CN104037038B - 一种利用同种材料薄板制备矩形光栅结构的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用同种材料薄板制备矩形光栅结构的方法，通过两种不同厚度的薄板按照一定规则交叉叠加来制作具有一定周期结构的光栅，光栅的周期由两种薄板的厚度决定，光栅槽的宽度由其中一种薄板的厚度决定，而光栅槽的深度由两种薄板侧面的面间距决定。该方法能够制备出深宽比大、侧面光滑陡峭的高精度光栅，该光栅结构可广泛应用到真空电子器件的慢波结构和精细加工模具的制造中。

Description

一种利用同种材料薄板制备矩形光栅结构的方法

技术领域

本发明涉及一种矩形光栅的制备方法，具体涉及一种利用同种材料薄板制备矩形光栅结构的方法。

背景技术

矩形光栅被大量应用于真空电子学器件，如绕射辐射振荡器件的慢波结构。当真空电子器件工作频率比较低时，所需光栅的周期、光栅凹槽的宽度都比较大，这时光栅结构完全可以用机械加工的手段，如铣床、刨床、电火花加工等工艺制备出来。随着器件工作频率的提高，器件对光栅的要求越来越高，如光栅周期和凹槽宽度越来越小；为了缓解高频趋肤效应，要求光栅的表面粗糙度越来越小、光洁度越来越高；同时，为了让光栅结构能承受住一些截获电子在沉降时的冲击力，要求光栅的硬度比较大，这些都对加工光栅的工艺提出了较高的要求。为了解决这些问题，科研人员尝试利用UV-LIGA工艺制备高精度的光栅，但实践证明，这种工艺在制备光栅时仍面临光栅沟槽的深宽比小，侧面粗糙度大，材料致密性低，且加工复杂，设备昂贵等困难。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种利用同种材料薄板制备矩形光栅结构的方法。该方法利用薄板材料和相对简单的工艺就能够制备出深宽比大、侧面光滑陡峭的高精度光栅。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案如下。

一种利用同种材料薄板制备矩形光栅结构的方法，包括如下步骤：

1）制备或选取由同种材料制成的厚度分别为h₁和h₂的两种薄板；

2）利用机械加工手段，使两种所述薄板的上下表面及至少一个侧面光滑，同时使每一种薄板的光滑侧面与各自薄板的上下表面相互垂直；

3）取厚度为h₁和h₂的薄板各一块，将厚度为h₁的薄板叠放在厚度为h₂的薄板的上表面，要求两块薄板的光滑侧面平行地分布在同一侧，且具有恒定的面间距；

4）依次交叉叠放两种厚度不同的薄板，使厚度为h₁的薄板的各个光滑侧面都位于同一平面上，厚度为h₂的薄板的各个光滑侧面都位于另一平面上，且两平面具有恒定面间距；

5）把制造好的光栅毛坯用夹子压紧，通过电阻焊或其他焊接方式，使这些薄板成为一个整体；

6）通过切割或打磨，使光栅尺寸满足要求，并通过清洗去除光栅样品表面的油脂和污染物。

进一步地，两种所述薄板均为同一种金属材料；可以选用的金属材料如无氧铜薄板、不锈钢薄板、铁薄板或铝薄板等。

进一步地，所述金属薄板的上下表面和光滑侧面的粗糙度要优于最终光栅侧面及上表面的粗糙度要求。

进一步地，两种所述薄板理论上可以为任意形状，但为了方便板材叠放时的对齐检验，优选使用薄板为长方体。

本发明的有益效果是：本发明提供的利用同种材料薄板制备矩形光栅结构的方法，能够制备出深宽比大、侧面光滑陡峭的高精度光栅，该光栅结构可广泛应用到真空电子器件的慢波结构、精细加工模具的制造中。

附图说明

图1为本发明第一种实施方式的薄板叠放方式图。

图2为本发明第一种实施方式得到的不同厚度的薄板叠放成9个周期的光栅结构示意图。

图3位本发明第二种实施方式得到的由无氧铜薄板制备的矩形光栅结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

首先制备厚度分别为h₁、h₂两种薄板，对薄板表面进行打磨处理，使其平滑。然后，把两种薄板进行交叉叠放，且叠放结构的其中一个端面满足以下要求：1）在该端的相邻薄板面间距相等；2）相间薄板的厚度相同，且在该端的侧面在同一平面上；3）每一块薄板在该端面的侧面垂直于薄板的上下表面。最后，通过电阻焊接或其他工艺，使该结构成为一个整体。这样就在该端面形成了光栅结构，其中光栅的周期l由两块薄板的厚度决定（即l=h₁+h₂），光栅槽的深度由相邻薄板在该端的面间距决定，光栅槽的宽度由该端面凹陷下去的那一种光栅厚度决定。

本实施例的具体步骤如下：

1）选择材料相同、厚度分别为h₁和h₂的两块薄板，如图1所示，厚度为h₁的板材1的长度和宽度分别为L₁、W₁，利用机械加工手段，确保板材1的上下表面及至少一个侧面S₁光滑，厚度为h₂的板材2的长度和宽度分别为L₂、W₂，使板材2至少一个侧面S₂光滑。

2）如图1所示，将两块薄板叠放在一起，叠放的具体要求是：

a）叠放前可以对薄板的表面进行打磨、抛光等类似工艺处理，使薄板的上下表面光滑，易于叠放时两块薄板紧密接触，且制造的光栅侧壁光滑。

b）同时，要保证两块薄板的光滑侧面S₁和S₂与各自薄板的上下表面相垂直，这样就保证了加工后形成的光栅底部与侧壁相垂直。

c）叠放时，两块薄板的侧面S₁和S₂相互平行，面间距为L₀，该值决定着将要制备光栅的深度。

3）在步骤2）制备结构基础上，在厚度为h₁的薄板上表面叠放一块厚度为h₂的薄板。该薄板的要求与步骤2）相同，即该板材至少有一个侧面与上下表面相垂直，且该侧面和上下表面的表面光滑度符合最终光栅的要求。

叠放时，该光滑侧面与步骤2）所述板材1的侧面S₁在同一平面上，即与板材2的S₂面距离为L₀。

4）在步骤3）刚叠放的厚度为h₂的薄板上表面，再叠放一块厚度为h₁的薄板，新叠放薄板的表面要求同步骤3）相同。同时要求新叠放薄板光滑侧面与步骤2）所述板材2的侧面S₂在同一平面上。

5）重复步骤3）和步骤4），直到薄板形成的周期与要制作的光栅周期相等，如图2所示的九个周期的光栅结构。

6）把制造好的光栅毛坯用夹子压紧，然后通过电阻焊或其他焊接方式，使这些薄板成为一个整体，于是在该整体的一端面就形成了光栅结构。

7）通过切割或打磨，使光栅尺寸满足最后要求，并通过清洗，去除光栅样品表面的油脂或污染物。

实施例2

制作一个可用作绕射辐射真空电子器件慢波系统的无氧铜光栅，要求光栅周期长度l为0.1mm，槽宽度为0.05mm，深度为5mm。

步骤1、材料准备

通过机械加工制备或商业购买，得到厚度为0.05mm无氧铜薄板，然后通过切割把这些薄板加工成长宽厚分别为20mm×10mm×0.05mm，15mm×10mm×0.05mm的两种长方体A和B，要求这些长方体的表面粗糙度小于50nm。

步骤2、板材的叠放

叠放时，两种长度不同的板材要交替叠加，且短边和长边彼此都分别平行，并遵循如下原则：

1）相间板材的长度相同，相间板材的长边与宽边彼此都要完全对齐；

2）相邻板材的长度不同，叠放时要求相邻板材同一侧的长边在同一平面，且其中一侧的短边所在的侧面的面间距都为5mm。另一侧短边所在的侧面在同一个平面上；

这样叠加后的板材形状如图3所示。

步骤3、焊接结构

用夹子把叠放后的板材加紧，然后通过热阻焊，把板材焊接在一起。

步骤4、后续处理

通过线切割，把板材切割成最终的光栅形状。并通过化学清洗，清洗干净光栅表面的污垢。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；如果不脱离本发明的精神和范围，对本发明进行修改或者等同替换，均应涵盖在本发明权利要求的保护范围当中。

Claims (3)

1.一种利用同种材料薄板制备矩形光栅结构的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)制备或选取由同种材料制成的厚度分别为h₁和h₂的两种薄板；

2)利用机械加工手段，使两种所述薄板的上下表面及至少一个侧面光滑，且每一种薄板的光滑侧面与各自薄板的上下表面相互垂直；

3)取厚度为h₁和h₂的薄板各一块，将厚度为h₁的薄板叠放在厚度为h₂的薄板的上表面，要求两块薄板的光滑侧面平行地分布在同一侧，且具有恒定的面间距；

4)依次交叉叠放两种厚度不同的薄板，使厚度为h₁的薄板的各个光滑侧面都位于同一平面上，厚度为h₂的薄板的各个光滑侧面都位于另一平面上，且两平面具有恒定的面间距；

5)把制造完成的光栅毛坯用夹子压紧，通过电阻焊或其他焊接方式，使这些薄板成为一个整体；

6)通过切割或打磨，使光栅尺寸满足要求，并通过清洗去除光栅样品表面的油脂和污染物；

两种所述薄板均为金属薄板；

所述金属薄板的上下表面的粗糙度要小于光栅成品的侧壁表面粗糙度；所述金属薄板的光滑侧面的粗糙度要小于光栅成品的上表面粗糙度。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属薄板为无氧铜薄板或不锈钢薄板或铁薄板或铝薄板。

3.如权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于，所述两种厚度不同的薄板为长方体形状。