨率定位。目前的OPE标尺制造方案不再符合这些要求。基于昂贵的光刻技术以及不精确的压印方法，这些制造方案分别缺乏灵活性和分辨率。出于这个原因，我们提出了一种概念，其使用基于激光的工艺进行金属表面的亚微米织构化。
本文中介绍的YAGboss技术得名于用于在金属表面，通常是不锈钢表面，精确雕刻、塑形(‘压印’)材料的脉冲Nd:YAG激光器。YAGboss技术是一种利用激光与物质相互作用现象和流体动力学界面效应来生产反射光栅制造所需的细小凹槽的直写加工方法。这些光栅被设计为具有平滑的正弦曲线轮廓。我们的要求是一个具有8μm周期的光栅，其可与发射830nm红外线的读取头光源一起使用。凹槽需要具有200±20nm的深度以在第一阶展现最大衍射效应。这是通过使用激光线聚焦加工并置线实现的。通常一簇5到20个脉冲来产生每一条线。
我们预期有多个连续的物理现象包含在产生单个线的过程中[3-7]：
1.位于金属表面的局部的激光束吸收；
2.局部加热以及热传播；
3.位于入射点的金属表面达到其熔化温度；
4.熔融前传播；
5.由于温度变化，产生了横跨熔池的表面张力变化，从而引起局部熔体流动；
6.金属表面在入射点达到汽化温度；
7.反冲压力的形成增强了表面张力效应，并且将边沿推到一边；
依赖于强度，现象1至5一定能够发生，而现象6和7不能发生。在本文中，我们将探究现象5和7在产生所需结构中的相对重要性。
实验
使用一个355nm JDSU Nd:YAG调Q激光器进行实验。脉冲宽度为35ns。使用望远镜将从该激光器输出的直径1.6mm的光束转变为直径3mm的准直光束。然后使用焦距40mm的柱面透镜在样品表面产生所需的4μm×3mm焦线。利用XYZ平移台定位样品，并且使样品以8μm步长沿纵向轴线横跨聚焦束。该平移台的精度为～100nm。
这个加工过程是自动的，触发和运动系统是中央计算机控制的。目前，最大标记速度受到接口通信时间的限制。
材料1：马氏体弹簧钢
在这个部分中，我们记录了8mm宽，0.20mm厚的半刚性弹簧钢件在其原始接受的状态下测试所得到的结果。其表面是高质量的辊轧表面，不规则纵向特征沿着其牵引和滚动轴。该表面在制造出来之后刷有薄油以避免腐蚀。
图2：在5kHz使用18个能量为750±20μJ的脉冲利用YAGboss工艺在柔性钢带上加工的周期为7.8μm的光栅的表面图。
图3示出了利用YAGboss工艺得到的典型的正弦曲线轮廓，每个凹槽是使用18个能量为750±20μJ的脉冲以5kHz的标记重复率加工的。
图3：凹槽深度随着用于在马氏体柔性钢带上以5kHz重复率标记单个线的脉冲的数量的变化。
图3中的曲线图示出了对于不同的脉冲能量EP，凹槽深度d作为每条线总能量的函数ET＝EPN，其中N是所使用脉冲的数量。深度d在不同情况下具有大致的线性相关，尽管存在稍微不同的梯度。这与得到的相当小的深度一同表明这一过程主要包括熔化，几乎没有汽化。换句话说，凹槽的成形和形成主要依赖于局部对流通量和表面张力变化：一旦材料被局部加热并且形成熔池，液态物质就被拉向激光照明区域的边缘。
图4：对于恒定的每个脉冲600μJ，以不同的重复率，使用YAGboss工艺在马氏体柔性钢带上标记的凹槽深度的变化。
这已被使用白光干涉仪获得的三维图像(图2)证实：该图像示出了平滑、平坦的凹槽。即使是在使用大量脉冲，每个脉冲大于700μJ，以5kHz重复率标记线条的情况下，在标记线的边缘也没有射出的或溢出的熔融物的痕迹(其通常是蒸汽反冲压力过大的标志[3，8])。
图4中绘制的曲线图示出了对于不同的重复率，在恒定的600μJ脉冲能量时的凹槽深度的变化。脉冲间隔从300kHz时的3.3ms变化到10kHz时的0.1ms。很明显，重复率对于深度几乎没有影响，深度与用于加工一条线的脉冲数量成比例。建议在脉冲数量增加的同时扩展热影响区(HAZ)和熔池[8]。
材料2：机械抛光的冷轧铁素奥氏体精密型316不锈钢带
使用一刚性不锈钢金属柱来进行类似的实验。图5，6和7示出了以5kHz的重复率用208±20μJ的脉冲能量和一簇20个脉冲得到的光栅。该光栅表现出了良好、均匀的正弦曲线轮廓，除了两条故意省略的线之外(产生的目的是为了生成‘参考标记’)。图8中呈现的深度相对于每条线的能量的曲线清楚地图示出了两种情况。在使用低能量脉冲的情况下，深度仅仅较弱地(线性地)依赖于每条线的能量。我们认为这是熔化效应和表面张力效应组合导致的。
图5：在钢金属柱上用YAGboss技术加工的8μm周期的光栅的光学显微镜图像
图6：利用YAGboss技术在不锈钢金属柱上加工的8μm周期正弦曲线光栅。在5kHz的重复率使用20个能量为210±20μJ的脉冲。该轮廓示出两个没有经过激光加工的参考标记。
图7：利用YAGboss技术以5kHz的重复率使用20个能量为210±20μJ的脉冲加工的不锈钢金属柱的正弦曲线轮廓。
图8：凹槽深度随脉冲数量的变化，该脉冲用于以5kHz的重复率在机械抛光的316不锈钢带上标记单线。
在使用高能量脉冲的情况下，深度要大得多，并且深度相对于每条线的能量的梯度要陡峭得多。我们假定深度增加是由于汽化开始并因此产生显著的蒸汽反冲压力，而在使用低能量脉冲的情况下，只有变化的表面张力效应是显著的。
加工气氛的影响
为了进一步探究表面张力效应和反冲压力的相对重要性，将样品置于15摄氏度的二氧化碳气流中进行实验。文献[7，9]显示二氧化碳对熔化的金属材料的对流通量有显著影响；我们的确会期望材料流向中央而不是流向聚焦束的边缘。相比之下，我们会期望反冲压力总是具有反向效应。
图9示出了在二氧化碳气体覆盖情况下用线聚焦标记的机械抛光的不锈钢金属柱样品的表面。一组10个脉冲被用于每一条线，其中每个脉冲能量为400μJ。与在空气中加工的情况相反，强度峰值生成了一个突起(而不是凹陷)，这证实了在使用上述脉冲能量的情况下，表面张力(而不是反冲压力)效应起主导作用。此外，在二氧化碳中加工的线条比在空气中产生的线条更窄。与在空气中加工熔料向标记的边缘溢出不同，在二氧化碳气氛中的熔料仍然局限于光学辐射之下。
图9：在二氧化碳气氛中用YAGboss技术加工不锈钢金属柱。每条线用10个ET＝400μJ脉冲能量的脉冲进行加工。
在第二组在空气中随后又在二氧化碳中进行的实验里，用于标记单个线的脉冲(其固定脉冲能量EP＝300mJ)的数量连续增加。实验结果显示在图10中。
在二氧化碳中加工的材料的调制深度(波峰至波谷)，相对于大量脉冲(大于10个脉冲)，即大的总线能量ET≥3mJ，达到～100nm的稳定水平，同时在空气中标记的线的调制深度继续增加。一个可能的解释就是发生在一系列脉冲间的热量积聚导致10个脉冲之后开始汽化；在在空气中加工的情况下，这强化了高强度区域生成的凹陷，而在二氧化碳中加工的情况下，这反而消减了凹陷。
图10：对于300μJ的脉冲能量，在空气和二氧化碳气氛下使用YAGboss技术加工不锈钢上的线条。
在使用二氧化碳加工的情况下，如果脉冲能量进一步增大，由一系列脉冲生成的单个线的轮廓从突起变成凹陷(见图11)，即更类似于在空气中加工的情况；于是，在这种状况下，汽化起到了主导作用。
低能量输入
·空气中的形状  ·CO2中的形状
高能量输入
·空气中的形状  ·CO2中的形状
图11：在二氧化碳和空气中以低(最高)能量和高(最低)能量使用YAGboss技术加工的线的横向视图的总结和示意图。
讨论
YAGboss工艺是基于表面张力和材料上的反冲蒸汽压力的结合。这意味着熔融物向着线形标记的边缘转移。在本文介绍的实验中，被加工的目标不是主动冷却的。当标记发生时，金属柱横跨过光路，最初处于常温下的基板的局部温度在材料被标记的同时发生局部温度变化。这使得对包含在其中的现象的描述变得复杂，因为大多数热物理参数，例如热传导率、流体密度、表面张力以及粘度，都是随温度变化的。
本文中示出的实验结果显示，对于光学编码器标尺制造所需的典型的特征深度(～200nm)，表面张力变化和产生的马兰哥尼对流[7]是主要工艺。
YAGboss技术可被成功应用于由于激光束加工而呈现稳定液体均匀相的多种材料上。另外，还已证明以高加工速度可实现对～4μm宽、～400nm深的线条的显微加工对涂覆在不锈钢金属柱上的～1μm镍层和银层有效[10]。
结论
在本文中，我们探讨了YAGboss工艺中涉及的一些物理现象。这项技术用于准确织构金属表面以制造具有8μm周期和200±20nm深度的反射正弦光栅。这些光栅将被集成在高精度光学位置编码器中。
YAGboss是一项利用热致流体动力表面修饰的直写加工技术。其可适用于多种在激光辐射下能够达到均匀液相的材料。这些出自于由于表面张力变化而产生的对流通量与表面温度(马兰哥尼效应)和反冲蒸汽压力的结合的表面变形可被用来以产生正弦曲线轮廓。
该加工方法可潜在用于以所需的商业上可行的加工速率制造OPE标尺；对于具有10W平均功率的激光器和大于30kHz的重复率，大于45mm/分钟的速率(35个脉冲×～300μJ的每条线的能量)是可行的，从而允许以合适的时间(1ms)对8μm周期标尺基底进行定位。
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作者简介
Stephanie Giet于2008年获得斯特拉斯克莱德大学的光子学研究所物理学博士学位。她是赫瑞瓦特大学应用光学和光子学组的助理研究员。她的研究主要涉及适合各种商业应用的大功率激光标刻。她目前的研究兴趣包括与工业界伙伴合作开发用于快速制造高精度光学编码器的技术。
Frank Albri于2005年至2008年在卡尔斯鲁厄大学(德国)研究物理学。2008年9月，他直接进入赫瑞瓦特大学物理学硕士光电学和激光课程的第五年，并且于2009年7月毕业。他目前正在应用光学和光子学研究组攻读“高精度激光微加工”方向的博士学位。该研究集中于用于微加工的不同时域：从纳秒到飞秒脉冲，重点是皮秒激光脉冲。
Matt Kidd于1995年获得爱丁堡大学机械工程学学士学位，并于2000年获得赫瑞瓦特大学机械工程学博士学位。他于1999年加入瑞尼斯豪公司并且在一系列新的计量学项目中同时担任设计工程师和项目经理。2006年，他担任斯特灵医疗创新的项目经理，在家中研究心脏诊断学分析方法。2008年，他回到瑞尼斯豪公司。现在他领导着编码器标尺的机械设计开发。
donathan Shephard于1994年获得英国剑桥大学工程学学士学位，并分别于1996年和2000年获得英国谢菲尔德大学理科硕士(工程学)学位和博士学位。1994年，他加入英国的皮尔金顿公司，从事研发工作，之后他回到谢菲尔德大学攻读工程材料系的理科硕士(工程学)和博士。在谢菲尔德。他的工作集中在中红外发射光线和导波管。2003年，他加入英国爱丁堡的赫瑞瓦特大学应用光学和光子学组，致力于新型微结构光纤的开发和大功率激光器在加工、监测与控制方面的应用。现在，作为赫瑞瓦特大学的讲师和英国研究理事会学术研究员，他正致力于开发用于将大功率激光器集成在新的制造工艺中的技术。
Nick Weston分别于1990年和1994年获得英国杜伦大学工程学学士学位和工程设计博士学位。1997年，他加入瑞尼斯豪公司并于2003年成为瑞尼斯豪公司爱丁堡项目组的总经理。该项目组从事工业计量学，光学和精密运动系统方面的创新产品和加工技术的开发。Nick Weston是电气与电子工程师协会会员、特许机械工程师、英国机械工程师协会会员。
Duncan Hand是赫瑞瓦特大学应用光子学教授，同时也是物理系主任。他的研究兴趣囊括了一系列大功率激光器的应用，主要是制造和感测。他在制造方面的研究包括激光微连接，激光精密加工以及大功率激光的光纤传输；他的研究是詹姆斯瓦特研究所的重要组成部分。詹姆斯瓦特研究所是设在赫瑞瓦特的创新制造研究中心，最近刚从英国工程和自然科学研究委员会收到720万英镑的资金。

Claims (34)

1.一种形成光学器件的方法，该方法包括：
向用于形成所述光学器件的基板的表面层的目标区域施加激光束，从而选择性地加热所述表面层的材料，以由此由于表面张力梯度而提供材料转移，以在所述表面层上构建标记，
其特征在于，所述表面层是这样的，即在液态时，所述表面层的较高温度的部分具有比相邻的所述表面层的较低温度的部分高的表面张力。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法包括控制所述表面层处的气氛，从而使得所述表面层是这样的，即在液态时，所述表面层的较高温度的部分具有比相邻的所述表面层的较低温度的部分高的表面张力。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，控制所述气氛包括在所述表面层处提供富含引起氧化、磷汽化、碳化物形成和/或铬迁移的气体的气氛。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述气氛的控制包括在向所述表面层施加所述激光束期间在所述表面层处提供富含CO2的气氛。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述表面层包含如下材料，该材料具有这样的组成，该组成使得：在液态时，所述表面层的较高温度的部分具有比相邻的所述表面层的较低温度的部分高的表面张力。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述组成通过使用表面活性剂处理所述表面层实现，所述表面活性剂与所述表面层的材料发生反应而导致所述表面层在液态时具有较高温度的部分，该较高温度的部分具有比相邻的所述表面层的较低温度的部分高的表面张力。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述表面活性剂导致氧化、磷汽化、碳化物形成和/或铬迁移。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述组成包括来自周期表的第13、14、15和16族的一种或更多种元素。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述组成包括来自周期表的第2和3周期的一种或更多种元素。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述材料包括高周期金属，并且所述组成包括来自周期表的第4和第5周期的一种或更多种元素。
11.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，组成和/或表面活性剂包括选自钙、硫、锰、硅、钛、锌、铝、镁、氮、氧和磷的一种或更多种元素。
12.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述表面层包含具有选定的氧或硫含量的材料。
13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法包括控制所述激光束的至少一个参数以获得所述目标区域的期望轮廓，以由此提供具有期望光学特征的光学器件。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述至少一个参数包括强度、波长、脉冲长度和脉冲重复时间中的至少一个。
15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述目标区域的第一部分处施加的激光束的强度比在所述目标区域的第二部分处施加的激光束的强度大。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述激光束具有高于阈值强度的强度，以由此与向所述目标区域的所述第二部分的材料转移相比减少向所述目标区域的所述第一部分的材料转移。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述激光束在所述目标区域的所述第一部分处具有高于所述阈值强度的强度，而在所述目标区域的所述第二部分处具有低于所述阈值强度的强度。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述阈值强度是这样的强度，在该强度时，激光辐射提供显著的烧蚀压力。
19.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述阈值强度是最小强度，对该最小强度来说，所述激光束的激光辐射用来对抗由于表面张力梯度引起的材料转移。
20.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，该方法包括向所述目标区域既施加所述激光束又施加另一个激光束，其中所述激光束具有高于所述阈值强度的强度，并且所述另一个激光束具有低于所述阈值强度的最大强度。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，该方法包括：
向所述目标区域施加所述激光束和所述另一个激光束中的一者；
使得所述目标区域处的所述表面层至少局部固化；以及
向所述目标区域施加所述激光束和所述另一个激光束中的另一者。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，向所述目标区域施加所述另一个激光束利用材料填充通过施加所述激光束形成的表面材料的轮廓的至少一部分，或反之亦然。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述激光束的施加形成了双峰部的表面材料轮廓，并且所述另一个激光束的施加随后至少部分地填充所述双峰部之间的井，或者所述另一个激光束的施加形成了单个峰部的表面材料轮廓，并且所述激光束的施加随后至少部分加宽该单个峰部。
24.根据权利要求20至23中任一项所述的方法，其特征在于，所述激光束和所述另一个激光束具有被控制成使得在所述目标区域处产生具有基本平坦顶部的材料轮廓的参数。
25.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，该方法包括向多个目标区域施加所述激光束和/或所述另一个激光束，每个目标区域都位于所述表面层上的各自不同的位置，以由此横跨所述表面层构建期望的材料轮廓。
26.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，所述方法包括向所述多个目标区域顺序地施加所述激光束和/或所述另一个激光束，其中所述目标区域的在所述表面层上彼此空间相邻的至少一些目标区域在该顺序中在时间上不相邻。
27.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，该方法包括多次向所述目标区域施加所述激光束和/或所述另一个激光束，以由此在该目标区域处构建期望的材料轮廓。
28.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，该方法包括：控制所述表面层处的气氛，从而使得所述表面层是这样的，即在液态时，所述表面层的较高温度的部分具有比相邻的所述表面层的较低温度的部分高的表面张力；以及改变所述表面层上方的气体的组成，使得所述气体的组成在向所述目标区域施加所述激光束和/或所述另一个激光束的时间中的至少一些时间中与在向所述目标区域施加所述激光束和/或所述另一个激光束的时间中的至少一些其他时间中不同。
29.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述方法包括阻挡所述激光束和/或另一个激光束的外部部分到达所述表面层。
30.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括在向所述表面层施加所述激光束之前使所述激光束经过光束整形器。
31.根据权利要求30所述的方法，其特征在于，所述光束整形器被构造成将功率从所述激光束的较高强度部分重新分布到所述激光束的较低强度部分。
32.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述激光束和所述另一个激光束中的至少一个具有这样的强度，该强度使得由于表面张力梯度而提供材料转移，而基本上不会移除材料。
33.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光学器件包括计量器件、相位标尺、幅度标尺和衍射光栅中的至少一个。
34.一种用来形成光学器件的设备，该设备包括：
用于向形成所述光学器件的基板的表面层的目标区域施加激光束的激光器；
控制器，该控制器将所述激光束的至少一个参数的值控制成使得对所述表面层的材料进行选择性加热，以由此由于表面张力梯度而提供材料转移，以便在所述目标区域中的所述表面层上构建具有期望光学特征的标记；以及
用于控制所述表面层处的气氛使得所述表面层在液态时所述表面层的较高温度的部分具有比相邻的所述表面层的较低温度的部分高的表面张力的装置。
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