CN110133819A - 一种低面型畸变的振镜反射镜及其粘接固定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种低面型畸变的振镜反射镜及其粘接固定方法，所述振镜反射镜包括反射镜座和反射镜片，所述反射镜片的双侧平面平行，所述反射镜片的平面度为不小于λ/8@633nm；所述反射镜座设有反射镜座粘接槽，所述反射镜座粘接槽的宽度W大于反射镜片的厚度B，所述反射镜片通过胶粘剂固定在反射镜座粘接槽中，所述反射镜片与反射镜座粘接槽的前后槽壁之间设有胶粘剂层和固定件。采用本发明的技术方案，兼顾了振镜反射镜的粘接强度与面型畸变控制，能够获得极佳平面度的振镜反射镜。另外，该粘接固定方法简单可靠，更好的控制了批量粘接平面度。

Description

一种低面型畸变的振镜反射镜及其粘接固定方法

技术领域

本发明属于振镜制造技术领域，尤其涉及一种低面型畸变的振镜反射镜及其粘接固定方法。

背景技术

紫外激光波长短，根据光的衍射原理，波长越短单光子能量越高，聚焦点直径越小，与加工物质的相互作用效率高，热效应更小。因此紫外激光加工在先进制造领域中的应用越来越广泛，如晶圆、聚合物薄膜、金属的精细刻蚀、切割，3D打印中的光固化成型技术SLA等。

振镜是性能优秀的激光扫描器件，具有高精度、高速度、低惯量等优点，可以实现各种精细微小图形的扫描，是现今激光精密加工领域中主流的加工实现方式。紫外激光精细加工对聚焦光束的质量有很高的要求，聚焦光束通常在5～25μm之间，要求焦点及正负瑞利距离内的光斑圆度优于85％，不可有明显的离焦、球差、慧差、像散等像差，即通过泽尼克(Zernike)多项式描述的光学加工系统的波前畸变，多项式的第1至第8项应得到良好的优化。振镜反射镜用来将入射激光反射到指定位置，反射镜的平面度对像散即泽尼克多项式第3,5项有重大影响。经过翘曲的反射镜的光束，其聚焦点的圆度在轻微离焦后会显著下降，甚至在焦点处即显示出“十字”形态，导致不同扫描方向的加工线宽差异明显，线宽度差异甚至可能达到50％，严重影响加工效果。根据工程经验，平面度PV值约在工作波长的四分之一至三分之一时方可忽略像散影响。因此对于紫外激光的355nm波长，需要振镜反射镜平面度PV值不超过133nm。

使用其它波长如532nm和1064nm激光进行加工时，虽然聚焦光束的波前畸变允许范围较为宽松，但在某些特殊应用如钢件深熔焊中，对瑞利距离内聚焦质量要求也非常高，因此对反射镜的平面度PV值也有相当严格的要求。

振镜反射镜的规格通常依照ISO10110标准中第14章波前畸变(wavefrontdeformation)的规定进行规格定标。反射镜平面度λ/4@633nm是满足普通应用，容易批量生产并且价格合理的指标。但其换算PV值为158nm，已经超过了上述可忽略像散的133nm PV值，不能满足像散控制的要求。

另外，振镜反射镜由于需要高速高频摆动，因此难以使用机械方式固定，粘接固定更加适合。现有技术的具体做法通常使用单组份或双组份工业胶粘剂，将反射镜通过治具固定并粘接到镜座上，再将镜座通过粘接或机械方式固定于电机转轴上。放置8-12小时后待胶粘剂固化即可使用。虽然振镜反射镜座的设计结构各有不同，但都与电机转轴构成同轴系统；相对反射镜成中心对称或非中心对称结构。由于反射镜需要放入镜座，因此镜座粘接槽宽度必然是正公差，可能导致反射镜在槽内产生偏移，使反射镜前后侧距离槽内壁间隙不同，影响粘接质量。

而且，由于振镜工作时反射镜的摆动速度和频率非常高，因此需要足够的粘接强度以保证其刚性，防止其产生径向和轴向振动。但粘接强度提高往往带来胶层应力的增大，使反射镜平面度严重劣化，导致反射光像散，使聚焦光束圆度下降。例如普通粘接操作通常会使反射镜平面度变化量超过300nm，即粘接导致的平面度劣化达到λ/2@633nm。

除此之外，普通粘接工艺所使用的胶粘剂在固化过程中可能挥发释放一些化学物质，即“放气-Outgasing”，附着在反射镜上后，会降低膜层的反射率，缩短膜层使用寿命，使膜层激光损伤阈值低于设计值。

发明内容

针对以上技术问题，本发明公开了一种低面型畸变的振镜反射镜及其粘接固定方法，兼顾了振镜反射镜的粘接强度与面型畸变控制，能够获得极佳平面度的振镜反射镜。

对此，本发明采用的技术方案为：

一种低面型畸变的振镜反射镜，所述振镜反射镜包括反射镜座和反射镜片，所述反射镜片的双侧平面平行，所述反射镜片的平面度为不小于λ/8@633nm；

所述反射镜座设有反射镜座粘接槽，所述反射镜座粘接槽的宽度W大于反射镜片的厚度B，所述反射镜片通过胶粘剂固定在反射镜座粘接槽中，所述反射镜片与反射镜座粘接槽的前后槽壁之间设有胶粘剂层和固定件。

采用此技术方案，振镜反射镜为双侧平行平面设计，方便反射镜制造商通过应力补偿镀膜工艺控制其平面度。平面度设计指标为λ/8@633nm，比常见高精度规格λ/4@633nm高2倍。

作为本发明的进一步改进，所述反射镜片包括X反射镜片和Y反射镜片，所述X反射镜片的径厚比为12，Y反射镜片的径厚比为16，以提高动态性能。其中径长指镜片的最长边。

作为本发明的进一步改进，所述反射镜片与反射镜座粘接槽的前后槽壁的距离相等，这样前后胶池中粘接剂体积相同。

进一步的，反射镜座设计为对称凹槽结构。

作为本发明的进一步改进，所述反射镜座粘接槽的宽度W比反射镜片的厚度B大0.06～0.1mm。

作为本发明的进一步改进，所述反射镜座粘接槽的宽度W比反射镜片的厚度B大0.06mm。

本发明还公开了一种低面型畸变的振镜反射镜的粘接固定方法，其包括以下步骤：

先在反射镜座粘接槽中注入胶粘剂，所述胶粘剂的注入体积为反射镜座粘接槽体积的1/2～2/3；

将反射镜镜片放入反射镜座粘接槽中，并采用外径为(W-B)/2的鱼线或玻璃微珠、或厚度为(W-B)/2的固定片放置于反射镜片与反射镜座粘接槽的前后槽壁之间；以保证镜片与前后槽壁距离相等，前后胶池中粘接剂体积相同。

将整套器件放置于烘箱内进行固化，然后进行退火处理。

进一步的，使用带刻度的注射器将混合搅拌完成的胶粘剂注入反射镜座凹槽，注入量为反射镜座粘接槽容积的1/2～2/3，换算而成的注射器刻度值进行注射。

作为本发明的进一步改进，所述胶粘剂为双组份环氧树脂，其包括A组分环氧树脂和固化剂脂肪胺，所述A组分和固化剂的配比为1:0.8～1.2。进一步优选的，所述A组分和固化剂的配比为1：1。使用时不需辅助溶剂，常温操作，低放气。采用双组份环氧树脂，固化后具有理想的粘接强度和剪切强度，能满足振镜高速运动的工作条件。

进一步的，A组分环氧树脂为二酚基丙烷型环氧树脂，也可使用缩水甘油酯类环氧树脂固化剂为改性脂肪胺。

作为本发明的进一步改进，所述固化的条件为升温到35℃，保温3～5小时，然后升温到50℃，保温3～5小时；所述退火的条件为先降温到35℃，保温0.5～12小时，然后降到常温。

作为本发明的进一步改进，所述固化的条件为先在2小时内升高至35℃；35℃保持4小时；然后在2小时内由35℃升高至50℃；50℃保持4小时；2小时内降温至35℃；35℃保持1小时；2小时内降至25℃。温度逐渐升高并保持的固化工序能够促进环氧树脂中环氧基等与固化剂中的胺发生充分的大面积交联，形成三维网状结构，显著提升粘接强度，使反射镜获得良好的动态性能；之后逐渐降温的退火工序能够使胶层应力释放，令胶层张力对镜片反射面的影响最小化，使反射镜获得良好的平面度。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

采用本发明的技术方案，兼顾了振镜反射镜的粘接强度与面型畸变控制，能够获得极佳平面度的振镜反射镜。另外，该粘接固定方法的大部分耗费时间不需人工操作，在两个工作日中可完成一个批次反射镜的粘接固化，可以实现批量生产，更好的控制了批量粘接平面度。该方法不仅适用于高光束质量要求的紫外激光应用，也适用特殊要求的绿光应用或高功率红外激光应用，涵盖所有常见工业激光加工应用波长。

附图说明

图1是本发明一种低面型畸变的振镜反射镜的结构示意图。

图2是本发明一种低面型畸变的振镜反射镜的截面结构示意图。

图3是图2中A部分的放大图。

图4是本发明一种低面型畸变的振镜反射镜的固化工艺曲线图。

图5是本发明实施例的粘接前的典型干涉图。

图6是本发明实施例的粘接后的典型干涉图。

附图标记包括：1-反射镜座，2-X反射镜片，3-Y反射镜片，4-反射镜座粘接槽，5-胶粘剂，6-鱼线，7-反射镜片。

具体实施方式

下面对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。

如图1～图3所示，一种低面型畸变的振镜反射镜，所述振镜反射镜包括反射镜座1和反射镜片7，所述反射镜片7的双侧平面平行，所述反射镜片7的平面度为λ/8@633nm；所述反射镜座1设有反射镜座粘接槽4，所述反射镜座粘接槽4的宽度W大于反射镜片7的厚度B，所述反射镜片7通过胶粘剂5固定在反射镜座粘接槽4中，所述反射镜片7与反射镜座粘接槽4的前后槽壁之间设有胶粘剂5层和鱼线6。所述反射镜片7与反射镜座粘接槽4的前后槽壁的距离相等，这样前后胶池中粘接剂体积相同。

所述反射镜片7包括X反射镜片2和Y反射镜片3，所述X反射镜片2的径厚比为12，Y反射镜片3的径厚比为16，以提高动态性能。

进一步的，反射镜座1设计为对称凹槽结构。

本实施例中所述反射镜座粘接槽4的宽度W比反射镜片7的厚度B大0.06mm。

如图1～图3所示，上述一种低面型畸变的振镜反射镜采用以下步骤进行粘结固定：

先在反射镜座粘接槽4中注入胶粘剂5，所述胶粘剂5的注入体积为反射镜座粘接槽4体积的1/2～2/3；具体而言，使用带刻度的注射器将混合搅拌完成的胶粘剂5注入反射镜座1凹槽，注入量为反射镜座粘接槽4容积的1/2～2/3，换算而成的注射器刻度值进行注射。将反射镜镜片放入反射镜座粘接槽4中，并采用直径为0.03的鱼线6或玻璃微珠放置于反射镜片7与反射镜座粘接槽4的前后槽壁之间；以保证镜片与前后槽壁距离相等，前后胶池中粘接剂体积相同。将整套器件放置于烘箱内进行固化，然后进行退火处理。

所用胶粘剂为双组份环氧树脂，其包括A组分环氧树脂和固化剂脂肪胺，所述A组分和固化剂的配比为体积比1：1。A组分环氧树脂为二酚基丙烷型环氧树脂，也可使用缩水甘油酯类环氧树脂固化剂为改性脂肪胺。使用时不需辅助溶剂，常温操作，低放气。如图4所示，固化的条件为先在2小时内升高至35℃；35℃保持4小时；然后在2小时内由35℃升高至50℃；50℃保持4小时；2小时内降温至35℃；35℃保持1小时；2小时内降至25℃。温度逐渐升高并保持的固化工序能够促进环氧树脂中环氧基等与固化剂中的胺发生充分的大面积交联，形成三维网状结构，显著提升粘接强度，使反射镜获得良好的动态性能；之后逐渐降温的退火工序能够使胶层应力释放，令胶层张力对镜片反射面的影响最小化，使反射镜获得良好的平面度。

选取50片反射镜片，按照上述方法进行固定粘结，反射镜片粘接前后典型干涉图对比如图5和图6所示，粘接前PV：0.02λ＝12.7nm，粘接后PV：0.11λ＝69.9nm。采用光波长635.74nm进行测量，粘接前后的平面度对比如表1所示。

表1粘接前后的平面度对比表

50片已粘接紫外振镜反射镜样品中，49片满足粘接后平面度PV≤133nm，平面度变化量△PV≤63nm性能指标，通过率98％。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种低面型畸变的振镜反射镜，其特征在于：所述振镜反射镜包括反射镜座和反射镜片，所述反射镜片的双侧平面平行，所述反射镜片的平面度为不小于λ/8@633nm；

所述反射镜座设有反射镜座粘接槽，所述反射镜座粘接槽的宽度W大于反射镜片的厚度B，所述反射镜片通过胶粘剂固定在反射镜座粘接槽中，所述反射镜片与反射镜座粘接槽的前后槽壁之间设有胶粘剂层和固定件。

2.根据权利要求1所述的低面型畸变的振镜反射镜，其特征在于：所述反射镜片包括X反射镜片和Y反射镜片，所述X反射镜片的径厚比为12， Y反射镜片的径厚比为16。

3.根据权利要求1所述的低面型畸变的振镜反射镜，其特征在于：所述反射镜片与反射镜座粘接槽的前后槽壁的距离相等。

4.根据权利要求1所述的低面型畸变的振镜反射镜，其特征在于：所述反射镜座粘接槽的宽度W比反射镜片的厚度B大0.06~0.1mm。

5.根据权利要求4所述的低面型畸变的振镜反射镜，其特征在于：所述反射镜座粘接槽的宽度W比反射镜片的厚度B大0.06mm。

6.一种如权利要求1~5任意一项所述的低面型畸变的振镜反射镜的粘接固定方法，其特征在于，其包括以下步骤：

先在反射镜座粘接槽中注入胶粘剂，所述胶粘剂的注入体积为反射镜座粘接槽体积的1/2~2/3；

将反射镜镜片放入反射镜座粘接槽中，并采用外径为(W-B)/2的鱼线或玻璃微珠、或厚度为(W-B)/2的固定片放置于反射镜片与反射镜座粘接槽的前后槽壁之间；

将整套器件放置于烘箱内进行固化，然后进行退火处理。

7.根据权利要求6所述的低面型畸变的振镜反射镜的粘接固定方法，其特征在于：所述胶粘剂为双组份环氧树脂，其包括A组分环氧树脂和固化剂脂肪胺，所述A组分和固化剂的配比为体积比1:0.8~1.2。

8.根据权利要求6所述的低面型畸变的振镜反射镜的粘接固定方法，其特征在于：所述固化的条件为升温到35℃，保温3~5小时，然后升温到50℃，保温3~5小时；

所述退火的条件为先降温到35℃，保温0.5~12小时，然后降到常温。

9.根据权利要求8所述的低面型畸变的振镜反射镜的粘接固定方法，其特征在于：所述固化的条件为先在2小时内升高至35℃；35℃保持4小时；然后在2小时内由35℃升高至50℃；50℃保持4小时；2小时内降温至35℃；35℃保持1小时；2小时内降至25℃。