CN100462181C - 飞秒激光真三维微纳加工中心 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞秒激光真三维微纳加工中心，沿飞秒激光产生放大***的输出光束方向上设置反射镜，反射镜与输出光束的负向夹角为45°，沿反射后的光轴方向在反射镜下方设置多轴联动微动工作台，在反射镜和多轴联动微动工作台中间的光轴方向上设置聚焦透镜，并在反射镜上方设置CCD传感器，飞秒激光产生放大***、多轴联动微动工作台、CCD传感器和LCD监视器连接在工控机上。该加工中心能够加工高熔点、高硬度和高脆性等特种功能材料的微纳尺度真三维结构件。

Description

飞秒激光真三维微纳加工中心

技术领域

本发明涉及一种真三维微纳加工设备，属于先进制造技术领域，特别涉及飞秒激光真三维微纳加工中心。

背景技术

近年来，随着微***需求的增加，结构的三维化和材料的多元化已成为微纳制造领域关注的一个热点问题。

传统MEMS工艺主要采用由IC工艺发展而来的硅微加工工艺，通过掩模刻蚀加工出所需的结构，这种工艺一般局限于二维加工。上世纪80年代在德国开发出的LIGA技术突破了硅微加工工艺在高深宽比结构制作方面的局限，同时，还可以通过电铸和塑模成型制作出金属和塑料等材料的微器件，但是LIGA工艺最多也仅能制作二维半结构，在真三维形面加工方面存在局限。

超精密切削加工和微细电火花加工是由传统的数控切削加工和电火花加工发展而来，采用微细刀具和线电极进行去除加工，可以加工具有真三维特征的微器件。但由于受到刀具和线电极本身尺度的影响，上述两种工艺方法的加工特征尺度目前仅能达到微米级，在加工纳米级微尺度三维特征上存在局限。

聚焦离子束溅射可用于加工微米和亚微米尺度的三维结构特征，相对微切削加工和电火花加工具有较高的加工精度和分辨率。但聚焦离子束加工从本质上来讲属于热熔性加工，溅蚀过程中的热影响较为明显，从而增加了溅蚀单元形状和尺度控制的难度，另外，热扩散作用还会影响到制件的尺寸精度和表面质量。

随着激光技术的发展，激光微加工已成为一种很有潜力的微纳加工方法。微光固化技术是一种典型的激光三维微加工技术，通过微尺度光斑扫描或掩模曝光实现层片固化，并通过层堆积实现真三维结构的制作。由于光固化本身是一种单体分子光致聚合的光化学反应，理论上可实现很高的制作分辨率和很小的制作尺度，目前微光固化技术可制作出最小特征为微米级的三维结构特征。微光固化技术的材料仅局限在聚合物，在制作功能结构件方面存在局限，近年来有学者尝试通过添加辅助粉体或复型的方法来制作陶瓷或金属功能件，但多数处于实验阶段。

日本学者曾采用高能紫外激光器，开发了一种五轴联动激光车削加工中心，成功的加工出最小特征为微米级的三维结构件，但紫外激光蚀材加工是通过热蚀效应实现的，可加工材料范围较小，而且加工分辨率也难以提高到纳米级，在加工纳米尺度特征时存在局限。

超短脉冲激光特别是飞秒激光的出现给微细加工技术提供了新的方法。目前飞秒激光主要用于透明材料内部的微加工，可通过固态实体内部微***和液态聚合物内部多光子非线性能量吸收的方法来实现。微***形成的点状空腔可达到亚微米级，该方法可用于加工微流道、三维光存储及点阵构成的光子晶体等透明材料内部三维结构，其局限在于材料必须是玻璃、石英和单晶蓝宝石等透明介质。双光子吸收成型沿用了微光固化技术的层堆积造型思想，实现了聚合物内部固化，避免了涂层工艺中由液体表面张力造成的涂层厚度难以降低的瓶颈，造型分辨率可达到亚微米级。与微光固化相同，双光子吸收造型工艺的加工材料仅限于液态光敏聚合物，在制作功能材料结构件方面存在困难。

飞秒激光还可用于材料外表面的刻蚀，相对于聚焦离子束、传统激光等高能束表面刻蚀加工，飞秒激光加工具有材料加工范围广、热扩散影响基本可忽略和加工精度及表面质量高等特点。另外，通过选定激光峰值能量略高于材料电离域值，材料的最小刻蚀范围仅为激光光斑的10％左右，这样大大提高了飞秒激光去除加工的分辨率，可实现微米尺度甚至纳米尺度结构的加工。基于以上特点，飞秒激光加工在微纳加工中的应用具有很大的潜力，但从目前已有报道来看，飞秒激光表面刻蚀加工主要用于如微孔和微槽等简单结构特征的加工，虽然有研究机构尝试将其应用于三维结构加工中，但实际结果却局限在橡胶类材料的两维半结构加工上。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术不足，提出了一种飞秒激光真三维微纳加工中心，该加工中心能够加工高熔点、高硬度和高脆性等特种功能材料的微纳尺度真三维结构件。

本发明的技术方案是这样实现的：本发明包括飞秒激光产生放大***、反射镜、聚焦透镜、多轴联动微动工作台、CCD传感器、LCD监视器和工控机；沿飞秒激光产生放大***的输出光束方向上设置反射镜，反射镜与输出光束的负向夹角为45°，沿反射后的光轴方向在反射镜下方设置多轴联动微动工作台，在反射镜和多轴联动微动工作台中间的光轴方向上设置聚焦透镜，并在反射镜上方设置CCD传感器，飞秒激光产生放大***、多轴联动微动工作台、CCD传感器和LCD监视器连接在工控机上。

所述的多轴联动微动工作台采用五轴联动微动工作台或六自由度并列机构微动工作台。

所述的五轴联动微动工作台由第一微动直线滑台、第二微动直线滑台、第三微动直线滑台和第一旋转摆台、第二旋转摆台组成；第一微动直线滑台上正交安装第二微动直线滑台，第二微动直线滑台通过转接板与第三微动直线滑台连接，第三微动直线滑台的安装平面与X方向平行，与Y方向垂直；直接在第三微动直线滑台上安装第一旋转摆台，第一旋转摆台上正交安装第二旋转摆台，两者的回转轴线相交，并通过转接板连接；在第二旋转摆台上安装夹持机构。

本发明采用上述技术方案实现了飞秒激光表面刻蚀加工与多轴联动数控加工的结合，具有飞秒激光表面刻蚀加工高分辨率、高精度及材料范围广的特点，同时还具有多轴联动数控加工可实现三维自由形面加工的特点，解决了微纳尺度下特种功能材料三维结构件的加工问题。本发明所设计的加工中心可加工宏观尺寸在1mm以下，最小特征尺寸达200nm以下的真三维制件。

附图说明

图1为本发明飞秒激光真三维微纳加工中心***原理图。

图2为本发明五轴联动微动工作台结构原理图。

图3为本发明飞秒激光真三维微纳加工中心软件及控制原理图。

图4(a)为Z轴正法向曲面加工示意图。

图4(b)为该过程中坐标转换示意图。

图5为Z轴负法向曲面加工示意图。

图6为本发明六自由度并联机构微动工作台机构原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的内容进行详细说明。

参照图1所示，本发明沿飞秒激光产生放大***2的输出光束方向上设置反射镜5，反射镜5与输出光束的负向夹角为45°，沿反射后的光轴方向在反射镜5下方设置多轴联动微动工作台7，在反射镜5和多轴联动微动工作台7中间的光轴方向上设置聚焦透镜6，并在反射镜5上方设置CCD传感器4，飞秒激光产生放大***2、多轴联动微动工作台7、CCD传感器4和LCD监视器3连接在工控机1上。

飞秒激光产生放大***2、反射镜5和聚焦透镜6构成了该加工中心的光学***。其中，飞秒激光产生放大***2可输出最小脉冲宽度达9fs，重复频率达80MHz，最大峰值功率达40GW的飞秒激光束，反射镜5将输出光束反射到竖直方向光轴上，聚焦透镜6将光束聚焦到加工平面上，获得直径最小达2μm左右的光斑。该加工中心还设计了基于光学显微原理的实时监测***，由LCD监视器3和CCD传感器4组成，CCD传感器4可实时拍摄加工区域的材料刻蚀状态，通过LCD监视器3显示出来。集成控制***是基于工控机1实现的，工控机1中配置了运动控制卡对五轴联动微动工作台7进行驱动，还配置了数据采集卡来获取CCD传感器4的反馈信息。

参照图2所示，五轴联动微动工作台主要由第一微动直线滑台8、第二微动直线滑台9、第三微动直线滑台11和第一旋转摆台12、第二旋转摆台15组成；微动直线滑台采用滚珠丝杆宏位移驱动和压电陶瓷微位移驱动相结合的两级混合驱动方式，可实现2nm以下的最小步距。旋转摆台采用精密涡轮蜗杆传动***，其最小步距可达5μrad。

第一微动直线滑台8驱动X方向的进给；第一微动直线滑台8上正交安装第二微动直线滑台9，第二微动直线滑台9驱动Y方向的进给；第二微动直线滑台9通过转接板10与第三微动直线滑台11连接，第三微动直线滑台11的安装平面与X方向平行，与Y方向垂直，第三微动直线滑台11驱动Z方向进给。直接在第三微动直线滑台11上安装第一旋转摆台12，第一旋转摆台12驱动绕Y轴的摆动；第一旋转摆台12上正交安装第二旋转摆台15，两者的回转轴线相交，并通过转接板13连接，第二旋转摆台15用于驱动绕Z轴的回转。在第二旋转摆台15上安装夹持机构14，夹持机构14用于夹持待加工坯料。本***中，X、Y、Z三个方向的有效行程为±10mm，绕Y方向的摆动范围为±90°，绕Z方向的回转范围为0～360°。

第一微动直线滑台8、第二微动直线滑台9和第三微动直线滑台11由一块支持四轴联动控制的运动控制卡控制，第一旋转摆台12和第二旋转摆台15由一块支持两轴联动控制的运动控制卡控制。两块运动控制卡均通过PCI接口与工控机1连接，集成控制***可同时向两卡发出驱动指令，实现五轴联动控制。

参照图3所示，采用CAD软件建模可获取待加工件的三维模型，由CAM***进行加工方式及加工路径的规划并将生成的NC代码传输给集成控制***，NC代码编译***调用底层驱动程序将NC代码编译成驱动指令并通过运动控制卡将位移及速度等指令下达给多轴联动微动工作台。根据加工材料的类别及加工过程所需的溅射单元尺度，集成控制***可选择适当的飞秒激光脉宽及峰值功率，并将指令下达给飞秒激光参量放大***。光学监测***将采集到的加工区刻蚀状态信息反馈给集成控制***，由后者对飞秒激光参量及加工工艺参数进行修正。

本加工中心的最大特点是将飞秒激光用于微纳尺度三维微结构的加工。可根据加工表面的外法线方向将其分为两类，其中外法线方向与Z轴正方向夹角在0°到90°之间的加工表面称为Z轴正法向加工表面，夹角在90°到180°之间的加工表面称为Z轴负法向加工表面。

参照图4(a)所示，给出了Z轴正法向曲面的加工示例，其中待加工工件16安装在夹持机构14上。定义飞秒激光入射轴线与加工点M处曲面法线的夹角(即飞秒激光入射角)为θ，激光束b为垂直入射的情况(即θ＝0°)，激光束c为倾斜入射情况(即0°πθ≤90°)，可根据所需的刻蚀单元深度与刻蚀表面质量选择θ的大小，当θ＝90°时，相当于对加工表面进行侧铣。通过绕Z轴回转和绕Y轴摆动两者的结合可获取所需的θ值。

参照图4(b)所示，该图显示出了该过程所需的坐标转换。其中，0为机器原点，直线OZ为绕Z向的回转轴线，直线OY为绕Y向摆动轴线，M为加工点，平面ODME与平面OYZ之间的夹角为α，MN为M点处曲面的法向量，β为该法向量与Z向的夹角，平面ODME与平面MFNG垂直。加工时，第二旋转摆台15沿图示方向旋转α角度，第一旋转摆台12沿图示方向旋转β—θ角度，即可获取所需的θ值。在调整光轴角度的同时，通过X、Y和Z三轴的联动差补可实现Z轴正法向曲面的加工。

参照图5所示，给出了Z轴负法向曲面的加工示例，其中待加工工件16安装在夹持机构14上。加工该类曲面时，第一旋转摆台12需先旋转90°或—90°，第二旋转摆台15旋转适当角度使待加工表面的外法线方向改变为Z轴正方向。由于工作台的干涉，激光束的入射角度受到限制，难以实现θ＝0°条件下的加工，在该加工过程中，主要采用倾斜刻蚀的方法(θ≠0°)，通过X、Y和Z三个轴的联动差补即可实现曲面的加工。

参照图6所示，该图显示了六自由度并联机构微动工作台的机构原理。该机构由上托板17、六组支链杆组18、底座19和球副20组成；上托板17和底座19之间设置六组支链杆组18，六组支链杆组18与上托板17和底座19之间均通过球副20连接；上托板17上的球副20分三组，均设置在以上托板17中心为圆心的等径圆周上，并在圆周上均匀分布，底座19上的球副20分布与上托板17上的球副20分布相同，上托板17的三组球副20与底座19的三组球副20间两两呈60°夹角；六组支链杆组18的上下杆之间通过压电陶瓷驱动实现伸缩，夹持机构14安装在上托板17上。六组支链杆组18的上下杆之间通过压电陶瓷驱动实现伸缩，夹持机构14安装在上托板17上。该机构通过六组支链杆组18的配合伸缩实现沿X、Y、Z三个轴的平移及绕X、Y、Z三个轴的摆动，其中六组支链杆组18的最小伸缩可达2～5nm，沿X、Y、Z三轴平移的最小进给可到0.3μm以下，单向最大行程可达10～20mm，沿X、Y、Z三轴转动的最小进给可达3.5μrad以下，单向最大行程可达10～15°。

Claims (1)

1.飞秒激光真三维微纳加工中心，包括飞秒激光产生放大***(2)、反射镜(5)、聚焦透镜(6)、多轴联动微动工作台(7)、CCD传感器(4)、LCD监视器(3)和工控机(1)；其特征在于，沿飞秒激光产生放大***(2)的输出光束方向上设置反射镜(5)，反射镜(5)与输出光束的负向夹角为45°，沿反射后的光轴方向在反射镜(5)下方设置多轴联动微动工作台(7)，在反射镜(5)和多轴联动微动工作台(7)中间的光轴方向上设置聚焦透镜(6)，并在反射镜(5)上方设置CCD传感器(4)，飞秒激光产生放大***(2)、多轴联动微动工作台(7)、CCD传感器(4)和LCD监视器(3)连接在工控机(1)上；所述多轴联动微动工作台(7)采用五轴联动微动工作台；

所述的五轴联动微动工作台由第一微动直线滑台(8)、第二微动直线滑台(9)、第三微动直线滑台(11)和第一旋转摆台(12)、第二旋转摆台(15)组成；第一微动直线滑台(8)上正交安装第二微动直线滑台(9)，两者轴线均处于水平面内，第二微动直线滑台(9)通过第一转接板(10)与第三微动直线滑台(11)连接；第三微动直线滑台(11)的安装平面与第一微动直线滑台(8)的轴线方向平行，与第二微动直线滑台(9)的轴线方向垂直；直接在第三微动直线滑台(11)上安装第一旋转摆台(12)，第一旋转摆台(12)上正交安装第二旋转摆台(15)；第一旋转摆台(12)与第二旋转摆台(15)通过第二转接板(13)相连接，且两者的回转轴线相交；在第二旋转摆台(15)上安装夹持机构(14)。

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