CN105537757A - 一种基于多轴对称激光束的微探针尖端热成形系统 - Google Patents

一种基于多轴对称激光束的微探针尖端热成形系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于多轴对称激光束的微探针尖端热成形系统，涉及微探针尖端加工制造领域。该系统主要包括：激光模块、多轴对称光路模块、在线监测模块、探针位置调整模块、信号分析处理模块和激光防护模块等；所述的激光模块发出的CO2激光经过多轴对称光路模块后，形成相对于Z方向对称的四束激光，从探针的四个对称方向对其尖端进行加热成形；所述的在线监测模块可将实时加工信息反馈给信号分析处理模块，并通过信号分析处理模块及时调整探针的加工方案。本系统采用的多轴对称激光束微探针尖端热成形方法，可使探针尖端均匀受热，保证热应力分布平衡，能够快速形成具有较高几何与形貌精度的探针尖端，提高了探针尖端加工成形的质量和效率。

Description

一种基于多轴对称激光束的微探针尖端热成形系统
技术领域
本发明涉及微探针尖端加工制造领域，特别涉及一种基于多轴对称激光束的微探针尖端热成形系统。
背景技术
微探针尖端激光加热成形技术主要有单光束加热和双光束加热两种方式。单光束加热方法从微探针的一侧进行加热，依靠热量的传递对探针尖端进行成形加工。由于热传递的梯度变化，探针尖端在受热融化成形过程中应力分布不均匀，探杆易弯曲，针尖易变形。双光束加热方法从微探针轴线某方位的相对两侧进行热加工，能够提高探针尖端热应力分布的均匀性，减小探杆的弯曲与针尖的变形。然而在超精密与精密形貌质量检测时，要求探针尖端具有微米甚至更高的几何形貌精度，双光束加热方法所带来的微小弯曲与变形使得探针尖端的几何形貌精度达不到微米级的精度要求。
发明内容
为解决以上微探针尖端成形加工技术中存在的缺陷，提高微探针尖端的球形质量，本发明介绍了一种基于多轴对称激光束的微探针尖端热成形系统。该系统采用的具体技术方案详见下文描述：
本加工成形系统，主要由激光模块、多轴对称光路模块、在线监测模块、探针位置调整模块、信号分析处理模块和激光防护模块组成。所述的激光模块为CO2激光器(1)，所述的CO2激光器(1)的控制端口连接信号分析处理模块(11)，其光源端口发出CO2激光沿Y轴方向传播并进入所述的多轴对称光路模块。
所述的多轴对称光路模块包括：激光指示器(2)、合束镜(3)、第一分光镜(4)、第二分光镜(5-1)、第三分光镜(5-2)、第一反射镜(6-1)、第二反射镜(6-2)、第三反射镜(6-3)、第四反射镜(6-4)、第五反射镜(6-5)、第六反射镜(6-6)和第七反射镜(6-7)等。其特征是：上述光学器件的中心都在X-Y平面，激光指示器(2)的轴线与X轴平行并通过合束镜(3)的光学中心，所述的合束镜(3)、第一分光镜(4)，第二分光镜(5-1)、第三分光镜(5-2)和第三反射镜(6-3)沿Y轴方向从左向右依次排列。
所述的第一反射镜(6-1)位于第一分光镜(4)的X轴正方向，两者中心连线平行于X轴；第二反射镜(6-2)位于第三反射镜(6-3)的X轴正方向，两者中心连线平行于X轴；第一反射镜(6-1)与第二反射镜(6-2)的中心连线平行于Y轴；第四反射镜(6-4)、第五反射镜(6-5)、第六反射镜(6-6)和第七反射镜(6-7)的中心形成一个正方形，所述的正方形的几何中心位置位于坐标原点O处其四条边分别平行于X轴与Y轴。
所述的CO2激光器(1)发出CO2激光并沿Y轴通过合束镜(3)，然后被第一分光镜(4)与第一反射镜(6-1)分为两束沿Y方向传播的平行激光；此两束平行激光经过光路子模块(由第二分光镜(5-1)、第四反射镜(6-4)与第五反射镜(6-5)构成)与光路子模块(由第二反射镜(6-2)、第三反射镜(6-3)、第三分光镜(5-2)、第六反射镜(6-6)与第七反射镜(6-7)构成)形成相对于Z方向对称的四束激光汇聚在探针毛坯(8)的尖端a处。
所述的在线监测模块为一种显微成像设备(7)，其特征是：所述的显微成像设备(7)主要包括显微成像镜头和图像传感器阵列，所述的图像传感器阵列通常为CCD器件或CMOS器件中的一种。所述的显微成像设备(7)的镜头对准待加工的微探针毛坯(8)的尖端，设备输出端接入信号分析处理模块(11)，能够将微探针毛坯尖端加工成形的实时信息传输给信号分析处理模块(11)，实现在位操作的可视化。
所述的探针位置调整模块包括支架(9)和位移平台(10)，其特征是：所述的支架(9)夹持待加工微探针毛坯(8)，并固定在位移平台(10)上。所述的位移平台(10)为三维精密位移电动平台，其控制端与信号分析处理模块(11)连接，待加工微探针毛坯(8)的空间位置通过位移平台(10)进行调整；
所述的信号分析处理模块为一种具有数字信号处理能力的计算机系统(11)，其特征是：该计算机系统(11)分别与CO2激光器(1)、显微成像设备(7)和位移平台(10)连接。所述的显微成像设备(7)采集探针尖端几何形貌并传送给计算机系统(11)，计算机系统(11)分析计算探针尖端形貌的几何精度，并根据分析结果调节CO2激光器(1)的输出功率和作用时间，同时调整位移平台(10)的空间位置，形成新的加工方案，有利于提高探针尖端加工成形的质量和效率。
所述的激光防护模块为防护罩(12)，其特征是：所述的防护罩(12)由五块CO2激光专用防护板构成，罩在整个激光光路经过的区域，防止CO2激光的偏移和散射对操作人员造成伤害。
如上所述的一种基于多轴对称激光束的微探针尖端热成形系统，更进一步说明为，所述的合束镜(3)的中心平面垂直于X-Y面且与Y-Z面成45度角设置，在靠近CO2激光器(1)的一侧表面涂覆有针对CO2激光的增透涂层，在靠近激光指示器(2)的一侧表面涂覆有针对指示激光的增强反射涂层。
如上所述的一种基于多轴对称激光束的微探针尖端热成形系统，更进一步说明为，所述的第一分光镜(4)对CO2激光和指示激光都具有相同的反射能力和透射能力，可在X-Y平面内将所述的CO2激光和指示激光都分成两束夹角为90度且能量相同的激光。
所述的第二分光镜(5-1)和第三分光镜(5-2)为两个完全相同的分光镜，位于Y轴上且关于X-Z面对称设置，用来将激光分为两束与Y轴具有相同夹角且关于Y轴对称传播的激光。
所述的第一至第七反射镜为七个完全相同的反射镜，其中第一至第三反射镜组合使用，改变所述的激光的传播方向。第四至地七反射镜组合使用，使所述的四束激光汇聚到探针毛坯(8)尖端a处。
如上所述的一种基于多轴对称激光束的微探针尖端热成形系统，更进一步说明为，本系统使用的CO2激光为具有较高能量且不可见的红外光，容易对人身造成伤害，在光路调节时不能直接使用。为此基于等效替换的原则，本系统采用能量较低且可见的指示激光代替CO2激光进行光路调节。其原理是：CO2激光器(1)发出的CO2激光进入合束镜(3)中心后发生透射将继续沿Y轴传播，激光指示器(2)发出的与X轴平行的指示激光进入合束镜(3)的中心后发生反射同样沿Y轴传播，这样经过合束镜(3)后CO2激光和指示激光的传播路径重合，并且两束激光的后续传播光路完全相同。因此只需利用指示激光对光路进行调节，就能够获得利用CO2激光对光路进行调节的相同效果。
与已有的基于激光加热方式的微探针尖端成形方法相比，本发明带来的有益效果是：
所述的CO2激光具有较高的能量，利用多轴对称CO2激光束对探针尖端进行加热可使探针尖端均匀受热，保证热应力分布平衡；短时间加热后，探针尖端软化流动，在表面张力和内部应力作用下形成具有较高几何与形貌精度的探针尖端；有效地提高了探针尖端加工成形的质量和效率。
附图说明
图1是本发明一种基于多轴对称激光束的微探针尖端热成形系统整体结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示：本发明涉及一种基于多轴对称激光束的微探针尖端热成形系统，包括：CO2激光器1、激光指示器2、合束镜3、第一分光镜4、第二分光镜5-1、第三分光镜5-2、第一反射镜6-1、第二反射镜6-2、第三反射镜6-3、第四反射镜6-4、第五反射镜6-5、第六反射镜6-6、第七反射镜6-7、显微成像设备7、微探针毛坯8、支架9、位移平台10、计算机系统11和防护罩12等。
所述的CO2激光器1的控制端口与所述的计算机系统11连接，其光源端口发出CO2激光沿Y轴方向传播并进入所述的合束镜2的中心。所述的激光指示器2、合束镜3、第一分光镜4、第二分光镜5-1、第三分光镜5-2、第一反射镜6-1、第二反射镜6-2、第三反射镜6-3、第四反射镜6-4、第五反射镜6-5、第六反射镜6-6和第七反射镜6-7的中心位于X-Y平面。激光指示器(2)的轴线与X轴平行并通过合束镜(3)的光学中心，所述的合束镜(3)、第一分光镜(4)，第二分光镜(5-1)、第三分光镜(5-2)和第三反射镜(6-3)沿Y轴方向从左向右依次排列。所述的第一反射镜(6-1)位于第一分光镜(4)的X轴正方向，两者中心连线平行于X轴；第二反射镜(6-2)位于第三反射镜(6-3)的X轴正方向，两者中心连线平行于X轴；第一反射镜(6-1)与第二反射镜(6-2)的中心连线平行于Y轴；第四反射镜(6-4)、第五反射镜(6-5)、第六反射镜(6-6)和第七反射镜(6-7)的中心形成一个正方形，所述的正方形的几何中心位置位于坐标原点O处其四条边分别平行于X轴与Y轴。所述的防护罩12由五块CO2激光专用防护板构成，罩在整个激光光路经过的区域。所述的微探针毛坯8以玻璃管探针作为实例。
本发明的具体实施过程可描述如下：
接通系统中各设备的电源；
对系统中各光学器件的位姿进行初步调整：将CO2激光器1、激光指示器2、合束镜3、第一分光镜4、第二分光镜5-1、第三分光镜5-2、第一反射镜6-1、第二反射镜6-2、第三反射镜6-3、第四反射镜6-4、第五反射镜6-5、第六反射镜6-6和第七反射镜6-7调整到X-Y平面上的固定位置；将显微成像设备(7)聚焦于a点。
在a点沿水平方向设置一块活动挡板，打开激光指示器2使其发出指示激光，指示激光经过合束镜、分光镜和反射镜后，形成相对于Z方向对称的四束激光照射在活动挡板上形成光斑。对多轴对称光路模块中各个光学器件的位姿进行微调直到找到指示激光在活动挡板上形成最小光斑。
取下活动挡板，通过支架9将待加工的玻璃管探针沿Z轴方向夹持在所述的三维精密位移电动平台10上。打开显微成像设备7，观察玻璃管探针的尖端与所述的指示激光的最小光斑的相对位置，利用计算机系统11控制三维精密位移电动平台10的移动，调整玻璃管探针的空间位置，使待加工的玻璃管探针尖端与所述的指示激光的最小光斑重合。
关闭激光指示器2，在调好的加工平台上放置防护罩12，再在计算机系统11中设定CO2激光的功率与时间，打开CO2激光器1，对探针尖端进行形貌加工。
玻璃管探针尖端在受热成形过程中，显微成像设备7采集其尖端几何形貌并传送给计算机系统11，计算机系统11分析计算探针尖端形貌的几何精度，并根据分析结果与加工要求修正CO2激光的功率和作用时间。
以上所述实例性说明中微探针毛坯以玻璃管探针为实例，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的思想和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于多轴对称激光束的微探针尖端热成形系统，主要由激光模块、多轴对称光路模块、在线监测模块、探针位置调整模块、信号分析处理模块和激光防护模块组成；其特征是：
所述的激光模块为CO2激光器(1)，所述的CO2激光器(1)的控制端口连接信号分析处理模块(11)，其光源端口发出CO2激光沿Y轴方向传播并进入所述的多轴对称光路模块；
所述的多轴对称光路模块包括：激光指示器(2)、合束镜(3)、第一分光镜(4)、第二分光镜(5-1)、第三分光镜(5-2)、第一反射镜(6-1)、第二反射镜(6-2)、第三反射镜(6-3)、第四反射镜(6-4)、第五反射镜(6-5)、第六反射镜(6-6)和第七反射镜(6-7)等；其特征是：上述光学器件的中心都在X-Y平面，激光指示器(2)的轴线与X轴平行并通过合束镜(3)的光学中心，所述的合束镜(3)、第一分光镜(4)，第二分光镜(5-1)、第三分光镜(5-2)和第三反射镜(6-3)沿Y轴方向从左向右依次排列；
所述的第一反射镜(6-1)位于第一分光镜(4)的X轴正方向，两者中心连线平行于X轴；第二反射镜(6-2)位于第三反射镜(6-3)的X轴正方向，两者中心连线平行于X轴；第一反射镜(6-1)与第二反射镜(6-2)的中心连线平行于Y轴；第四反射镜(6-4)、第五反射镜(6-5)、第六反射镜(6-6)和第七反射镜(6-7)的中心形成一个正方形；所述的正方形的几何中心位置位于坐标原点O处其四条边分别平行于X轴与Y轴；
所述的在线监测模块为一种显微成像设备(7)，其镜头正对微探针毛坯(8)的尖端且输出端接入信号分析处理模块(11)；
所述的探针位置调整模块包括支架(9)和位移平台(10)，其中所述的支架(9)夹持待加工微探针毛坯(8)，并固定在位移平台(10)上，所述的位移平台(10)为三维精密位移电动平台，其控制端与信号分析处理模块(11)连接，待加工微探针毛坯(8)的空间位置通过位移平台(10)进行调整；
所述的信号分析处理模块为一种具有数字信号处理能力的计算机系统(11)，分别与CO2激光器(1)、显微成像设备(7)和位移平台(10)相连，调节CO2激光器(1)的输出功率与作用时间，接收显微成像设备(7)的图像信息并分析其几何与形位特征，控制位移平台的空间位置；
所述的激光防护模块为长方体防护罩(12)，由五块罩在整个激光光路区域的CO2激光专用防护板构成。
2.如权利要求1所述的一种基于多轴对称激光束的微探针尖端热成形系统，其特征是：所述的CO2激光器(1)发出CO2激光并沿Y轴通过合束镜(3)，然后被第一分光镜(4)与第一反射镜(6-1)分为两束沿Y轴方向传播的平行光；此两束平行激光经过光路子模块(由第二分光镜(5-1)、第四反射镜(6-4)与第五反射镜(6-5)构成)与光路子模块(由第二反射镜(6-2)、第三反射镜(6-3)、第三分光镜(5-2)、第六反射镜(6-6)与第七反射镜(6-7)构成)形成相对于Z方向对称的四束激光汇聚在探针毛坯(8)的尖端a处。
3.如权利要求1所述的一种基于多轴对称激光束的微探针尖端热成形系统，其特征是：所述的激光指示器(2)发出可见的且与X轴平行的指示激光，所述的指示激光射向合束镜(3)的中心，经过合束镜(3)的反射后沿Y轴传播，然后经过与所述的CO2激光光路相同的光路，被分为相对于Z方向对称的四束激光汇聚在探针毛坯(8)的尖端a处。
4.如权利要求1所述的一种基于多轴对称激光束的微探针尖端热成形系统，其特征是：所述的合束镜(3)的中心平面垂直于X-Y面且与Y-Z面成45度角设置，在靠近CO2激光器(1)的一侧表面涂覆有针对CO2激光的增透涂层，在靠近激光指示器(2)的一侧表面涂覆有针对指示激光的增强反射涂层。
5.如权利要求1所述的一种基于多轴对称激光束的微探针尖端热成形系统，其特征是：所述的第一分光镜(4)对CO2激光和指示激光都具有相同的反射能力和透射能力，可在X-Y平面内将所述的CO2激光和指示激光都分成两束夹角为90度且能量相同的激光。
6.如权利要求1所述的一种基于多轴对称激光束的微探针尖端热成形系统，其特征是：所述的第二分光镜(5-1)和第三分光镜(5-2)为两个完全相同的分光镜，位于Y轴上且关于X-Z面对称分布。
7.如权利要求1所述的一种基于多轴对称激光束的微探针尖端热成形系统，其特征是：所述的第一至第七反射镜为七个完全相同的反射镜，其中第一至第三反射镜组合使用，改变激光传播方向；第四至地七反射镜组合使用，使所述的四束激光汇聚到探针毛坯(8)尖端a处。
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