CN109946830A - 一种激光偏摆装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光偏摆装置，包括用于支撑反射镜底座的柔性放大机构以及装设在所述柔性放大机构中的压电驱动器，所述柔性放大机构横向两端设有竖向延伸、用于输入所述压电驱动器横向位移的竖向连接块，所述柔性放大机构竖向两侧设有横向延伸、用于输出竖向位移的横向连接块，所述横向连接块上设有用以实现输入的横向位移转化为输出的竖向位移的柔性铰接，三个所述柔性放大机构呈正三角型分布，所述柔性放大机构上设有用以实现减振的柔性减振机构。上述激光偏摆装置通过三组柔性放大机构和压电驱动器实现偏摆，通过柔性减振机构实现减振，成本低且易于控制，提高了三维纳米直写的加工精度。

Description

一种激光偏摆装置

技术领域

本发明涉三维纳米直写技术领域，特别涉及一种激光偏摆装置。

背景技术

随着纳米科技的飞速发展，微/光电子器件微纳结构朝着立体化、微小化、轻薄化的方向发展。双光子聚合三维纳米直写技术基于双光子聚合原理，把高能激光在光刻胶内高度聚合为一点，以实现在纳米精度上的、自由设计的形状和结构。

三维纳米直写高能激光在光刻胶内高度聚合，光敏剂吸收光子后发生聚合导致液态树脂固化，只要使焦点在立体光刻胶里进行纳米级精度的三维移动，就能把任意设计的形状和结构在纳米尺寸上进行实现。这项技术的难点在于，如何控制激光的焦点大小和激光偏摆下克服惯性振动，实现纳秒时间和纳米空间上的精准控制。传统激光直写加工的激光聚焦发生在激光偏摆前，激光偏摆时的微小振动将会使光路的路程发生微小的变化导致激光的焦点发生微小的扩散，从而影响材料加工的精度，目前尚未发现带减振的激光反射偏摆装置相似的专利。此外，传统偏摆装置普遍用多个如六个压电驱动器来达到高精度多维偏转，成本高且不易控制，因此，如何能够提供一种具有减振功能且易于控制以提高三维纳米直写的加工精度的激光偏摆装置是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光偏摆装置，通过三个柔性放大机构和三个压电驱动器的共同作用以实现半球范围内的微角度偏转和竖直方向上的伸缩也即偏摆，通过柔性减振机构实现减振，成本低且易于控制，提高了三维纳米直写的加工精度。

为实现上述目的，本发明提供一种激光偏摆装置，包括用于支撑反射镜底座的柔性放大机构以及装设在所述柔性放大机构中的压电驱动器，所述柔性放大机构横向两端设有竖向延伸、用于输入所述压电驱动器横向位移的竖向连接块，所述柔性放大机构竖向两侧设有横向延伸、用于输出竖向位移的横向连接块，所述横向连接块上设有用以实现输入的横向位移转化为输出的竖向位移的柔性铰接，三个所述柔性放大机构呈正三角型分布，所述柔性放大机构上设有用以实现减振的柔性减振机构。

优选地，所述柔性放大机构包括位于横向两端的第一竖向连接块和第二竖向连接块，还包括位于竖向上侧且依次连接的第一横向连接块、第二横向连接块和第三横向连接块，所述第一横向连接块和所述第一竖向连接块之间设有第一柔性铰接，所述第三横向连接块和所述第二竖向连接块之间设有第二柔性铰接。

优选地，所述柔性减振机构设在所述第二横向连接块上。

优选地，所述柔性减振机构上侧设有用于直接支撑反射镜底座的连接片。

优选地，所述柔性减振机构包括用于连接所述连接片的第一减振本体和用于连接所述第二横向连接块的第二减振本体，所述第一减振本体与所述第二减振本体的两端通过柔性铰接相连。

优选地，所述第二横向连接块与所述第一横向连接块之间设有第二柔性铰接，所述第二横向连接块与所述第三横向连接块之间设有第三柔性铰接。

优选地，还包括呈正三角型分布的固定架，三个所述柔性放大机构分别固定在所述固定架的三个固定面上。

优选地，所述柔性放大机构设有向下延伸的固定段，所述固定段通过柔性放大机构固定螺栓固定在所述固定架上。

优选地，还包括设有开口腔的连体外壳，所述柔性放大机构固定在所述连体外壳中。

优选地，所述固定架底侧设有底座螺栓，所述底座螺栓穿设所述连体外壳的底面以实现所述柔性放大机构的固定。

相对于上述背景技术，本发明所提供的激光偏摆装置包括用以支撑反射镜底座的柔性放大机构，三个柔性放大机构在反射镜底座下呈正三角形分布，在柔性放大机构中装设有压电驱动器，柔性放大机构上设有用以实现减振的柔性减振机构，柔性放大机构的横向两端设有竖向延伸的竖向连接块，柔性放大机构的竖向两侧设有横向延伸的横向连接块，横向连接块上设有用以实现将输入的横向位移转化为输出的竖向位移的柔性铰接，该激光偏摆装置的三个柔性放大机构呈正三角型分布并共同支撑反射镜底座，柔性放大机构中的竖向连接块、横向连接块以及柔性铰接构成桥式放大机构，压电驱动器伸缩，压电驱动器的横向位移输入柔性放大机构的竖向连接块，进一步通过柔性铰接也即桥式放大机构的三角放大原理将输入至竖向连接块的横向位移转化为由横向连接块输出的竖向位移，在三个柔性放大机构和三个压电驱动器的共同作用下，对反射镜底座提供三个竖直方向上不同大小的位移以实现半球范围内的微角度偏转和竖直方向上的伸缩也即偏摆，同时通过柔性放大机构上的柔性减振机构实现减振。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的激光偏摆装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的激光偏摆装置的安装示意图；

图3为本发明实施例提供的柔性放大机构的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的激光偏摆装置的减振效果图。

其中：

1-柔性放大机构、2-压电驱动器、3-固定架、4-底座螺栓、5-柔性放大机构固定螺栓、6-连接片、7-连体外壳、8-反射镜底座、11-第一竖向连接块、12-第一柔性铰接、13-第一横向连接块、14-第二柔性铰接、15-第二横向连接块、16-第三柔性铰接、17-第三横向连接块、18-第四柔性铰接、19-第二竖向连接块、20-柔性减振机构、91-减振后效果、92-减振前效果。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1至图4，其中，图1为本发明实施例提供的激光偏摆装置的结构示意图，图2为本发明实施例提供的激光偏摆装置的安装示意图，图3为本发明实施例提供的柔性放大机构的结构示意图，图4为本发明实施例提供的激光偏摆装置的减振效果图。

在第一种具体的实施方式中，本发明提供的激光偏摆装置包括柔性放大机构1和柔性减振机构20，柔性减振机构20设置在柔性放大机构1上，柔性放大机构1对柔性减振机构20上的反射镜底座8予以支撑。柔性放大机构1中设有压电驱动器2，柔性放大机构1的横向两端设有竖向延伸的竖向连接块，通过竖向连接块以实现压电驱动器2的横向位移的输入，柔性放大机构1的竖向两侧设有横向延伸的横向连接块，横向连接块与竖向连接块相连，在靠近竖向连接块的横向连接块上设有用以实现竖向连接块上输入的横向位移转化为横向连接块上输出的竖向位移的柔性铰接，并最终通过横向连接块以实现竖向位移的输出，柔性减振机构20设置在柔性放大机构1与反射镜底座8之间以实现减振的作用。

需要说明的是，柔性放大机构1在反射镜底座8下方设置有三个并呈三角形分布的柔性放大机构1，同样的，每个柔性放大机构1上均设有一个柔性减振机构20，每个柔性放大机构1中均设有一个压电驱动器2，通过三组呈三角形分布的柔性放大机构1、柔性减振机构20以及压电驱动器2的共同作用以实现三个不同方向上竖向位移的输出，进一步的通过三个不同方向上输出的竖向位移以实现反射镜底座8的偏摆也即在半球范围内的微角度偏转和竖直方向上的伸缩，在此基础上通过柔性放大机构1上侧的柔性减振机构20以实现对反射镜底座8的减振作用。相较于传统偏摆装置普遍用多个如六个压电驱动器2来达到高精度多维偏转，本发明提供的激光偏摆装置通过三个压电驱动器2便能实现微角度半球面的偏转以及Z轴方向上的伸缩。

相较于传统光刻机的减振方式，因为激光偏摆时的微小振动对光路的路程发生微小的变化从而导致激光的焦点发生微小的扩散，因此需要对光刻机进行减振处理，通常光刻机的减振装置一般安装在机体的底下以减小平台受到外部干扰时产生的振动，但不能消除平台上方偏摆装置工作时的振动，本发明的激光偏摆装置通过设计用于支撑反射镜底座8的柔性放大机构1以及设置在柔性放大机构1上的柔性减振机构20，从机构上面主动降低振动幅度，配合控制算法达到振动消除的目的，并通过该带减振功能的激光偏摆装置以提高三维纳米直写的加工精度。

在本实施例中，柔性放大机构1的横向两端设有两个等长且平行的竖向连接块，柔性放大机构1的上下两侧设有两个等长且平行的横向连接块，竖向连接块与横向连接块依次相连。更具体的，竖向连接块包括位于横向两端的第一竖向连接块11和第二竖向连接块19，柔性放大机构1竖向上侧的横向连接块包括第一横向连接块13、第二横向连接块15和第三横向连接块17，第一横向连接块13和第一竖向连接块11之间设有第一柔性铰接12，第三横向连接块17和第二竖向连接块19之间设有第四柔性铰接18。

除此以外，第一横向连接块13和第二横向连接块15之间设有第二柔性铰接14，第二横向连接块15和第三横向连接块17之间设有第三柔性铰接16，通过位于柔性放大机构1竖向上侧的横向连接块中间的第二横向连接块15向外输出竖向位移。在本实施例中，第一竖向连接块11、第一横向连接块13、第二横向连接块15、第三横向连接块17、第二竖向连接块19均为刚体，该柔性放大机构1为桥式放大机构，利用微位移放大机构中的三角型放大原理，当压电驱动器2在横向输入位移时，第一竖向连接块11和第二竖向连接块19在横向输入位移的作用下均沿输入位移的方向运动也即第一竖向连接块11与第二竖向连接块19相互远离的方向运动，此时第一柔性铰链12和第四柔性铰链18转动并带动第一横向连接块13和第三横向连接块17向下运动，向下运动的第一横向连接块13带动第二柔性铰接14转动，向下运动的第三横向连接块17带动第三柔性铰接16转动，在第二柔性铰接14和第三柔性铰接16的转动作用下第二横向连接块15向下运动，此时第二横向连接块15对外输出向下的竖向位移，在三组柔性放大机构1的作用下向外输出三个方向的竖向位移以实现半球范围内的微角度偏转和竖直方向上的伸缩也即偏摆。

为了更好的技术效果，柔性减振机构20设置在第二横向连接块15上，在柔性减振机构20上侧还设有直接支撑反射镜底座8的连接片6。在本实施例中，压电驱动器2对柔性放大机构1输出横向位移并通过柔性放大机构1的桥式放大机构的三角型放大原理，以实现第二横向连接块15带动柔性减振机构20进而带动反射镜底座8偏转。更具体的，压电驱动器2具体为压电陶瓷，压电陶瓷受外加电压的激发产生位移，当激励电压消失时，压电陶瓷的作用力消失，柔性铰接迅速回弹。

除此以外，柔性减振机构20包括用于与连接片6连接的第一减振本体和用于连接第二横向连接块15的第二减振本体，第一减振本体的两端和第二减振本体的两端通过柔性铰接相连。柔性减振机构20因其特殊的铰链位置、尺寸大小设计，具有高的固有频率，在400Hz以下的工作频率范围内具有良好的减振效果。

在本实施例中，还包括呈正三角形分布的固定架3，固定架3包括三个用于固定柔性放大机构1的固定面，三个柔性放大机构1分别固定在固定架3的三个固定面上。除此以外，柔性放大机构1设有向下延伸的固定段，固定段通过柔性放大机构固定螺栓5固定在固定架3上，也即固定段与固定架3的固定面上设有可供柔性放大机构固定螺栓5穿过的螺孔，通过柔性放大机构固定螺栓5以实现三个固定面上的柔性放大机构1的固定安装。

为了更好的技术效果，还包括设有开口腔的连体外壳7，柔性放大机构1固定在连体外壳7中，为了实现柔性放大机构1在连体外壳7中的固定，在固定架3的底侧设有底座螺栓4，底座螺栓4穿设连体外壳7的底面以实现柔性放大机构1的固定。通过连体外壳7以实现对各部件的罩盖保护。

请参考图4，图4为本发明实施例提供的激光偏摆装置的减振效果图。减振前效果92和减振后效果91为本发明提供的激光偏摆装置在谐响应分析下减振前后的振幅对比，由图得该激光偏摆装置的机构减振效果达到35％。该激光偏摆装置相比于其他偏摆装置，位移放大比例大，偏摆范围大，通过柔性减振机构20使得该激光偏摆装置具有减振作用，除此以外，该激光偏摆装置在能够实现半球面偏摆和Z轴的伸缩的基础上，需要的压电陶瓷数目少，降低了成本。

需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另外几个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上对本发明所提供的激光偏摆装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种激光偏摆装置，其特征在于，包括用于支撑反射镜底座(8)的柔性放大机构(1)以及装设在所述柔性放大机构(1)中的压电驱动器(2)，所述柔性放大机构(1)横向两端设有竖向延伸、用于输入所述压电驱动器(2)横向位移的竖向连接块，所述柔性放大机构(1)竖向两侧设有横向延伸、用于输出竖向位移的横向连接块，所述横向连接块上设有用以实现输入的横向位移转化为输出的竖向位移的柔性铰接，三个所述柔性放大机构(1)呈正三角型分布，所述柔性放大机构(1)上设有用以实现减振的柔性减振机构(20)。

2.根据权利要求1所述的激光偏摆装置，其特征在于，所述柔性放大机构(1)包括位于横向两端的第一竖向连接块(11)和第二竖向连接块(19)，还包括位于竖向上侧且依次连接的第一横向连接块(13)、第二横向连接块(15)和第三横向连接块(17)，所述第一横向连接块(13)和所述第一竖向连接块(11)之间设有第一柔性铰接(12)，所述第三横向连接块(17)和所述第二竖向连接块(19)之间设有第四柔性铰接(18)。

3.根据权利要求2所述的激光偏摆装置，其特征在于，所述柔性减振机构(20)设在所述第二横向连接块(15)上。

4.根据权利要求3所述的激光偏摆装置，其特征在于，所述柔性减振机构(20)上侧设有用于直接支撑反射镜底座(8)的连接片(6)。

5.根据权利要求3所述的激光偏摆装置，其特征在于，所述柔性减振机构(20)包括用于连接所述连接片(6)的第一减振本体和用于连接所述第二横向连接块(15)的第二减振本体，所述第一减振本体与所述第二减振本体的两端通过柔性铰接相连。

6.根据权利要求3所述的激光偏摆装置，其特征在于，所述第二横向连接块(15)与所述第一横向连接块(13)之间设有第二柔性铰接(14)，所述第二横向连接块(15)与所述第三横向连接块(17)之间设有第三柔性铰接(16)。

7.根据权利要求1至6任一项所述的激光偏摆装置，其特征在于，还包括呈正三角型分布的固定架(3)，三个所述柔性放大机构(1)分别固定在所述固定架(3)的三个固定面上。

8.根据权利要求7所述的激光偏摆装置，其特征在于，所述柔性放大机构(1)设有向下延伸的固定段，所述固定段通过柔性放大机构固定螺栓(5)固定在所述固定架(3)上。

9.根据权利要求7所述的激光偏摆装置，其特征在于，还包括设有开口腔的连体外壳(7)，所述柔性放大机构(1)固定在所述连体外壳(7)中。

10.根据权利要求9所述的激光偏摆装置，其特征在于，所述固定架(3)底侧设有底座螺栓(4)，所述底座螺栓(4)穿设所述连体外壳(7)的底面以实现所述柔性放大机构(1)的固定。