CN108326451A - 一种飞秒激光薄膜微群孔高效制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种飞秒激光薄膜微群孔运动旋切式制造方法，在对薄膜，尤其是热控薄膜加热时，提供一对射式激光定位传感器，在热控薄膜上冲击出一排基准孔，以上述基准孔为引导孔，通过上述传感器输出的信号传递给控制单元控制薄膜打孔位置，聚焦镜和反射镜在直线电机驱动下沿所述热控薄膜宽幅方向往复平移运动，当定位于热控薄膜边缘第一孔位后，飞秒激光开启，激光束经由振镜形成扫描光束，所述扫描光束经过所述反射镜到达所述聚焦镜，经聚焦镜聚焦后照射至所述热控薄膜，由上述振镜旋转作用形成所述激光束旋切冲孔，超快激光单光子照射至所述热控薄膜表面后，直接将碳碳键和碳氮键通过光化学作用分解。

Description

一种飞秒激光薄膜微群孔高效制造方法

技术领域

本发明属于先进激光制造领域，涉及一种环地球卫星轨道有效载荷装置的热控薄膜群孔制造方法。该方法使用振镜、反射镜、聚焦镜等模块，通过超快激光单光子能量直接将碳碳键和碳氮键分解的光化学作用，在产生极少数热能的条件下，对热控薄膜进行打孔制造，具有运动旋切式群孔制造方法、振镜群孔制造方法以及固定式阵列旋切式群孔制造方法，且可以在三种方法之间进行切换。

背景技术

20世纪60年代出现一种新型光源，具有单色性好、方向性好、相干性好、能量集中等特点。飞秒光脉冲是指持续时间为10^-12s-10^-15s的激光脉冲10，这种激光脉冲10具有极高的峰值功率，很宽的光谱宽度和极短的激光发射时间的特点。飞秒激光以其独特的超短持续时间和超强峰值功率开创了材料超精细、低损伤和空间三维加工处理的新领域，而且应用越来越广。根据飞秒激光超短和超强的特点，大体上可以将应用研究领域分成超快瞬态现象的研究和超强现象的研究。它们都是随着激光脉冲10宽度的缩短和脉冲能量的增加而不断的得以深入和发展。飞秒脉冲激光的最直接应用是人们利用它作为光源, 形成多种时间分辨光谱技术和泵浦/探测技术。它的发展直接带动物理、化学、生物、材料与信息科学的研究进入微观超快过程领域, 并开创了一些全新的研究领域, 如飞秒化学、量子控制化学、半导体相干光谱等。飞秒脉冲激光与纳米显微术的结合, 使人们可以研究半导体的纳米结构(量子线、量子点和纳米晶体)中的载流子动力学。在生物学方面,人们正在利用飞秒激光技术所提供的差异吸收光谱、泵浦/ 探测技术, 研究光合作用反应中心的传能、转能与电荷分离过程。超短脉冲激光还被应用于信息的传输、处理与存贮方面。

第一台利用啁啾脉冲放大技术实现的台式太瓦激光的成功运转始于1988年，这一成果标志着在实验室内飞秒超强及超高强光物理研究的开始。在这一领域研究中，由于超短激光场的作用已相当于或者大大超过原子中电子所受到的束缚场，微扰论已不能成立，新的理论处理有待于发展。在1020W/cm2的光强下，可以实现模拟天体物理现象的研究。1019-1021W/ cm2的超高强激光产生的热电子（200KeV）。飞秒激光的另一个重要的应用就是微精细加工。通常，按激光脉冲10标准来说，持续时间大于10皮秒（相当于热传导时间）的激光脉冲10属于长脉冲，用它来加工材料，由于热效应使周围材料发生变化，从而影响加工精度。而脉冲宽度只有几千万亿分之一秒的飞秒激光脉冲10则拥有独特的材料加工特性，如加工孔径的熔融区很小或者没有；可以实现多种材料，如金属、半导体、透明材料内部甚至生物组织等的微机械加工、雕刻；加工区域可以小于聚焦尺寸，突破衍射极限等等。一些汽车制造厂和重型设备加工厂目前正研究用飞秒激光加工更好的发动机喷油嘴。使用超短脉冲激光，可在金属上打出几百纳米宽的小孔。在最近于奥兰多举行的美国光学学会会议上，IBM公司的海特说，IBM已将一种飞秒激光系统用于大规模集成电路芯片的光刻工艺中。用飞秒激光进行切割，几乎没有热传递。美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的研究人员发现，这种激光束5能安全地切割高爆炸药。该实验室的洛斯克说：“飞秒激光有希望作为一种冷处理工具，用于拆除退役的火箭、火炮炮弹及其他武器。”

飞秒激光能用于切割易碎的聚合物，而不改变其重要的生物化学特性。生物医学专家已将它作为超精密外科手术刀，用于视力矫正手术，既能减少组织损伤又不会留下手术后遗症，甚至可对单个细胞动精密手术或者用于基因疗法。目前人们还在研究如何将飞秒激光用于牙科治疗。有科学家发现，利用超短脉冲激光能去掉牙的一小块，而不影响周围的物质。美国Clark-MXR公司最近推出的UMW系列超快激光微加工工作台正是代表了这个领域里最前沿的商用飞秒激光微加工系统，它包括了用超短脉冲激光进行微加工所需的一切设备与配件，可用于微加工任何材料，生成亚微米精细结构，而不会对周边材料造成损害，不会造成材料飞溅，加工结果极其精确并具有高度可重复性。

飞秒脉冲的直接用途就是时间分辨光谱学。用飞秒脉冲来观测物理，化学和生物等超快过程，飞秒脉冲可作共焦显微镜的光源，来作生物样品的三维图象。用飞秒脉冲作光源的光学相干断层扫描(optical coherence tomography,简称OCT)可观察活体细胞的三维图象，此时并不是利用飞秒脉冲的时间特性，而是利用飞秒光源的宽谱线，来产生类似白光的干涉，利用飞秒脉冲在半导体中激发的声子的反射可用来实时测量半导体薄膜的厚度，以监测半导体薄膜的生长，用飞秒脉冲来作微型加工，打出的孔光滑而没有毛刺，因为飞秒脉冲不是靠热效应先熔化再蒸发，而是靠强场直接蒸发材料，飞秒脉冲用作光通信的光源，可把现有的通信速度提高几百倍，高能量的飞秒脉冲激光与等离子体相互作用可产生高次谐波及X－射线，并有可能用于受控核聚变，人们还尝试用飞秒脉冲产生的兆兆赫兹辐射，来检测集成电路的包装质量，甚至肉类制品的脂肪含量。总之，飞秒脉冲的应用很多。

随着飞秒脉冲激光器4的进一步发展和完善，一定能开辟出更多的应用前景。值得注意的是，每当研究发展到一定阶段，各国的研究人员中就有一批人从研究小组分离出来，把研究成果转化为产品，当然原有的激光器4公司也注意吸收新的研究成果。例如当时还在罗彻斯特大学的巴窦(P.Bado)早在1985年就成立了自己的公司麦道克斯(Medox)，生产高速光开关，后来随着飞秒脉冲放大技术的发展，他又与生产飞秒脉冲激光器4的克拉克仪器(ClarkInstruments)公司联合成立了克拉克－麦道克斯(Clark－MXR)公司，专门生产飞秒脉冲固体，光纤激光器4和放大器，及其周边仪器，华盛顿州立(Washington State)大学莫内恩与其丈夫卡普廷(H.Kapteyn)在创造了11-fs钛宝石激光器4以后，虽然没有脱离大学(现均移往密西根大学任教)，却成立了以他们夫妇名字命名的业余公司“KM-Laboratory”，出售他们制造的10-fs激光器4，维也纳工业大学的克劳斯小组中的施丁格尔(A.Stingl)等几个人也独立出来成立公司叫Femto Lasers,出售他们制造的使用色散反射镜7的亚10-fs激光器4，匈牙利固体物理研究所的采波奇也“停薪留职”，成立了Laser Optics公司，利用匈牙利固体物理研究所的设备，生产飞秒脉冲激光器4用的色散反射镜7，用他自己的话说，是他在“养活”研究所里的其他人，另一对以飞秒脉冲研究出名的夫妇凯勒和维因咖顿(K.Weingarten)更有趣，一个仍在大学做教授，另一个退出了美国光波公司(LightwaveElectronics)而随妻凯勒来到瑞士创办了一个叫“时间带宽积”的公司(Time-bandwidthProducts)，生产凯勒发明的用可饱和吸收镜启动锁模的飞秒脉冲激光器4，两大激光器4公司相干公司和光谱物理公司也当仁不让，倚仗它们雄厚的实力从泵浦激光器4，飞秒脉冲振荡器，放大器到参量振荡器各个领域与群雄展开全面竞争。

在国家科技战略方面，美国的做法是支持几个重点大学和国家实验室，例如密西根大学的超快光学中心，加州大学圣迭哥分校的强场物理实验室，劳仑斯-利物莫实验室等。日本则是以通产省大型“产(产业)官(官厅，即国家实验室)学(大学)”研究项目的形式，于1996年开始了所谓“飞秒技术计划”，集中了日本几乎所有的知名大公司，国家实验室和大学，还拉上了美国的贝尔实验室，开展飞秒脉冲技术的研究，目标是在兆兆比特高速通信技术方面独占鳌头。

随着对飞行器性能的提升，我们对薄膜厚度、冲孔品质要求也相应提高，机械模具冲孔的应力变形、边缘毛刺等制孔缺陷，成为飞行器外覆薄膜发展的瓶颈问题，迫切需要一种新的冲孔加工技术。本发明通过飞秒激光光束作为冲孔刀具融合特制的冲孔加工头，能很好的解决上述问题。

发明内容

相比于长脉冲采用热烧蚀的加工原理，飞秒激光采用了“冷加工”的机理。波长为355nm的紫外激光，单光子能量3.47ev，高于聚酰亚胺材料中C-C键和C-N键的键能，当紫外激光照射到聚酰亚胺材料表面时，可以直接将C-C键和C-N键打断，这种加工方式大部分的激光能量用于“光化学作用”，极少被转化为热能，所以加工过程中产生的热影响区是很小的，当加工参数满足一定条件的时候，可以在冲孔不产生光热作用。图1为飞秒激光冷加工示意图。紫外激光刻蚀聚酰亚胺时，存在一个能量密度阈值，能量密度必须超过这个值才会产生刻蚀，对于不同的激光波长，能量密度阈值也不同。

根据聚酰亚胺的一般晶格模型，能量密度阈值计算公式为：

公式中，E-光电子能量；N-单位面积上达到刻蚀所需的断键个数；α-吸收系数；x-晶格长度。

其中，对于355nm的紫外激光束5，E=3.47ev；

聚酰亚胺对应的N=1.52x1019个/m2；α=0.2x107m-1；x=1.2x10-9m。

计算得到平均能量密度阈值为352mJ/cm2，当输入的激光能量密度大于该值时，刻蚀现象发生，当输入能量密度增大到十几甚至几十J/cm2时，热烧蚀现象越来越明显。当功率密度在0.4J/cm2时，孔的周边没有明显的热影响区，此时光化学现象占主导地位。

紫外激光冲孔不仅不会产生机械冲击应力，而且冷加工特性也不会像长脉冲激光产生热应力，例如：紫外激光冲孔技术在柔性薄膜电路板上的应用已逐步取代传统的机械模具冲孔，主要原因就在于传统的机械模具冲孔在柔性薄膜电路板上产生应力破坏，在孔的周边存在微观的撕裂，影响到电子元器件的性能。激光器44发出的激光束55经过扩束镜66后光束直径变大，发散角变小，聚焦能力得到改善，然后，激光束55经过反射镜77反射后由聚焦镜88将光束会聚成能量很高的小光斑，作用到热控薄膜99上后将材料去除实现冲孔加工。图2所示为激光多脉冲冲孔示意图，激光冲孔方式采用的是定点多脉冲冲孔，该方法结构简单易操作，可以通过控制激光脉冲1010的频率和数量控制孔的形状，但是存在冲孔效率低，加工质量不理想的问题，主要原因在于：激光需要将孔内的材料全部去除才能实现冲孔加工，而且重复地作用在同一个位置，导致该处热量累积，热效应持续增加，会导致材料烧蚀严重，解决方法是采用光束旋切制孔。

对准原理：

采用对射式激光定位传感器实现薄膜定位，传感器有发射端和接收端，发射端发出的平行光束正对接收端的接收窗口，当冲孔加工时，没有孔的薄膜将光束遮挡，接收端没有接收，不输出信号，而当小孔的边缘到达时，光束透过小孔照射到接收端，接收端接收并输出信号给控制单元，控制薄膜定位。由于薄膜本身没有孔，所以需要首先冲出一排孔作为基准。

落料检测原理：

另外设有落料检测系统，因为激光群孔制造常见的质量问题表现为孔没有切透，或有部分粘连。对于这种问题的判断，可依据切透的孔心会掉落碎屑而未透孔不会掉落这种碎屑作为判断条件，通过检测冲孔时产生的废料掉落情况来判定孔是否切透。

旋切冲孔原理：

如图3所示，激光束55通过扫描装置绕孔轴线旋转，扫描轨迹为半径为r的圆周（也可以是其它形状的边缘）。由于激光束55在孔周边扫描而不是停留在同一位置，当一个激光脉冲10与热控薄膜99作用完后，下一个激光脉冲10作用位置发生改变，那么，激光加工产生的少量热量通过扫描循环间歇得到释放，当下一个循环开始时，热量不会得到累积，从而减小了热影响，提高了加工质量。旋切冲孔另一个突出的优势是：只去除很少的材料即可实现冲孔加工，减少了单孔加工时间，提高了冲孔效率。

三种冲孔模式工作原理：

三种冲孔模式是本设备的关键技术，以下对其具体的工作原理加以说明。

运动旋切式冲孔模式：运动旋切冲孔模式的工作原理如图4所示，聚焦镜8和反射镜7模块在直线电机驱动下可沿薄膜宽幅方向往复平移运动，当定位在薄膜边缘第一个孔位后，开启激光，激光束5经由振镜12形成扫描光束，经过反射镜7到达聚焦镜8，由聚焦镜8聚焦后作用到薄膜实现旋切冲孔。当冲完一个孔后，聚焦镜8和反射镜7模块同时运动到下一个孔的位置，依次完成一排孔的加工。该模式下只有反射镜7和聚焦镜8模块在直线电机上运动，振镜12则固定在一侧不动，由于反射镜7和聚焦镜8模块牢固固定，可实现高速的运动。缺点是由于振镜12与聚焦镜8和反射镜7模块之间距离会比较大，根据扫描旋切的原理，距离越大所需要的反射镜7和聚焦镜8模块的尺寸越大，使得工程实施难度加大。

振镜12冲孔模式：振镜12冲孔模式与运动旋切式冲孔模式相似，都是由直线电机驱动聚焦模块运动，不同的是振镜12冲孔模式下，振镜12与场镜（平场聚焦透镜14）直接相连并同步运动，如图5所示。振镜12冲孔模式可以加工各种形状的孔，并且可以用于表面标刻，但是，由于振镜12内部有高速摆动的电机，工作时，振镜12在直线电机上的平移速度不宜太高，限制了加工效率。

固定式阵列旋切冲孔模式：固定式阵列旋切冲孔模式是本发明的关键技术。本项目中激光加工设备在制作阵列孔时，在同一激光光束旋切速度下，影响冲孔效率有两个主要因素：激光输出能量和机械传动时间。其中，激光能量决定了单孔加工的时间，而机械传动影响平均加工时间。本设备中所选用的激光器4在膜厚25um上冲出直径1.5mm的单孔用时约50ms，而如果采用直线电机等机构将激光束5从一个孔位移动到下一个孔位所耗费的时间接近甚至超过了50ms，所以，移动制孔的效率受到了一定的限制。通过反复的实验论证，采用固定式阵列旋切冲孔模式可以有效发挥激光器4的性能，减少了运动旋切加工头在孔之间移动的时间，显著地提升了冲孔加工效率。固定式阵列旋切冲孔模式工作原理如图6所示。如图6所示，固定式阵列旋切冲孔模式有46个阵列单元，其中每个阵列单元对应一个冲孔位置。通过四套振镜12覆盖1.2m幅宽的扫描范围，每个振镜12扫描幅宽300mm， 1号和4号振镜12各覆盖11个阵列冲孔单元，；2号和3号振镜12各覆盖12个阵列冲孔单元，电动旋转反射镜7M1、M2、M3和固定反射镜7M4分别将激光束5反射进1号、2号、3号和4号振镜12。工作过程：激光束5经过电动旋转反射镜7M1反射进入1号振镜12，振镜12将光束旋转并摆向M01反射镜7，反射后通过FL01聚焦镜8聚焦在薄膜面上，实现第一个孔的旋切冲孔加工，如图7所示。然后，1号振镜12将激光束5摆向M02反射镜7并将光束按照规定半径进行旋转，通过FL02聚焦镜8聚焦在薄膜面上，实现旋切冲孔加工，依次下去，实现11个孔的加工；当加工完第11个孔后，控制器驱动电动旋转反射镜7M1旋转过一定角度，此时激光束5到达电动旋转反射镜7M2，经过M2反射，激光束5进入2号振镜12，2号振镜12依次将激光束5旋转并摆向反射镜7阵列M12—M23，实现12个孔的冲孔加工；之后，控制器驱动电动旋转反射镜7M2旋转过一定角度，此时激光束5可到达电动旋转反射镜7M3，经过M3反射，激光束5进入3号振镜12，3号振镜12依次将激光束5旋转并摆向反射镜7阵列M24—M35，实现12个孔的冲孔加工；最后，控制器驱动电动旋转反射镜7M3旋转过一定角度，此时激光束5到达固定反射镜7M4，经过M4反射，激光束5进入4号振镜12，4号振镜12依次将激光束5旋转并摆向反射镜7阵列M36—M46，实现11个孔的冲孔加工，至此一排46个孔冲孔完毕。一排孔加工完成后，薄膜向前进给25mm，薄膜进给的同时，电动旋转反射镜7M1、M2、M3复位到工作位置，准备下一排孔的加工。固定式阵列旋切冲孔模式使孔之间的切换时间从50ms缩减到10ms以下，显著地提高了激光制孔的效率。

附图说明

图1 飞秒激光冷加工示意图。

图2 激光多脉冲冲孔示意图。

图3 旋切冲孔原理示意图。

图4 运动旋切式冲孔原理示意图。

图5 振镜12冲孔原理示意图。

图6 固定式阵列旋切冲孔原理示意图。

图7 固定式阵列旋切冲孔模式加工一个孔示意图。

附图8 薄膜定位方法示意图。

基体材料1，喷射颗粒2，紫外光束3，激光器4，激光束5，扩束镜6，反射镜7，聚焦镜8，热控薄膜9，激光脉冲10，基板11，振镜12，碎料13，平场聚焦透镜14，反射镜7阵列M01、M02、M03….M44、M45、M46，聚焦镜8阵列FL01、FL02、FL03….FL44、FL45、FL46，激光定位传感器发射端15，激光定位传感器接收端16，冲孔位置17。

具体实施方式

采用超快紫外激光进行聚酰亚胺材料微群孔加工，波长为355nm的紫外激光，单光子能量3.47ev，高于聚酰亚胺材料中C-C键和C-N键的键能，当紫外激光照射到聚酰亚胺材料表面时，可以直接将C-C键和C-N键打断，这种加工方式大部分的激光能量用于“光化学作用”。如附图1。

采用对射式激光定位传感器实现薄膜定位，传感器有发射端和接收端，发射端发出的平行光束正对接收端的接收窗口，当冲孔加工时，没有孔的薄膜将光束遮挡，接收端没有接收，不输出信号，而当小孔的边缘到达时，光束透过小孔照射到接收端，接收端接收并输出信号给控制单元，控制薄膜定位。由于薄膜本身没有孔，所以需要首先冲出一排孔作为基准。如附图2。

另外设有落料检测装置用于检测是够打穿孔，这是因为激光群孔制造常见的质量问题表现为孔没有切透，或有部分粘连。对于这种问题的判断，可依据切透的孔心会掉落碎屑而未透孔不会掉落这种碎屑作为判断条件，通过检测冲孔时产生的废料掉落情况来判定孔是否切透。

实施例1：

实施例1使用运动旋切式冲孔模式，运动旋切冲孔模式的工作原理如图4所示，聚焦镜8和反射镜7模块在直线电机驱动下可沿薄膜宽幅方向往复平移运动，当定位在薄膜边缘第一个孔位后，开启激光，激光束5经由振镜12形成扫描光束，经过反射镜7到达聚焦镜8，由聚焦镜8聚焦后作用到薄膜实现旋切冲孔。当冲完一个孔后，聚焦镜8和反射镜7模块同时运动到下一个孔的位置，依次完成一排孔的加工。该模式下只有反射镜7和聚焦镜8模块在直线电机上运动，振镜12则固定在一侧不动，由于反射镜7和聚焦镜8模块牢固固定，可实现高速的运动。缺点是由于振镜12与聚焦镜8和反射镜7模块之间距离会比较大，根据扫描旋切的原理，距离越大所需要的反射镜7和聚焦镜8模块的尺寸越大，使得工程实施难度加大。

实施例2：

实施例2采用振镜12冲孔模式，振镜12冲孔模式与运动旋切式冲孔模式相似，都是由直线电机驱动聚焦模块运动，不同的是振镜12冲孔模式下，振镜12与场镜（平场聚焦透镜14）直接相连并同步运动，如图5所示。振镜12冲孔模式可以加工各种形状的孔，并且可以用于表面标刻，但是，由于振镜12内部有高速摆动的电机，工作时，振镜12在直线电机上的平移速度不宜太高，限制了加工效率。

实施例3：

实施例3采用固定式阵列旋切冲孔模式，固定式阵列旋切冲孔模式是本发明的关键技术。本项目中激光加工设备在制作阵列孔时，在同一激光光束旋切速度下，影响冲孔效率有两个主要因素：激光输出能量和机械传动时间。其中，激光能量决定了单孔加工的时间，而机械传动影响平均加工时间。本设备中所选用的激光器4在膜厚25um上冲出直径1.5mm的单孔用时约50ms，而如果采用直线电机等机构将激光束5从一个孔位移动到下一个孔位所耗费的时间接近甚至超过了50ms，所以，移动制孔的效率受到了一定的限制。通过反复的实验论证，采用固定式阵列旋切冲孔模式可以有效发挥激光器4的性能，减少了运动旋切加工头在孔之间移动的时间，显著地提升了冲孔加工效率。固定式阵列旋切冲孔模式工作原理如图6所示。如图6所示，固定式阵列旋切冲孔模式有46个阵列单元，其中每个阵列单元对应一个冲孔位置。通过四套振镜12覆盖1.2m幅宽的扫描范围，每个振镜12扫描幅宽300mm， 1号和4号振镜12各覆盖11个阵列冲孔单元，；2号和3号振镜12各覆盖12个阵列冲孔单元，电动旋转反射镜7M1、M2、M3和固定反射镜7M4分别将激光束5反射进1号、2号、3号和4号振镜12。

工作过程：激光束5经过电动旋转反射镜7M1反射进入1号振镜12，振镜12将光束旋转并摆向M01反射镜7，反射后通过FL01聚焦镜8聚焦在薄膜面上，实现第一个孔的旋切冲孔加工，如图7所示。然后，1号振镜12将激光束5摆向M02反射镜7并将光束按照规定半径进行旋转，通过FL02聚焦镜8聚焦在薄膜面上，实现旋切冲孔加工，依次下去，实现11个孔的加工；当加工完第11个孔后，控制器驱动电动旋转反射镜7M1旋转过一定角度，此时激光束5到达电动旋转反射镜7M2，经过M2反射，激光束5进入2号振镜12，2号振镜12依次将激光束5旋转并摆向反射镜7阵列M12—M23，实现12个孔的冲孔加工；之后，控制器驱动电动旋转反射镜7M2旋转过一定角度，此时激光束5可到达电动旋转反射镜7M3，经过M3反射，激光束5进入3号振镜12，3号振镜12依次将激光束5旋转并摆向反射镜7阵列M24—M35，实现12个孔的冲孔加工；最后，控制器驱动电动旋转反射镜7M3旋转过一定角度，此时激光束5到达固定反射镜7M4，经过M4反射，激光束5进入4号振镜12，4号振镜12依次将激光束5旋转并摆向反射镜7阵列M36—M46，实现11个孔的冲孔加工，至此一排46个孔冲孔完毕。一排孔加工完成后，薄膜向前进给25mm，薄膜进给的同时，电动旋转反射镜7M1、M2、M3复位到工作位置，准备下一排孔的加工。固定式阵列旋切冲孔模式使孔之间的切换时间从50ms缩减到10ms以下，显著地提高了激光制孔的效率。

对于本领域技术人员，上述实施例仅为本发明的优选实施例，不能理解为对本发明的专利范围的限制，在不脱离本发明的构思的前提下，做出的若干改进、替代都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种飞秒激光薄膜微群孔运动旋切式制造方法，用于加工环地球卫星轨道有效载荷装置的热控薄膜，其包括以下步骤：

提供一对射式激光定位传感器，所述传感器具有发射端与接收端，所述发射端与接收端位于所述热控薄膜原子层异位空间且相对冲孔位置沿薄膜传递方向的下游；

在热控薄膜上冲击出一排基准孔；

以上述基准孔为引导孔，通过上述传感器输出的信号传递给控制单元控制薄膜打孔位置；

聚焦镜和反射镜在直线电机驱动下沿所述热控薄膜宽幅方向往复平移运动，当定位于热控薄膜边缘第一孔位后，飞秒激光开启，激光束经由振镜形成扫描光束；

所述扫描光束经过所述反射镜到达所述聚焦镜，经聚焦镜聚焦后照射至所述热控薄膜，由上述振镜旋转作用形成所述激光束旋切冲孔；

超快激光单光子照射至所述热控薄膜表面后，直接将碳碳键和碳氮键通过光化学作用分解。

2.根据权利要求1所述的飞秒激光薄膜微群孔运动旋切式制造方法，冲孔完成一个孔后，所述聚焦镜和反射镜同时运动到下一个孔的位置，依次完成一排孔的冲孔。

3.根据权利要求1所述的飞秒激光薄膜微群孔运动旋切式制造方法， 冲孔过程中，所述聚焦镜和反射镜在直线电机上运动，所述振镜固定在一侧。

4.一种飞秒激光薄膜微群孔振镜群孔制造方法，用于加工环地球轨道有效载荷装置的热控薄膜，包括以下步骤：

提供一对射式激光定位传感器，所述传感器具有发射端与接收端，所述发射端与接收端位于所述热控薄膜原子层异位空间且相对冲孔位置沿薄膜传递方向的下游；

在热控薄膜上冲击出一排基准孔；

以上述基准孔为引导孔，通过上述传感器输出的信号传递给控制单元控制薄膜打孔位置；

聚焦镜和振镜在直线电机驱动下沿所述热控薄膜宽幅方向往复平移运动，当定位于热控薄膜边缘第一孔位后，飞秒激光开启，激光束经由振镜形成扫描光束，振镜与平场聚焦透镜直接相连且同步运动；

所述扫描光束经过所述反射镜到达所述振镜，经振镜照射至所述平场聚焦透镜后照射至所述热控薄膜，由上述振镜旋转作用形成所述激光束旋切冲孔，超快激光单光子照射至所述热控薄膜表面后，直接将碳碳键和碳氮键通过光化学作用分解。

5.根据权利要求4所述的飞秒激光薄膜微群孔振镜群孔制造方法，冲孔完成一个孔后，所述聚焦镜和振镜同时运动到下一个孔的位置，依次完成一排孔的冲孔。

6.根据权利要求4所述的飞秒激光薄膜微群孔振镜群孔制造方法， 冲孔过程中，所述聚焦镜和振镜在直线电机上运动，所述反射镜固定在一侧。

7.一种飞秒激光薄膜微群孔固定式阵列旋切式群孔制造方法，用于加工环地球轨道有效载荷装置的热控薄膜，包括以下步骤：

提供至少一对射式激光定位传感器，所述传感器具有发射端与接收端，所述发射端与接收端位于所述热控薄膜原子层异位空间且相对冲孔位置沿薄膜传递方向的下游；

在热控薄膜上冲击出一排基准孔；

以上述基准孔为引导孔，通过上述传感器输出的信号传递给控制单元控制薄膜打孔位置；

聚焦镜、反射镜及振镜成阵列式均匀固定于热控薄膜一侧，当定位于热控薄膜边缘第一孔位后，飞秒激光开启，激光束经由振镜形成扫描光束；

所述扫描光束经过所述反射镜到达所述振镜，经振镜照射至所述平场聚焦透镜后照射至所述热控薄膜，由上述振镜旋转作用形成所述激光束旋切冲孔，超快激光单光子照射至所述热控薄膜表面后，直接将碳碳键和碳氮键通过光化学作用分解。

8.根据权利要求7所述的飞秒激光薄膜微群孔固定式阵列旋切式群孔制造方法，上述聚焦镜、反射镜和振镜至少四组，各组对应一扫描幅面，所述扫描幅面拼接可覆盖全部阵列单元的振镜，将激光光束旋转且摆向单个阵列单元，实现单孔制造，通过上述振镜的偏转实现单个振镜所述扫描幅面内的多孔制造，利用电动反射镜切换实现振镜分时控制，对薄膜宽幅方向上的群孔制造，完成一排群孔制造后，所述反射镜和振镜复位，所述热控薄膜由电机牵引移动，进行下一列群孔制造。

9.一种群孔超快激光制造方法，包括以下步骤：

a）通过薄膜传输系统对薄膜进行上下卷、纠偏和张力控制，使薄膜进入加工区域；

b）根据不同群孔的加工要求选择群孔制造的工作模式；

c）当选择运动旋切式群孔制造模式时，固定式阵列旋切加工头收起，振镜群孔加工头固定在初始位置，光路切换至运动旋切式光路，在直线电机驱动下运动旋切式加工头到达加工位置，由振镜旋转光束实现单孔制造，通过直线电机带动运动旋切式加工头实现薄膜宽幅内群孔制造，其中，

当选择振镜群孔制造模式时，固定式阵列旋切加工头收起，运动旋切式群孔加工头固定在初始位置，光路切换至振镜群孔制造光路，在直线电机驱动下振镜群孔加工头到达加工位置，实现异形孔的制造，过直线电机带动振镜群孔加工头实现薄膜宽幅内群孔制造，其中，

当选择固定式阵列旋切群孔制造模式时，振镜群孔加工头和运动旋切式群孔加工头固定在初始位置，光路切换至固定式阵列旋切群孔制造光路，通过振镜分时控制实现薄膜宽幅内群孔制造；

d）群孔制造过程中，通过落料检测判断群孔制造是否完成，若完成制造则进入下一步骤，否则报告制造失败；

e）薄膜传输系统移动薄膜到下一加工区域，并采用定位传感器实现薄膜精确定位；

f）采用步骤c中的方法进行群孔制造；

g）重复步骤c、d、e、f，直至整块薄膜上微孔完成加工。