CN112207425A - 包含表面形貌原位检测的激光加工装置 - Google Patents

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Abstract

一种包含表面形貌原位检测的激光加工装置，包括端面激光加工装置，用于对待加工工件的端面进行激光加工；一维电控平移台，用于平移激光加工后的工件至端面测量位点，以及平移测量后的端面至加工位点；端面形貌测量装置，用于测量位于测量位点处的经激光加工后工件的端面形貌。本发明的加工装置通过引入电控平移台，使端面加工及端面测量不再孤立。

Description

包含表面形貌原位检测的激光加工装置
技术领域
本发明涉及微纳加工和光学器件的加工领域，进一步涉及一种包含表面形貌原位检测的激光加工装置。
背景技术
随着微纳加工技术的进步，激光加工技术已经成熟的应用于微米尺度的精细加工。加工结果的表征需要借助轮廓仪或者原子力显微镜，尤其是对表面形貌要求比较高的领域，例如光学元件的表面形貌。若端面形貌测量结果不理想，加工者往往需要将加工器件放回原加工位置进行二次加工，这往往需要在不同系统上来回转移样品。这样操作不仅费时费力，还往往由于对准问题导致二次加工的失败。这一切均来源于激光加工及端面测量过程的分离，因此亟需一复合系统将两功能有机结合，实现原位检测的激光加工，保证重复加工的对准精度，使基于初加工的复加工更加便利。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明提供了一种原位加工、检测装置。将轮廓仪与激光加工装置集成，可以实现微米量级曲率曲面原位加工、检测。
(二)技术方案
根据本发明的一方面，提供一种包含面形貌原位检测的激光加工装置，包括
端面激光加工装置，用于对待加工工件的端面进行激光加工；
一维电控平移台，用于平移激光加工后的工件至端面测量位点，以及平移测量后的端面至加工位点；
端面形貌测量装置，用于测量位于测量位点处的经激光加工后工件的端面形貌。
在进一步的实施方案中，所述端面形貌测量装置为扫描式的白光干涉仪。
在进一步的实施方案中，所述端面激光加工装置包括可调谐激光器以及依次设置在所述可调谐激光器出光光路上的空间滤波器、脉冲发生器、方向调节器、和第一透镜；其中，
所述可调谐激光器用于产生连续输出的激光；
所述空间滤波器用于滤除所述激光中的高阶横模光，保留所述激光中的基横模光；
所述脉冲发生器用于将所述连续输出的激光调整为不连续输出的激光脉冲，并使所述激光脉冲的脉宽为预设脉宽；
所述方向调节器用于调节所述激光脉冲的传输方向，以获得具有预设光斑轨迹的激光脉冲；
所述第一透镜用于将所述激光脉冲聚焦到待加工的端面，以采用具有所述预设光斑轨迹的激光脉冲对端面进行加工。
在进一步的实施方案中，所述空间滤波器包括依次设置在所述可调谐激光器出光光路上的第二透镜和具有通孔的遮光板；
所述第二透镜用于将所述激光聚焦到所述遮光板的通孔中，以通过所述通孔滤除所述激光中的高阶横模光，保留所述激光中的基横模光。
在进一步的实施方案中，所述脉冲发生器为快门；所述方向调节器为摆镜。
在进一步的实施方案中，还包括控制器，用于比对端面形貌测量装置的形貌和目标形貌的差别，如比对结果在设定范围之外，则控制所述一维电控平移台平移测量后的端面至加工位点进行复加工。
在进一步的实施方案中，所述移位电控平移台包括电动导轨，所述电动导轨的移动精度为1微米以下。
在进一步的实施方案中，所述形貌测量装置为光学轮廓仪。
(三)有益效果
1、通过引入电控平移台，使端面加工及端面测量不再孤立。研究人员利用此技术不再依赖于一次性加工，如果对当前的端面加工形貌不满意，可以反复加工将端面修复至满意为止。此项技术大大节省了加工原材料，还使加工过程的可调整性增加。加工者可以在初加工的基础上方便地反复修复，在节省材料的同时，也大大增加了加工的精度。
2、由于加工和检测过程都是非接触过程，因此可以利用高精密电控导轨快速地切换样品的加工和检测状态，快速地实现对样品的加工和检测。
3、过程中重复的精度只取决于导轨的重复精度，而电动导轨的精度容易做到1微米以下。
4、借助控制程序可以实现加工、检测过程的自动化，自动对比与待加工表面形貌的差异，然后自动实现复加工。
5、光学轮廓仪基于光学干涉原理测量，因此纵向检测精度、即表面形貌的检测精度可以达到纳米量级。此外，光学轮廓仪可以快速的完成表面形貌的测量。
附图说明
图1是本发明实施例的包含表面形貌原位检测的激光加工装置示意性简图。
图2是本发明实施例2含表面形貌原位检测的激光加工装置示意性简图。
图3是本发明实施例采用的光学轮廓仪的示意图。
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。
本发明实施例提供了一种包含表面形貌原位检测的激光加工装置，如图1所示，该装置包括端面激光加工装置，用于对待加工工件的端面进行激光加工；一维电控平移台17，用于平移激光加工后的工件至端面测量位点，以及平移测量后的端面至加工位点；
端面形貌测量装置，用于测量位于测量位点处的经激光加工后工件的端面形貌。
在一些实施例中，该加工装置包括可调谐激光器10以及依次设置在可调谐激光器10出光光路上的空间滤波器11、脉冲发生器12、方向调节器13、第一透镜14、放置在平移台加工位点的待加工端面15，放置在平移台测量位点的待测量端面16，一维电控平移台17和轮廓仪18。
其中，可调谐激光器10用于产生连续输出的激光。可选地，该可调谐激光器10为功率可调的二氧化碳激光器，当然，本发明并不仅限于此，在其他实施例中，可调谐激光器10还可以为其他类型的激光器。
如图1所示，本实施例中的空间滤波器11包括依次设置在可调谐激光器10出光光路上的第二透镜110和具有通孔的遮光板111。其中，第二透镜110用于将激光聚焦到遮光板111的通孔中，以通过通孔滤除激光中的高阶横模光，保留激光中的基横模光。由于保留基横模光的激光为高斯光束，具有能量分布的圆对称性，因此，可以在待加工端面获15获得能量圆对称性分布的光斑。
本实施例中，可以根据公式D＝λf/r计算得到衍射光斑的大小，其中，D为衍射光斑的直径，λ为激光的波长，r为入射光斑的半径即透过第二透镜110后照射到通孔上的光斑的半径。
本实施例中，脉冲发生器12优选为快门，方向调节器13优选为摆镜。可选地，本实施例中的快门为SH1/M型号的快门，该快门的控制器为SCl0型号的控制器，其最短的打开时间为10ms，当然，本发明并不仅限于此，在其他实施例中，可以为其他类型的光快门，但是，快门必须要承受一定的功率。
可选地，本实施例中的摆镜为S-330.2SD型号的压电陶瓷偏摆镜，该摆镜的控制器为E-727.3SD型号的控制器，该摆镜具有较高的精密度和良好的稳定性，配合焦距为10cm的场镜，横面加工范围可以到100um，可以实现微米量级曲率曲面的光学加工。当然，本发明并不仅限于此，在其他实施例中，可以采用其他类型和型号的摆镜，例如激光扫描振镜。
本实施例中，如图1所示，驱动部件可以驱动全反镜沿第一方向a和第二方向b摆动，以使入射到全反镜的激光脉冲以不同的空间角度出射，即可以调节入射到全反镜的激光脉冲的传输方向。
本实施例中，第一透镜14为材料硒化锌的非球面透镜。可选地，第一透镜14为AL72525-G型号的透镜，其具有较小的像差，当然，本发明并不仅限于此。通过快门和摆镜后的激光脉冲通过第一透镜14聚焦到待加工端面15上，可以在端面获得预设的光斑轨迹，如点、直线、圆形或椭圆形光斑轨迹，从而可以获得不同面型的端面，如凹球面或凹椭球面的端面。
本实施例中，在激光聚焦的加工位点处，待加工端面15与平移台面固定在一起。加工激光入射到待加工端面即完成加工。
在实施例中，在端面形貌测量位点处，待测量端面16与平移台固定在一起。轮廓仪18在此位点处测量端面形貌。
在实施例中，一维平移台17起到连接加工与测量的作用。当在加工位点15处加工完毕后，可将平移台移动至测量位点16处，通过轮廓仪18进行端面形貌测量。如果希望对当前端面形貌进行修复，可将平移台从测量位点16再次移至加工位点15。如此反复，直至对端面形貌满意为止。
为保证平移时精度，所述移位电控平移台包括电动导轨，所述电动导轨的移动精度为1微米以下。
在实施例中，轮廓仪18对端面形貌进行测量。可选地，轮廓仪18可选择扫描式的白光干涉仪，其具有精度高，速度快的特点，可以高效高质地对端面形貌进行评估。
图2是本发明提供的第2个实施例，主要在一维电控平移台上放置二维或者三维电控平移台252，替换实施例1中的方向调节器13，通过移动平移台扫描样品，实现激光加工。本实施列包括：激光器20，空间滤波器21、脉冲发生器22、第一透镜24、放置在平移台加工位点的待加工端面25，放置在平移台测量位点的待测量端面26，一维电控平移台27和轮廓仪28。这些器件的工作原理与实施例1类似。
图3是本发明实施列中光学轮廓仪的基本构成，具体包括34干涉物镜，33纳米平移台，36白光光源，32显微镜筒，31成像CCD。白光光源36优选白光二极管，起发射的白光经过显微镜筒32反射进入干涉物镜34，干涉物镜将白光聚焦照射到待检测样品，样品反射光被干涉物镜收集，透过显微镜筒32，最后到CCD 31上成像。33纳米平移台优选闭环压电纳米平移台，通过压电平台驱动干涉物镜沿着物镜轴向扫描，可以在CCD上采集到一系列干涉图像，通过控制器采集图像序列，并计算分析图像序列，最终可获得样品表面形貌。
在实施例中，轮廓仪18对端面形貌进行测量。可选地，轮廓仪18可选择扫描式的白光干涉仪，其具有精度高，速度快的特点，可以高效高质地对端面形貌进行评估。
在一些实施例中，本申请的装置还包括控制器，用于比对端面形貌测量装置的形貌和目标形貌的差别，如比对结果在设定范围之外，则控制所述一维电控平移台平移测量后的端面至加工位点进行复加工。实际使用时，控制器可以为计算机。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种包含表面形貌原位检测的激光加工装置，包括：
端面激光加工装置，用于对待加工工件的端面进行激光加工；
一维电控平移台，用于平移激光加工后的工件至端面测量位点，以及平移测量后的端面至加工位点；
端面形貌测量装置，用于测量位于测量位点处的经激光加工后工件的端面形貌。
2.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，所述端面形貌测量装置为扫描式的白光干涉仪。
3.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，所述端面激光加工装置包括可调谐激光器以及依次设置在所述可调谐激光器出光光路上的空间滤波器、脉冲发生器、方向调节器、和第一透镜；其中，
所述可调谐激光器用于产生连续输出的激光；
所述空间滤波器用于滤除所述激光中的高阶横模光，保留所述激光中的基横模光；
所述脉冲发生器用于将所述连续输出的激光调整为不连续输出的激光脉冲，并使所述激光脉冲的脉宽为预设脉宽；
所述方向调节器用于调节所述激光脉冲的传输方向，以获得具有预设光斑轨迹的激光脉冲；
所述第一透镜用于将所述激光脉冲聚焦到待加工的端面，以采用具有所述预设光斑轨迹的激光脉冲对端面进行加工。
4.根据权利要求3所述的激光加工装置，其特征在于，所述空间滤波器包括依次设置在所述可调谐激光器出光光路上的第二透镜和具有通孔的遮光板；
所述第二透镜用于将所述激光聚焦到所述遮光板的通孔中，以通过所述通孔滤除所述激光中的高阶横模光，保留所述激光中的基横模光。
5.根据权利要求3所述的激光加工装置，其特征在于，所述脉冲发生器为快门；所述方向调节器为摆镜。
6.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，还包括控制器，用于比对端面形貌测量装置的形貌和目标形貌的差别，如比对结果在设定范围之外，则控制所述一维电控平移台平移测量后的端面至加工位点进行复加工。
7.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，所述移位电控平移台包括电动导轨，所述电动导轨的移动精度为1微米以下。
8.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，所述形貌测量装置为光学轮廓仪。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113909696A (zh) * 2021-08-24 2022-01-11 清华大学 镜面加工装置

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090066969A1 (en) * 2007-09-11 2009-03-12 Disco Corporation Height position detector for work held on chuck table
CN105136027A (zh) * 2015-05-27 2015-12-09 华中科技大学 一种激光在线测量加工检测方法及其装置
CN106862759A (zh) * 2017-04-19 2017-06-20 中国科学技术大学 一种光纤端面的加工装置和加工方法
CN108413867A (zh) * 2017-04-18 2018-08-17 北京理工大学 激光微纳加工分光瞳差动共焦在线监测一体化方法与装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090066969A1 (en) * 2007-09-11 2009-03-12 Disco Corporation Height position detector for work held on chuck table
CN105136027A (zh) * 2015-05-27 2015-12-09 华中科技大学 一种激光在线测量加工检测方法及其装置
CN108413867A (zh) * 2017-04-18 2018-08-17 北京理工大学 激光微纳加工分光瞳差动共焦在线监测一体化方法与装置
CN106862759A (zh) * 2017-04-19 2017-06-20 中国科学技术大学 一种光纤端面的加工装置和加工方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113909696A (zh) * 2021-08-24 2022-01-11 清华大学 镜面加工装置

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