CN113020820B - 一种分段式回转扫描微孔阵列加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种分段式回转扫描微孔阵列加工装置及其加工方法，装置包括高重频超快激光器、反射镜、光阑、物镜、激光振镜、复合运动平台和旋转台。本发明的方法是利用高重频超快激光器产生飞秒量级超快脉冲，通过设定的激光路径穿过显微物镜到达工件，同时工件被夹具固定在高精度电控旋转台上，通过复合运动平台带动旋转台的径向平移以及周向旋转的配合，结合分段式加工算法，最终稳定、均匀、高效且大面积地加工出微孔阵列。本发明创新性地提出分段式算法，能够在保证每段回转加工时稳定性和微孔阵列均匀性的同时又高效地完成了大面积部分的加工；加工激光功率恒定，只需利用计算机程序简单控制平台运动即可一次性完成加工，操作简单。

Description

一种分段式回转扫描微孔阵列加工方法

技术领域

本发明涉及微纳加工技术领域，特别涉及一种分段式回转扫描微孔阵列加工方法。

背景技术

激光微孔加工技术是利用激光脉冲与物质相互作用的特性对材料(包括金属与非金属)进行微孔扫描加工，涉及到光、机、电、计算机控制、材料特性及检测等多学科综合技术。激光微孔加工在汽车、微电子、光通讯、航天航空、生物医学、太阳能及燃料电池新能源等高新技术产业领域有广泛应用，改进以及取代了某些传统加工方式。利用超快激光直写加工微孔阵列结构具有很好的优势：超短的脉冲具有极低“热效应”，同时高功率和高精度以及和物质非线性作用的特性也使得加工出来的微孔具有亚波长的尺度、微纳米级的精度对和大多数难加工材料的加工适应性，再结合现代计算机技术和扫描算法，可以实现复杂的平面甚至曲面的三维结构加工。

目前提出的对微孔阵列的激光加工方案有：二维平面激光线性扫描加工，三维振镜激光加工。其中平面激光线性扫描使用压电位移台或者直线电机控制气浮导轨XY线性扫描，前者压电位移台具备纳米精度但加工范围和扫描速度受限，影响效率；后者范围足够，精度可达亚微米级，但线性扫描的方式在小范围内很难保持较高的加工速度的同时克服加减速中的惯性，并且XY线性扫描很难保证垂直方向扫描一致性，导轨误差会直接影响微孔加工质量，尤其是深度方向上。而三维振镜加工依靠光束的运动实现加工，虽然可以得到较完美的微孔阵列，但受限于扫描范围的限制，大面积加工效率不高，加工一个毫米量级的阵列微结构，往往需要几十个小时的时间。

吉林大学团队曾提出使用旋转台进行飞秒激光直写加工的设想，提出了第一扫描半径和第二扫描半径的概念，在三个半径区间内分别使用了恒线速度、恒角速度变功率、二维振镜加工的加工方式。但是这种方法无法很好的应用到到微孔阵列加工上，微孔阵列加工需要始终保证功率恒定使加工的微孔质量均匀，保证扫描速度恒定使微孔间距均匀。首先他们提出的恒线速度回转加工理论上是需要角速度连续变化的，但在有高旋转精度要求的同时是很难做到角速度连续变化的，其次他们提出的恒角速度变功率加工也无法保证微孔加工质量一致性，并且微孔阵列加工的连续性非常重要，同一个地方不能有重复脉冲。

因此，有必要得到一种具有高精度、高均匀度以及高加工效率的微孔阵列加工装置及其加工方法。

发明内容

本发明提供了一种分段式回转扫描微孔阵列加工方法，其目的是为了得到一种具有高精度、高均匀度的同时加工效率也高的微孔阵列加工方法。

为了达到上述目的，本发明提供了一种分段式回转扫描微孔阵列加工装置，包括：

高重频超快激光器，所述高重频超快激光器产生超快脉冲激光；

光阑，所述光阑设于所述高重频超快激光器的射出端，所述光阑调整所述超快脉冲激光的光路；

凸透镜，所述凸透镜设有两个且平行设置，所述凸透镜设于所述光阑的射出端；

激光振镜，所述激光振镜设于所述凸透镜远离所述光阑的一端；

复合运动平台，所述复合运动平台设于所述激光振镜的射出端，所述复合运动平台和所述激光振镜之间还设有一物镜，所述超快脉冲激光水平射出所述激光振镜后通过所述物镜并聚焦在所述复合运动平台上。

进一步的，所述高重频超快激光器与所述光阑之间，所述光阑与所述凸透镜之间均设有一反射镜。

进一步的，所述光阑处电连接有电光调制曝光开关或者声光调制曝光开关，所述电光调制曝光开关或者声光调制曝光开关通过连接计算机实现程序控制。

进一步的，两个所述凸透镜之间的间距满足出射光为平行光。

进一步的，所述复合运动平台上设有交叉的X轴与Y轴，所述Y轴上固定有一旋转台；所述旋转台上设有加工工件，所述加工工件通过一夹具固定在所述旋转台上。

本发明还提供了一种应用于分段式回转扫描微孔阵列加工装置的加工方法，包括如下步骤：

步骤一、将旋转台的转轴与激光光轴对准，加工工件利用夹具固定在旋转台上，根据加工工件的形状与大小设定初始加工半径为R₀；

步骤二、开启旋转台，初始角速度按照初始加工半径R₀计算设定为ω₀；等待转台转速稳定后，启动高重频超快激光器产生超快脉冲激光，垂直射入并聚焦在加工工件表面外围的起始加工位置，分段式算法程序运行开始；分段式算法程序预先设定微孔阵列的间隔为Δs，初始角速度ω₀，Y轴步进速度设定为v₀，为了使每次分段区域微孔阵列间隔均匀，分段的依据为每次加工前后的半径比值为定值，设为1：(1-p)，则每次分段步进终止条件为径向步进距离ΔR_k＝p·R_k，p<1，达到终止条件的同时关闭激光曝光，径向步进停止；

步骤三、加工完第一个近环形分段，可视为又从加工半径R₁＝(1-p)·R0开始扫描，此时角速度和步进速度重新调整，调整至ω₁＝ω0/(1-p)，v₁＝v0/(1-p)，等角速度稳定后，再次开启激光曝光和Y轴径向步进；经过k次加工，加工至半径R_k＝(1-p)^k·R₀，角速度调整至ω₀/(1-p)^k，步进速度调整为v₀/(1-p)^k，由于旋转台角速度有最大值，故R_k有最小值；初始选用高重复频率加工，可选用更低重复频率使加工最小半径R_k更小；

步骤四、当通过调整角速度、重复频率加工至最小半径R_min(小于1mm)时，关闭旋转台，停止步进，使用激光振镜扫描加工完剩余面积；此时在_Rmin已知的情况下，利用激光振镜逐点曝光的方式，控制激光振镜的两轴和复合运动平台的X轴即可完成扫描加工。

进一步的，当所述加工工件的形状非圆形时，在分段式算法程序中跟据加工工件的形状划分好空行程区域，然后在空行程中设置关闭曝光。

本发明中的分段式算法指，根据微孔均匀度要求，利用得到的分段条件确定个分段半径范围，计算机程序先在每一段半径范围初始设定恒定的角速度，在转动稳定后配合径向移动完成该分段内高精度的螺线扫描加工，至分段末即下段半径范围初会暂时关闭曝光并停止径向平动，等待再次调整角速度至稳定后再打开曝光同时重新配合径向平动，如此反复。期间，为了充分的提高加工效率，重复频率也进行了分段式的调整，且单个脉冲的能量大小不变。

本发明的上述方案有如下的有益效果：本发明利用超快激光微纳制造技术，结合旋转台回转加工方法，有效克服线性扫描带来的高惯性，不同于已有的旋转台激光直写方法，本方法既考虑了旋转台在稳定旋转状态即恒角速度下的高精度特性，也通过分段的方式达到近似恒定扫描线速度的高均匀度微孔阵列，并且在不改变单个脉冲能量的同时调整重复频率可以大幅提高加工效率；

本发明每次分段内角速度稳定后才开始加工，充分利用了旋转台在稳定旋转状态即恒角速度下的高精度特性；本发明每次分段加工重新调整角速度，保证分段与分段间的线速度一致，即微孔阵列周向均匀度得到了保证，径向均匀度由径向平动时间间隔保证；本发明通过严格控制旋转台角速度调整、激光曝光开关和径向平动的配合，微孔阵列可视为完整、连续的螺线加工，结合重复频率的调整，加工效率以及加工面积得到大幅改善。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图；

图2是本发明的微孔阵列三维示意图；

图3是本发明的微孔阵列二维示意图。

附图标记说明

1-高重频超快激光器；2-反射镜；3-光阑；4-凸透镜；5-激光振镜；6-物镜；7-复合运动平台；8-加工件。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明针对现有的问题，提供了一种分段式回转扫描微孔阵列加工装置，包括：

高重频超快激光器1，所述高重频超快激光器1产生超快脉冲激光；

光阑3，所述光阑3设于所述高重频超快激光器1的射出端，所述光阑3调整所述超快脉冲激光的光路；

凸透镜4，所述凸透镜4设有两个且平行设置，所述凸透镜4设于所述光阑3的射出端；

激光振镜5，所述激光振镜5设于所述凸透镜4远离所述光阑3的一端；

复合运动平台7，所述复合运动平台7设于所述激光振镜5的射出端，所述复合运动平台7和所述激光振镜5之间还设有一物镜6，所述超快脉冲激光水平射出所述激光振镜5后通过所述物镜6并聚焦在所述复合运动平台7上。

其中，所述高重频超快激光器1与所述光阑3之间，所述光阑3与所述凸透镜4之间均设有一反射镜2；

本发明所述光阑处电连接有电光调制曝光开关或者声光调制曝光开关，所述电光调制曝光开关或者声光调制曝光开关通过连接计算机实现程序控制；

本发明中两个所述的凸透镜能构成激光光束准直扩束系统，有效改善光束的发散角，使能够利用物镜的高数值孔径，选取所需求焦距的透镜后调整两透镜间距至出射光为平行光；

本发明中激光振镜在回转扫描阶段扫描激光振镜内的XY轴，反射镜片无需偏转，而是主要用于在加工至极小半径范围内时，通过接受计算机数模转换卡输出的模拟电压进而控制进行偏转加工。

其中，所述复合运动平台7上设有交叉的X轴与Y轴，所述Y轴上固定有一旋转台；所述旋转台上设有加工工件8，所述加工工件8通过一夹具固定在所述旋转台上。

本发明加工前入射光轴需对准旋转台的轴心水平线，保证Y轴平动确为旋转台的径向平动，调整入射光和旋转台使激光为垂直入射在加工工件上，并控制Y轴平动时的垂直度误差，调整X轴至激光焦点打在工件表面上；计算机同时连接复合运动平台、高精度电控旋转台、激光曝光开关和飞秒激光器，通过编写好的计算机程序保证加工过程中的各运动配合

本实施例中提供了一种应用于分段式回转扫描微孔阵列加工装置的加工方法，采用数值孔径0.8的100倍物镜在涂布正性光刻胶的玻璃光学窗口上进行超快激光分段式微孔阵列扫描加工，从外向内使用75kHz，25kHz重复频率，即设定扫描线速度分别为225mm/s，75mm/s，包括如下步骤：

步骤一、将旋转台的转轴与激光光轴对准，加工工件利用夹具固定在旋转台上，根据加工工件的形状与大小设定初始加工半径为R₀；

步骤二、开启旋转台，初始角速度按照初始加工半径R₀计算设定为ω₀；等待转台转速稳定后，启动高重频超快激光器产生超快脉冲激光，垂直射入并聚焦在加工工件表面外围的起始加工位置，分段式算法程序运行开始；分段式算法程序预先设定微孔阵列的间隔为Δs，初始角速度ω₀，Y轴步进速度设定为v₀，为了使每次分段区域微孔阵列间隔均匀，分段的依据为每次加工前后的半径比值为定值，设为1：(1-p)，则每次分段步进终止条件为径向步进距离ΔR_k＝p·R_k，p<1，达到终止条件的同时关闭激光曝光，径向步进停止；

步骤三、加工完第一个近环形分段，可视为又从加工半径R₁＝(1-p)·R0开始扫描，此时角速度和步进速度重新调整，调整至ω₁＝ω0/(1-p)，v₁＝v0/(1-p)，等角速度稳定后，再次开启激光曝光和Y轴径向步进；经过k次加工，加工至半径R_k＝(1-p)^k·R₀，角速度调整至ω₀/(1-p)^k，步进速度调整为v₀/(1-p)^k，由于旋转台角速度有最大值，故R_k有最小值；初始选用高重复频率加工，可选用更低重复频率使加工最小半径R_k更小；

步骤四、当通过调整角速度、重复频率加工至最小半径R_min(小于1mm)时，关闭旋转台，停止步进，使用激光振镜扫描加工完剩余面积；此时在_Rmin已知的情况下，利用激光振镜逐点曝光的方式，控制激光振镜的两轴和复合运动平台的X轴即可完成扫描加工。

本发明所述的这种分段式回转扫描加工方法不仅适用于圆形回转工件，也适用于其他形状，如果是方形等非回转件，需在程序中根据工件形状划分好空行程区域，然后在空行程中设置关闭曝光。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种分段式回转扫描微孔阵列加工方法，使用一种分段式回转扫描微孔阵列加工装置，其特征在于，该装置包括：

高重频超快激光器，所述高重频超快激光器产生超快脉冲激光；

光阑，所述光阑设于所述高重频超快激光器的射出端，所述光阑调整所述超快脉冲激光的光路；

凸透镜，所述凸透镜设有两个且平行设置，所述凸透镜设于所述光阑的射出端；

激光振镜，所述激光振镜设于所述凸透镜远离所述光阑的一端；

复合运动平台，所述复合运动平台设于所述激光振镜的射出端，所述复合运动平台和所述激光振镜之间还设有一物镜，所述超快脉冲激光水平射出所述激光振镜后通过所述物镜并聚焦在所述复合运动平台上；

所述高重频超快激光器与所述光阑之间，所述光阑与所述凸透镜之间均设有一反射镜；

所述光阑电连接有电光调制曝光开关或者声光调制曝光开关，所述电光调制曝光开关或者声光调制曝光开关通过连接计算机实现程序控制；

两个所述凸透镜之间的间距满足出射光为平行光；

所述复合运动平台上设有交叉的X轴与Y轴，所述Y轴上固定有一旋转台；所述旋转台上设有加工工件，所述加工工件通过一夹具固定在所述旋转台上；

所述分段式回转扫描微孔阵列加工方法包括如下步骤：

步骤一、将旋转台的转轴与激光光轴对准，加工工件利用夹具固定在旋转台上，根据加工工件的形状与大小设定初始加工半径为R₀；

步骤二、开启旋转台，初始角速度按照初始加工半径R₀计算设定为ω₀；等待转台转速稳定后，启动高重频超快激光器产生超快脉冲激光，垂直射入并聚焦在加工工件表面外围的起始加工位置，分段式算法程序运行开始；分段式算法程序预先设定微孔阵列的间隔为Δs，初始角速度ω₀，Y轴步进速度设定为v₀，为了使每次分段区域微孔阵列间隔均匀，分段的依据为每次加工前后的半径比值为定值，设为1：(1-p)，则每次分段步进终止条件为径向步进距离ΔR_k＝p·R_k，p<1，达到终止条件的同时关闭激光曝光，径向步进停止；

步骤三、加工完第一个近环形分段，可视为又从加工半径R₁＝(1-p)·R₀开始扫描，此时角速度和步进速度重新调整，调整至ω₁＝ω₀/(1-p)，v₁＝v₀/(1-p)，等角速度稳定后，再次开启激光曝光和Y轴径向步进；经过k次加工，半径R_k＝(1-p)^k·R₀，角速度调整至ω₀/(1-p)^k，步进速度调整为v₀/(1-p)^k，由于旋转台角速度有最大值，故R_k有最小值；初始选用高重复频率加工，可选用更低重复频率使半径R_k更小；

步骤四、当通过调整角速度、重复频率加工至最小半径R_min小于1mm时，关闭旋转台，停止步进，使用激光振镜扫描加工完剩余面积；此时在R_min已知的情况下，利用激光振镜逐点曝光的方式，控制激光振镜的两轴和复合运动平台的X轴即可完成扫描加工。

2.根据权利要求1所述的分段式回转扫描微孔阵列加工方法，其特征在于，当所述加工工件的形状非圆形时，在分段式算法程序中跟据加工工件的形状划分好空行程区域，然后在空行程中设置关闭曝光。

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